1 天然冷源的利用
水电暖通空调专业在广泛利用水库深层低温库水、地下洞群降温除湿效应、无压尾水隧洞和坝体廊道降温等方面进行了积极的探索,取得了显著的成效,获得了良好的经济和社会效益。水电工程本身的特点是具有较多形式的天然冷源,地下厂房具有庞大的地下洞群,各种大坝一般具有坝基渗透排水廊道和灌浆廊道,水库深层水温都较低等特点。20世纪50年代,华东勘测设计研究院和中南勘测设计研究院对地下厂房进厂交通洞降温效应进行了测定和分析、研究,其成果至今仍被工程设计人员参考和借鉴。同时,华东勘测设计研究院对新安江水库深层水温分布进行研究,取得了良好效果,后续进行多个水库水温的测定,绘制水温分布图,又经过长江水利规划委员会勘测设计研究院的研究、统计、推导,提出了水库水温计算公式,并绘制水温计算诺谟图,为全面推广和运用水库深层库水作为空调冷源创造了理论基础和运用条件。70年代,华东勘测设计研究院通过对古田溪四级电站坝体廊道降温除湿效应进行测定,在夏季室外温度36℃时,可以利用廊道获得23℃的冷风,它为中小型坝后式厂房通风提供了一种经济、方便、有效的设计途径;通过对多个电站多年连续的测定和推导,提出了坝体廊道降温除湿效应的计算方法,为推广这一新颖的设计提供坚实的理论依据和方便的计算手段。
2 气流组织
水电站主厂房因为工艺特点,都具有高大的空间,主厂房高度一般可达20多m,宽度介于20~30m,大型电站的长度达数百m,如此高大空间内的气流组织,一直是水电暖通专业人员重点研究的课题,在这一领域的实践和成果也是比较突出的。从70年代初期,长江水利规划委员会勘测设计研究院在葛洲坝水电站一期采用侧向射流的分层空调方式,有效挡住主厂房上部热辐射向工作区的转移,取得良好的节能效果;西北勘测设计研究院在龙羊峡水电站采用纵向端部射流,布置简便易行;华东勘测设计研究院在安砂水电站采用纵向高速射流和分层串联的全厂综合气流,在池潭水电站采用顶部倾斜横向射流,解决了厂房相对湿度偏高的问题;成都勘测设计研究院在映秀湾水电站采用顶部送风,在二滩水电站采用顶拱多孔射流方式;中南勘测设计研究院在东风电站采用顶部两端高速射流方式,这些多样性的气流组织各有特色,都取得了较好的工程实践经验,为满足不同地区、不同厂房布置提供了多样的思路,为21世纪初大型水电工程的建设奠定了坚实的理论基础,积累了丰富的工程经验。这些成果在长江三峡电站,红水河龙滩电站,金沙江流域的白鹤滩、溪洛渡、向家坝和乌东德梯级电站,雅砻江流域的锦屏一级、锦屏二级和官地电站,沿海东部地区的天荒坪、泰安、宜兴、广州、惠州等大型抽水蓄能电站中得到了广泛运用,在这些工程的国际咨询中得到国际水电专家的认可和赞誉,这也同时说明我国水电暖通专业的水平处于世界先进水平。
3 模型模拟试验
为慎重和更加贴合工程实际,在工程设计的前期,通过模型试验,验证设计思想,发现设计中的缺陷和不足,并进行调整、改进和完善,成为水电暖通设计的一种手段和工具。1968年,北京勘测设计研究院首次进行了渔子溪电站横向均匀送风模型试验;1973年,华东勘测设计研究院运用模拟相似准则和模化试验理论进行了安砂电站厂房气流模型试验;后来,长江水利规划委员会勘测设计研究院对葛洲坝大江、二江电站厂房,东北勘测设计研究院对白山电站厂房,西北勘测设计研究院对龙羊峡电站厂房,中南勘测设计研究院对东风电站、龙滩电站厂房,昆明勘测设计研究院对小湾电站厂房等不同的气流组织进行了模拟试验。通过后期比对,证明模型试验能科学地反映实体的气流流态和速度场,对大型电站前期确定通风空调气流组织方案起着重要的作用。到了21世纪,随着科学技术和计算机技术的普及和发展,模型试验进入一个新的飞跃发展阶段,北京勘测设计研究院和西安建筑科技大学进行的呼和浩特抽水蓄能电站地下厂房通风模型2DPIV试验,将粒子激光成像技术运用于模型试验,更加直观地显现气流组织,也为试验数据的计算机处理提供了方便。2010年,华东勘测设计研究院与西安建筑科技大学共同开发的抽水蓄能电站地下厂房空气调节动态模拟软件,运用CFD数值模拟技术将计算机技术引进模拟计算中,使得今后的模型模拟试验、计算,变得更加快捷、简便,大大提高工作效率,缩短设计周期,减小工作强度。
4 建筑空间利用
利用建筑物的空间作为水电站通风空调系统的风道,早在20世纪50年代就开始摸索和研究。在上犹江电站、流溪河电站和古田一级电站就开始利用楼梯、走廊和电缆出线道作为风道。新安江电站大范围利用走廊上部和混凝土墙体内风道,都为后来水电暖通专业大胆利用建筑物空间作为通风风道打下了基础。经过几十年的探索和实践、试验和总结,肯定了水电暖通专业利用建筑物空间作为风道的做法是成功的,合理利用土建风道,有效利用建筑空间,具有较高的经济性和实用性,节省风管管材,使用寿命长,不需要维护,美观、隐蔽、隔声,防火性能优越等特点。华东勘测设计研究院对混凝土风道的布置和使用效果及风道阻力、风量分配、风压测定、平衡调节等特性进行一系列长期的跟踪和研究,在80年代,提出了“任意形状断面风道阻力计算法”,解决土建风道,特别是不规则断面风道的阻力计算难题,亦填补了暖通行业任意断面风道计算上的空白。随着大型地下工程的增多,结合地下厂房利用交通运输洞和施工通道作为进、排风通道,在90年代,重庆大学结合工程实际,运用数论理论和网络理论,提出了地下洞室群的网络通风计算方法,解决了大型水电站地下洞室群的通风计算和通风平衡的难题。三峡电站利用副厂房、廊道、竖井等土建空间做成空调送、回风道,并对土建风道进行保温、孔洞间隙进行严密封堵,有效地防止了风道壁面对冷量的吸收及漏风损失。
5 水电站除湿设计
水电站的潮湿是一个普遍现象,这与水电站的工艺特点有关。水电站多选址在依山傍水、雨水丰沛的山区。由于水库的存在以及气候、大坝泄洪、尾水排放等综合因素的作用,在水电站周围形成了一个潮湿的环境。当这种潮湿空气被通风系统抽吸送入到厂房内时,极易在地下厂房、地面式厂房的水下部位的设备、管道以及墙壁的冷表面上产生凝水。这种潮湿现象对机电设备的正常运行以及运行人员的身心健康极为不利。针对上述现象,水电暖通专业的设计人员结合工程实际,在水电站的除湿设计中进行了很多有益的尝试,取得了很好的效果。
三板溪水电站,采用冷却除湿和转轮除湿综合运用的除湿方案,有效解决了厂房内潮湿问题。东江水电站,采用空气处理机组+转轮除湿处理厂房内空气,取得了较好的除湿效果。龙滩电站、岩滩二期扩机电站,设计人员尝试改变送风的机器露点,使送入厂房内的空气露点温度低于厂房内冷表面的露点温度,避免产生结露现象。设计人员还总结出这样一条经验:在南方高温高湿地区,潮湿季节控制进入厂房内的新风量往往成了降低厂房内湿度的关键。
泰安抽水蓄能电站,通过全面测试和分析地下厂房的温湿度环境、水库水温及通风空调系统的运行工况,揭示了水管结露与环境、通风空调系统运行工况的内在关系,针对不同季节、不同环境、不同库水温度,采用相适应的运行工况,取得了良好的效果。
6 供暖系统
水电站供暖系统最方便的能源理应是电力,由于主厂房空间巨大,国内缺少高效、大容量的电供暖设备,同时为节约能源,充分利用各种有效资源,水电系统暖通设计人员尝试、研究和完善利用水轮发电机的余热供暖,通过几十年的努力,目前,凡是冬季期间能不间断、稳定运行的水电站主厂房供暖完全可以采用水轮发电机余热来满足,而且部分水电站将余热热风引至副厂房,解决了副厂房的供暖问题。为进一步解决高大厂房的供暖问题,充分利用能源,西北勘测设计研究院和东北勘测设计研究院从70年代开始研究电辐射供暖设备,并应用到工程实践中,取得了良好的效果。2012年,又完成了数个电站冬季发电机产热风的现场测定工作,归纳总结准确计算发电机实际余热的方法,促进这项特殊的供暖方式的应用。
水电暖通空调专业在广泛利用水库深层低温库水、地下洞群降温除湿效应、无压尾水隧洞和坝体廊道降温等方面进行了积极的探索,取得了显著的成效,获得了良好的经济和社会效益。水电工程本身的特点是具有较多形式的天然冷源,地下厂房具有庞大的地下洞群,各种大坝一般具有坝基渗透排水廊道和灌浆廊道,水库深层水温都较低等特点。20世纪50年代,华东勘测设计研究院和中南勘测设计研究院对地下厂房进厂交通洞降温效应进行了测定和分析、研究,其成果至今仍被工程设计人员参考和借鉴。同时,华东勘测设计研究院对新安江水库深层水温分布进行研究,取得了良好效果,后续进行多个水库水温的测定,绘制水温分布图,又经过长江水利规划委员会勘测设计研究院的研究、统计、推导,提出了水库水温计算公式,并绘制水温计算诺谟图,为全面推广和运用水库深层库水作为空调冷源创造了理论基础和运用条件。70年代,华东勘测设计研究院通过对古田溪四级电站坝体廊道降温除湿效应进行测定,在夏季室外温度36℃时,可以利用廊道获得23℃的冷风,它为中小型坝后式厂房通风提供了一种经济、方便、有效的设计途径;通过对多个电站多年连续的测定和推导,提出了坝体廊道降温除湿效应的计算方法,为推广这一新颖的设计提供坚实的理论依据和方便的计算手段。
2 气流组织
水电站主厂房因为工艺特点,都具有高大的空间,主厂房高度一般可达20多m,宽度介于20~30m,大型电站的长度达数百m,如此高大空间内的气流组织,一直是水电暖通专业人员重点研究的课题,在这一领域的实践和成果也是比较突出的。从70年代初期,长江水利规划委员会勘测设计研究院在葛洲坝水电站一期采用侧向射流的分层空调方式,有效挡住主厂房上部热辐射向工作区的转移,取得良好的节能效果;西北勘测设计研究院在龙羊峡水电站采用纵向端部射流,布置简便易行;华东勘测设计研究院在安砂水电站采用纵向高速射流和分层串联的全厂综合气流,在池潭水电站采用顶部倾斜横向射流,解决了厂房相对湿度偏高的问题;成都勘测设计研究院在映秀湾水电站采用顶部送风,在二滩水电站采用顶拱多孔射流方式;中南勘测设计研究院在东风电站采用顶部两端高速射流方式,这些多样性的气流组织各有特色,都取得了较好的工程实践经验,为满足不同地区、不同厂房布置提供了多样的思路,为21世纪初大型水电工程的建设奠定了坚实的理论基础,积累了丰富的工程经验。这些成果在长江三峡电站,红水河龙滩电站,金沙江流域的白鹤滩、溪洛渡、向家坝和乌东德梯级电站,雅砻江流域的锦屏一级、锦屏二级和官地电站,沿海东部地区的天荒坪、泰安、宜兴、广州、惠州等大型抽水蓄能电站中得到了广泛运用,在这些工程的国际咨询中得到国际水电专家的认可和赞誉,这也同时说明我国水电暖通专业的水平处于世界先进水平。
3 模型模拟试验
为慎重和更加贴合工程实际,在工程设计的前期,通过模型试验,验证设计思想,发现设计中的缺陷和不足,并进行调整、改进和完善,成为水电暖通设计的一种手段和工具。1968年,北京勘测设计研究院首次进行了渔子溪电站横向均匀送风模型试验;1973年,华东勘测设计研究院运用模拟相似准则和模化试验理论进行了安砂电站厂房气流模型试验;后来,长江水利规划委员会勘测设计研究院对葛洲坝大江、二江电站厂房,东北勘测设计研究院对白山电站厂房,西北勘测设计研究院对龙羊峡电站厂房,中南勘测设计研究院对东风电站、龙滩电站厂房,昆明勘测设计研究院对小湾电站厂房等不同的气流组织进行了模拟试验。通过后期比对,证明模型试验能科学地反映实体的气流流态和速度场,对大型电站前期确定通风空调气流组织方案起着重要的作用。到了21世纪,随着科学技术和计算机技术的普及和发展,模型试验进入一个新的飞跃发展阶段,北京勘测设计研究院和西安建筑科技大学进行的呼和浩特抽水蓄能电站地下厂房通风模型2DPIV试验,将粒子激光成像技术运用于模型试验,更加直观地显现气流组织,也为试验数据的计算机处理提供了方便。2010年,华东勘测设计研究院与西安建筑科技大学共同开发的抽水蓄能电站地下厂房空气调节动态模拟软件,运用CFD数值模拟技术将计算机技术引进模拟计算中,使得今后的模型模拟试验、计算,变得更加快捷、简便,大大提高工作效率,缩短设计周期,减小工作强度。
4 建筑空间利用
利用建筑物的空间作为水电站通风空调系统的风道,早在20世纪50年代就开始摸索和研究。在上犹江电站、流溪河电站和古田一级电站就开始利用楼梯、走廊和电缆出线道作为风道。新安江电站大范围利用走廊上部和混凝土墙体内风道,都为后来水电暖通专业大胆利用建筑物空间作为通风风道打下了基础。经过几十年的探索和实践、试验和总结,肯定了水电暖通专业利用建筑物空间作为风道的做法是成功的,合理利用土建风道,有效利用建筑空间,具有较高的经济性和实用性,节省风管管材,使用寿命长,不需要维护,美观、隐蔽、隔声,防火性能优越等特点。华东勘测设计研究院对混凝土风道的布置和使用效果及风道阻力、风量分配、风压测定、平衡调节等特性进行一系列长期的跟踪和研究,在80年代,提出了“任意形状断面风道阻力计算法”,解决土建风道,特别是不规则断面风道的阻力计算难题,亦填补了暖通行业任意断面风道计算上的空白。随着大型地下工程的增多,结合地下厂房利用交通运输洞和施工通道作为进、排风通道,在90年代,重庆大学结合工程实际,运用数论理论和网络理论,提出了地下洞室群的网络通风计算方法,解决了大型水电站地下洞室群的通风计算和通风平衡的难题。三峡电站利用副厂房、廊道、竖井等土建空间做成空调送、回风道,并对土建风道进行保温、孔洞间隙进行严密封堵,有效地防止了风道壁面对冷量的吸收及漏风损失。
5 水电站除湿设计
水电站的潮湿是一个普遍现象,这与水电站的工艺特点有关。水电站多选址在依山傍水、雨水丰沛的山区。由于水库的存在以及气候、大坝泄洪、尾水排放等综合因素的作用,在水电站周围形成了一个潮湿的环境。当这种潮湿空气被通风系统抽吸送入到厂房内时,极易在地下厂房、地面式厂房的水下部位的设备、管道以及墙壁的冷表面上产生凝水。这种潮湿现象对机电设备的正常运行以及运行人员的身心健康极为不利。针对上述现象,水电暖通专业的设计人员结合工程实际,在水电站的除湿设计中进行了很多有益的尝试,取得了很好的效果。
三板溪水电站,采用冷却除湿和转轮除湿综合运用的除湿方案,有效解决了厂房内潮湿问题。东江水电站,采用空气处理机组+转轮除湿处理厂房内空气,取得了较好的除湿效果。龙滩电站、岩滩二期扩机电站,设计人员尝试改变送风的机器露点,使送入厂房内的空气露点温度低于厂房内冷表面的露点温度,避免产生结露现象。设计人员还总结出这样一条经验:在南方高温高湿地区,潮湿季节控制进入厂房内的新风量往往成了降低厂房内湿度的关键。
泰安抽水蓄能电站,通过全面测试和分析地下厂房的温湿度环境、水库水温及通风空调系统的运行工况,揭示了水管结露与环境、通风空调系统运行工况的内在关系,针对不同季节、不同环境、不同库水温度,采用相适应的运行工况,取得了良好的效果。
6 供暖系统
水电站供暖系统最方便的能源理应是电力,由于主厂房空间巨大,国内缺少高效、大容量的电供暖设备,同时为节约能源,充分利用各种有效资源,水电系统暖通设计人员尝试、研究和完善利用水轮发电机的余热供暖,通过几十年的努力,目前,凡是冬季期间能不间断、稳定运行的水电站主厂房供暖完全可以采用水轮发电机余热来满足,而且部分水电站将余热热风引至副厂房,解决了副厂房的供暖问题。为进一步解决高大厂房的供暖问题,充分利用能源,西北勘测设计研究院和东北勘测设计研究院从70年代开始研究电辐射供暖设备,并应用到工程实践中,取得了良好的效果。2012年,又完成了数个电站冬季发电机产热风的现场测定工作,归纳总结准确计算发电机实际余热的方法,促进这项特殊的供暖方式的应用。