水利水电工程中地下厂房通风系统的优化设计

引言

在水利水电工程建设中，地下厂房因具备空间利用率高、生态影响小等优势而被广泛采用，但其封闭环境对通风系统提出了特殊要求。地下厂房内机电设备密集，发电机、变压器等设备运行时产生大量热量，据行业调研，未优化的通风系统可能导致厂房内温度超出设备允许范围，影响机组效率与寿命。传统通风设计存在气流组织不合理、能耗高等问题，难以满足现代地下厂房的环境控制需求。研究科学的通风系统优化设计方法，对提升地下厂房运行安全性与经济性具有重要工程意义。

一、地下厂房通风系统的现状与需求分析

（一）传统通风系统的局限性

传统地下厂房通风系统主要采用机械送风与自然排风的组合模式，存在显著的环境控制短板。气流组织方面，矩形风道布置导致局部涡流区形成，某地下厂房实测显示，主变室角落的空气龄较平均空气龄高 2 倍，热量积聚明显；设备散热依赖均匀送风，但发电机层的热源分布不均，传统系统难以实现精准控温【1】。除湿能力不足是另一突出问题，地下厂房湿度普遍偏高，某工程因除湿不及时，导致配电柜内出现冷凝水，引发设备故障。能耗方面，风机全负荷运行现象普遍，非高峰时段仍维持设计风量，某电站通风系统的非峰值能耗占比达 40% ，能源浪费严重。

（二）通风系统的多维需求体系

地下厂房通风系统需满足设备散热、人员舒适及空气品质的多维需求。设备散热方面，需将发电机层温度控制在 35^qC 以下，主变室温度控制在 40% 以下，某工程的温升模拟显示，温度每超过允许值 5% ，设备寿命缩短 10% ；人员作业区（如中控室）的温度需维持在 24±2^∘C ，湿度控制在 60%±10% ，以保障操作准确性。空气品质控制包括粉尘浓度与有害气体浓度控制，地下厂房的粉尘主要来自施工残留与设备磨损，需将浓度控制在 2mg/m³ 以下；变压器油分解产生的微量可燃气体需通过通风稀释，使其浓度低于爆炸下限的 10% 。此外，系统需具备一定的抗灾能力，如火灾时的烟风控制，某规范要求火灾时排烟量按厂房体积的 12 次 / 小时计算。

二、地下厂房通风系统的设计原理与技术体系

（一）通风系统的核心设计原理

地下厂房通风系统设计基于流体力学与热湿交换理论，通过合理组织气流实现环境控制。气流组织设计遵循 “按需送风、分区控制” 原则，针对发电机层的高热负荷区采用置换通风，送风速度控制在 0.5-1.0m/s ，使新鲜空气沿地面扩散，某工程置换通风较传统顶送风的温度梯度降低 50% ；主变室采用射流通风，通过高速喷口（风速 15-20m/s ）诱导空气流动，消除涡流区【2】。热湿负荷计算需考虑设备散热量、人员散湿量及围护结构传湿量，设备散热量占总热负荷的 80% 以上，是计算的核心参数；地下厂房的湿负荷主要来自渗透水蒸发，某工程的湿负荷计算中，渗水蒸发量占总湿负荷的 60% 。

（二）通风系统的技术架构设计

通风系统采用 “冷源制备 - 空气处理 - 气流分配 - 智能控制” 的技术架构。冷源制备可采用水冷式冷水机组或地源热泵，水冷机组适用于有充足水源的项目，地源热泵在地质条件适宜时能效比更高。空气处理单元包括过滤、冷却、除湿等模块，中效过滤器（过滤效率 F7）可去除 80% 以上的粉尘，转轮除湿机在湿度>70% RH 时除湿效率显著，某地下厂房的除湿系统使室内湿度稳定在 60% RH 以下。气流分配采用变风量（VAV）系统，根据各区域负荷自动调节风量，某工程的 VAV系统较定风量系统节能 25% 。智能控制平台集成温湿度传感器、CO₂ 传感器及风机变频器，实现全系统的联动调节。

三、地下厂房通风系统的优化策略与工程实践

（一）气流组织优化策略

对于长条形厂房，采用 “两端送风、中部排风” 的轴向通风模式，某引水式电站地下厂房采用该模式后，发电机层的温度均匀性提升 40% ；对于多层厂房，按楼层功能分区设计，发电机层采用下送上排，水轮机层采用上送下排，某混合式电站的分层通风使各层温度梯度控制在 3% 以内。局部高热区的强化通风采用工位送风，在主变散热器附近设置定向送风装置，送风温度较环境温度低 5-8% ，某工程的主变室通过定向送风使设备表面温度降低 10^qC 。通风管道的优化布置减少局部阻力，弯头曲率半径不小于管径的 1.5 倍，变径管采用渐扩 / 渐缩形式。

（二）设备选型与节能优化

风机选用高效离心风机或轴流风机，离心风机适用于高风压场景，轴流风机适用于大流量场景，某工程根据系统阻力特性选择离心风机，效率提升 15% ；变频器选用矢量控制型，调速范围 0-100% ，某电站的风机变频改造使能耗降低 30%_∘ 冷源设备的节能选型采用部分负荷性能系数（IPLV）指标，选择 IPLV 高的冷水机组，某项目的 IPLV 为 4.5 的机组较 IPLV 3.8 的机组年节电 12 万度【3】。热回收技术的应用提升能源效率，将排风的热量用于预热新风，某工程的热回收装置回收效率达 60% ，冬季可减少加热能耗 40% 。自然通风的合理利用降低机械通风负荷，在过渡季节利用厂房出入口与通风竖井形成自然通风，某地下厂房的自然通风时段占比达 35% ，相应减少机械通风能耗。

（三）智能控制与系统集成策略

建立多参数耦合的控制模型，将温湿度、设备负荷、室外气象参数等作为输入变量，某电站的控制模型可提前 30 分钟预测负荷变化，实现超前调节；采用模糊PID 控制算法，在大偏差时快速响应，小偏差时精确调节，某工程的温度控制超调量 ⩽1⩽C ，调节时间 ⩽15 分钟。系统集成方面，通风系统与 BMS（建筑管理系统）联动，根据电站运行工况自动切换通风模式，机组满负荷运行时自动提升通风量；与消防系统联动，火灾时自动切换至排烟模式，某规范要求排烟风机的启动响应时间 ⩽10 秒。能耗监测与管理系统实时记录各设备能耗数据，生成能耗报表与优化建议，某工程的能耗管理系统帮助识别出风机低效运行时段，通过调整运行策略年节电 8 万度。定期维护策略的优化保障系统性能，制定风机叶轮清洗周期、过滤器更换周期。

结语

水利水电工程地下厂房通风系统的优化设计是一项融合流体力学、热力学与智能控制的系统工程。本研究提出的气流组织优化、设备节能选型及智能控制策略，为地下厂房通风系统的设计与改造提供了实践路径。未来研究可进一步探索人工智能算法在通风系统预测控制中的应用，开发基于数字孪生的通风系统虚拟调试技术，同时推动新型节能通风技术与可再生能源的融合，为地下厂房的绿色高效运行提供更强的技术支撑。

参考文献

[1] 景亚红. 地下厂房施工通风系统评价与优化策略研究[J]. 东北水利水电,2023,41(04):46-48 ^;+ 72.DOI:10.14124/j.cnki.dbslsd22-1097.2023.04.008.

[2]边之豪.基于 CFD 的水电站地下厂房通风系统多场数值模拟及节能优化研究[D].华中科技大学,2022.DOI:10.27157/d.cnki.ghzku.2022.001074.

[3]吴青.水库水在水电站地下厂房通风空调系统中应用的寿命周期成本评价[D].重庆大学,2021.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2021.000170.