石茸 李運(yùn)江

1 宜昌市建筑節(jié)能辦公室

2 三峽大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)研究所

0 引言

水庫(kù)大壩地下廠房是一種大體積的地下建筑物，內(nèi)設(shè)有發(fā)電機(jī)組、中央控制室等功能廊道空間，同時(shí)地下廠房也有運(yùn)行維護(hù)人員，各種機(jī)電設(shè)備及動(dòng)力電源等電氣設(shè)備。由于受到巖石的包圍，空間封閉，通風(fēng)率較低，容易造成地下空間潮濕、缺氧等問(wèn)題。特別是在夏秋和天氣急劇變化時(shí)，會(huì)造成地下工程嚴(yán)重潮濕，致使金屬銹蝕、電器絕緣降低或喪失、儀器失靈，對(duì)工作人員安全健康和工程的正常使用造成很大的危害，有必要加以研究和解決。

1 江埡電站地下廠房現(xiàn)存問(wèn)題分析

1.1 地下廠房現(xiàn)存問(wèn)題

江埡水利樞紐工程電站裝機(jī)容量 3×100 MW，由碾壓混凝土攔河壩，右岸地下廠房，地面升壓站和左岸升船機(jī)等建筑物組成。江埡大壩建基面高程為114 m，最 大凈壩高 131m，是當(dāng)今世界上已建成的最高的全斷面碾壓混凝土重力壩。主廠房為地下式廠房，整個(gè)地下廠房三維模型參見(jiàn)圖1。

圖1 江埡電站地下廠房三維模型

現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)主要為：主變洞右側(cè)的 2臺(tái)送風(fēng)機(jī)從進(jìn)廠交通洞中抽取 20.7×104m3/h 新風(fēng)，送入主廠房上游側(cè)的夾墻風(fēng)道，再?gòu)纳嫌螇ι显O(shè)置的送風(fēng)口，向發(fā)電機(jī)層送10.5×104m3/h、母線(xiàn)層 8.9×104m3/h、水輪機(jī)層0.5×104m3/h 的新風(fēng)，通過(guò)送風(fēng)管向地下副廠房送0.8×104m3/h的新風(fēng)。吸收余熱余濕后的空氣經(jīng)由發(fā)電機(jī)層和母線(xiàn)層下游側(cè)的3條母線(xiàn)廊道和廊道下游端頂部的排風(fēng)豎井，被布置在主變洞拱頂?shù)呐棚L(fēng)機(jī)吸入并排至拱頂，再由主變洞左側(cè)的3臺(tái)總排風(fēng)機(jī)排出廠外。發(fā)電機(jī)層另有一部分空氣（4.3×104m3/h）由主廠房拱頂排風(fēng)機(jī)排出廠外，該排風(fēng)機(jī)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)兼做主廠房排煙用。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探勘以及和運(yùn)行人員溝通，將現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題歸納如下：

1）主廠房、水輪機(jī)層、母線(xiàn)層等部位濕度偏高，結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）主廠房及部分洞室氣流組織不合理，有氣流短路和滯留現(xiàn)象。

3）中控室、計(jì)算機(jī)房和部分廊道空氣流通不暢，有缺氧現(xiàn)象。

4）高壓電纜豎井與主變洞的交通連廊、底層電梯前室結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重。

另外，據(jù)現(xiàn)工作人員反映，在夏季整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)地下廠房?jī)?nèi)水霧彌漫，潮濕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。將通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉后，潮濕現(xiàn)象反而有所改善。由于送風(fēng)系統(tǒng)的停運(yùn)，因此加重了地下廠房?jī)?nèi)的氣悶、缺氧情況。

1.2 現(xiàn)存問(wèn)題分析

地下工程潮濕的原因主要有工程滲漏散濕，人員散濕，自由水面，結(jié)露及外界濕熱空氣進(jìn)入等，這些構(gòu)成了地下工程除濕設(shè)備的濕負(fù)荷[1]。通過(guò)對(duì)江埡電站地下廠房現(xiàn)存問(wèn)題的分析，認(rèn)為洞室空氣結(jié)露是潮濕的主要成因，即外界濕熱空氣進(jìn)入洞室后，與低溫的地下廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面接觸產(chǎn)生溫降，當(dāng)溫度降至露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣無(wú)法容納原有的水蒸氣，其中一部分便凝結(jié)成水珠（露水）從空氣中析出，亦即冷凝受潮。此外，由于隔斷不完全和通風(fēng)系統(tǒng)缺陷，造成尾水調(diào)壓室高濕空氣進(jìn)入其它洞室，也是造成地下廠房潮濕原因之一。

2 改造方案

為達(dá)到減小投資、縮短工期的目的。確定了對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)和洞室設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，不做重大變動(dòng)的改造原則。本次改造范圍包括：地下廠房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，尾水調(diào)壓室通風(fēng)系統(tǒng)，電梯及疏散樓梯間除濕，地 下廠房管道保溫以及增設(shè)密封門(mén)。

2.1 地下廠房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)改造

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，6～9 月份技術(shù)供水水溫在18～19.5 ℃之間（參見(jiàn)表1），與風(fēng)機(jī)房入口處新風(fēng)溫差不大，若直接利用技術(shù)供水對(duì)新風(fēng)降溫除濕效果不明顯，故需增設(shè)制冷機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，選擇水源熱泵機(jī)組，施工簡(jiǎn)便，而且造價(jià)合理。

表1 江埡電站夏季水溫統(tǒng)計(jì)

改造還涵蓋以下內(nèi)容：

1）將原風(fēng)機(jī)房?jī)膳_(tái) 1×104m3/h風(fēng)機(jī)僅保留一臺(tái)，并進(jìn)行變頻改造，使其變頻降低風(fēng)速運(yùn)行，春夏季低速運(yùn)行，運(yùn)行風(fēng)量 5×104m3/h。秋冬季根據(jù)廠內(nèi)需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)低速或高速運(yùn)行。

2）將原總排風(fēng)機(jī)三臺(tái) 9.5×104m3/h 風(fēng)機(jī)其中一臺(tái)進(jìn)行變頻改造，運(yùn)行風(fēng)量降為6.5×104m3/h，其余兩臺(tái)維持不變。

3）從風(fēng)機(jī)房至主廠房送風(fēng)口之間設(shè)置通風(fēng)管道，由靜壓箱通過(guò)風(fēng)管分別送至主廠房安裝場(chǎng)、中 控室、母線(xiàn)層和水輪機(jī)層避免通風(fēng)廊道內(nèi)濕氣進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)。為保持送排風(fēng)風(fēng)量平衡。

2.2 尾水調(diào)壓室通風(fēng)系統(tǒng)改造

尾水調(diào)壓室目前存在的問(wèn)題是尾水洞高濕空氣通過(guò)主變洞下游側(cè)夾墻經(jīng)拱頂排至主排風(fēng)道，造成主變洞下游側(cè)墻溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，墻面結(jié)露嚴(yán)重。另外，由于發(fā)電時(shí)水位最大落差為3m，變化劇烈，造成調(diào)壓室隔斷門(mén)經(jīng)常被氣流損壞。為獲得抗風(fēng)壓門(mén)參數(shù)，先確定氣壓變化值。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可計(jì)算封閉狀態(tài)下尾水洞水位上升后室內(nèi)大氣壓強(qiáng)變化，其壓強(qiáng)為[2]：

式中：p為絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa；v為比體積，m3/kg；n是非負(fù)數(shù)值，取 決于氣體變化狀態(tài)（氣體作等溫變化時(shí)n=1，氣體做等熵變化時(shí)n=1.4，在本算例中取n=1.4）。

本次模擬邊界條件：考慮重力，假設(shè)尾水洞內(nèi)墻壁為固體無(wú)滑移壁面，其壁面參數(shù)設(shè)置為絕熱狀態(tài)。流場(chǎng)模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)榻ㄖ锸覂?nèi)空間尺寸，在笛卡爾坐標(biāo)系下，計(jì)算網(wǎng)格劃分采用1 m均勻網(wǎng)格。假設(shè)尾水洞內(nèi)進(jìn)水流量為140 m3/s，即尾水洞內(nèi)水面每秒上升0.5 m。

江埡水電站尾水調(diào)壓室風(fēng)壓及風(fēng)速模擬結(jié)果如圖2至圖3所示?？梢钥闯觯谖菜催M(jìn)行調(diào)壓工作時(shí)，尾 水洞內(nèi)氣壓上升（下降）1 9.73 Pa，風(fēng) 速在1.6 m/s到2.4 m/s之間。由此可以進(jìn)行密閉門(mén)、通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型。

圖2 尾水洞3#交通洞開(kāi)口大氣壓變化

圖3 尾水洞3#交通洞開(kāi)口風(fēng)速分布

在尾水調(diào)壓室與電梯井、主變洞設(shè)置封閉門(mén)；在尾水調(diào)壓室至主變洞拱頂排風(fēng)管之間增加風(fēng)管，尾水調(diào)壓室高濕空氣由尾水調(diào)壓室與主變洞之間軸流風(fēng)機(jī)抽至5#排風(fēng)洞，再由主排風(fēng)洞排至室外。位于5#排風(fēng)支洞的三臺(tái)軸流總排風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)須加裝止回閥，以避免由于尾水洞水位下降產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，導(dǎo)致5#排風(fēng)洞的濕空氣倒流回地下廠房。3#交通洞與尾水調(diào)壓室不設(shè)置封閉門(mén)，整個(gè)尾水室由于水位波動(dòng)引起的氣壓變化由3#交通洞承擔(dān)。

2.3 電梯及疏散樓梯間除濕改造

高壓電纜豎井與主變洞的交通連廊、底 層電梯前室潮濕問(wèn)題主要成因是由于夏季濕熱空氣由于疏散樓梯間熱壓和電梯轎廂風(fēng)壓引入地下廠房而產(chǎn)生結(jié)露。這是該部位潮濕的主要成因。熱濕空氣進(jìn)入地下廠房的主要?jiǎng)恿σ蛩厥菬釅鹤饔煤惋L(fēng)壓作用。

1）電梯井疏散樓梯間熱壓通風(fēng)及解決方案

電梯井疏散樓梯間熱濕空氣的進(jìn)入主要是熱壓作用而形成的。在夏季，由于濕熱空氣從副廠房樓梯入口處經(jīng)冷卻進(jìn)入疏散樓梯間，冷卻后壓入廠房形成熱壓自然通風(fēng)。其熱壓大小為[2]：

式中：ρe，ρi為室內(nèi)外空氣密度，kg/m3；h為進(jìn)出風(fēng)口中心線(xiàn)的高差，m；pt為熱壓，Pa。

圖4 樓梯間風(fēng)壓分布圖

圖5 樓梯間風(fēng)速分布圖

采用 Phoenics 對(duì)電梯井疏散樓梯間風(fēng)壓和風(fēng)速進(jìn)行模擬分析，電 站電梯疏散樓梯間風(fēng)壓自然通風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)速模擬結(jié)果模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。從結(jié)果可以看出，熱 壓通風(fēng)最高壓強(qiáng)為12.5 Pa，樓 梯間進(jìn)出口平均風(fēng)速為1.2 m/s。據(jù)此可以對(duì)疏散樓梯間防火門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2）電梯轎廂風(fēng)壓通風(fēng)解決方案

電梯轎廂熱壓通風(fēng)貢獻(xiàn)不大，副廠房室外濕熱空氣主要是由于電梯運(yùn)行形成的風(fēng)壓通風(fēng)而帶入地下廠房的。其風(fēng)壓大小由風(fēng)速以及空氣動(dòng)力系數(shù)而定，其計(jì)算公式為[2]：

式中：ρw為風(fēng)壓，Pa；υ為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；K為空氣動(dòng)力系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算，電梯前室的空氣流動(dòng)風(fēng)速為1.2 m/s左右。為避免將副廠房濕熱空氣帶入地下廠房，建議在電梯機(jī)房及電梯轎廂裝設(shè)了壁掛式空調(diào)各一臺(tái)，將副廠房進(jìn)入電梯轎廂的空氣做冷卻除濕處理。

3 結(jié)語(yǔ)

地下工程潮濕是一個(gè)普遍存在問(wèn)題，而電站技術(shù)人員又大都來(lái)自于水工、電氣等專(zhuān)業(yè)，少有暖通和建筑物理專(zhuān)業(yè)人員介入。本文應(yīng)用建筑技術(shù)諸多手段，通過(guò)對(duì)造成洞室潮濕的諸多因素進(jìn)行分析，找出了主要成因，對(duì)江埡電站地下廠房的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)施進(jìn)行了改造，為其它類(lèi)似地下工程潮濕問(wèn)題提供一個(gè)參考。