青岛胶州湾隧道变电所利用渗漏水降温研究

盛章涵 田峰 王海桥

1湖南科技大学土木工程学院

2中铁隧道勘测设计院有限公司

3湖南科技大学资源环境与安全工程学院

0 引言

变电所中的设备发热量大， 散湿量极少， 故湿负荷可忽略不计。从节能角度出发， 变电所设计温度一般设定在 36～40 ℃之间能够满足电器设备正常工作即可 [1] 。青岛胶州湾隧道变电所， 其热负荷主要通过常规空调系统消除。而常规空调系统是热湿联合处理，对于该变电所除湿过程完全是没必要的， 这既消耗了更多的冷量， 也造成了能量利用品位上的浪费。

据统计， 青岛胶州湾隧道内每天正常的渗水量达4000多m3， 且其温度在20～25 ℃范围内。 该渗漏水温度与变电所空气温度有十几度温差， 因此以隧道渗漏水作为天然冷源给变电所降温具有巨大潜力。本文以青岛胶州隧道工程为实例， 对利用隧道渗漏水给变电所降温方案进行研究， 并通过对比分析计算考察其可行性及节能潜力。

1 利用隧道渗漏水降温原理

利用隧道渗漏水给变电所降温系统主要由水泵，风机和表冷器组成， 其工作原理是： 利用水泵将净化后的隧道渗漏水送入表冷器， 使表冷器具有较低的表面温度， 再利用风机循环室内空气， 使室内空气连续冲刷表冷器表面， 使室内的热空气与渗漏水进行对流换热，吸收了热量的渗漏水随排水系统排入大海， 从而实现对变电所的降温。其工作示意图如图 1所示。

图1 隧道渗漏水降温示意图

2 青岛胶州湾隧道变电所通风降温设计

以青岛胶州湾隧道的台西三站变电所为例。台西三路变电所面积 120m2， 体积656m3， 设有送、 排风机各一台， 2台1600 kVA变压器。当地室外气象参数和室内设计参数如下：

1）室外空气计算参数： 夏季室外大气压力100.04 kPa。夏季通风室外计算干球温度为27.3 ℃， 夏季空气调节室外计算干球球温度为29.4 ℃。

2） 室内设计参数： 变电所夏季室内设计温度为36 ℃。设计新风量为3836m3/h。

根据文献[2]可得， 该变电所中变压器的散热量Q1则为：

式中：S为变压器的容量，k VA。

经计算得Q1=0.0152×1600×2=48.64 kW。

变电所中其他设备的发热量没有较为准确的计算式可以直接计算，通常是以变压器发热量总和的30%来计算[3]， 故 整个变电所的发热量Q2= (1+0.3)Q1= 1.3×48.64=63.23kW。

设计的新风可带走的热量Q3为[4]：

式中：c为空气比热容，取 1.01 kJ/(kg℃)；ρav为进排风平均密度，k g/m3； Δt为进排风温差，℃ ；L为新风量，m3/ h。

经计算得Q3= 0.28×3836×1.01×1.2×8.7=11.33 kW。

其余的热量由空调系统承担，则 空调系统承担的热负荷Q为51.9 kW。

2.1 利用常规空调设备降温方案

利用常规空调系统给青岛胶州湾隧道变电所降温，同其他建筑空调系统设计类似。选用多联式空调机组给变电所降温， 根据该变电所的热负荷， 选用空调机组 GMV-Pd600 型室外机 1 台， GMV(R)-R125T/Na(S)型室内机 4 台和 GMV(R)-R100T/Na(S)型室内机 1台。室外机和室内机参数见表1。

表1 室内机和室外机参数表

2.2 利用隧道渗漏水给变电所降温方案

据统计，隧道渗漏水温度常年保持在20～25 ℃，故取隧道渗漏水温度为23 ℃。 假设进出表冷器的隧道渗漏水温差为5 ℃， 送回风温差为6 ℃， 则所需循环风量为：

所需的水流量为：

利用隧道渗漏水降温系统中表冷器不同于常规空调系统， 该降温系统的表冷器是一种高温干式表冷器。参考文献[6]规定： 表冷器空气迎面风速一般取2～3m/s， 管内水流速度w一般取 0.6～1.2m/s。故取该表冷器的迎面风速Vy为2.5m/s， 表冷器内水流速度w为1m/s。该表冷器的总传热系数K依据文献[5]中干工况下表冷器总传热系数的一种新经验公式：

则所需表冷器的换热面积F为：

式中： Δtm为对数平均温差， Δtm=(Δtmax -Δtmin )/ln(Δtmax /Δtmin )， ℃。

表冷器总通水断面积A为：

根据表冷器总传热系数， 总换热面积和总通水断面等参数， 可设计出满足利用隧道渗漏水给变电所降温的高温干式表冷器。

其空气阻力按现有标准表冷器空气阻力最大值计算为[6]：

水阻力按现有标准表冷器水阻力最大值计算为：

考虑出口静压， 选取压力为 200 Pa， 风量为26000m3/h的风机。考虑水管道中的沿程损失和局部损失， 且其集水池紧邻该变电所， 故选取扬程为 10m水柱， 流量为 9m3/h 的水泵。通过相应的管径将水泵一端接入集水池， 另一端连接表冷器， 表冷器的另一端接入排水系统。再将风机安装于表冷器的一端， 就构成了利用隧道渗漏水给变电所降温的系统。

3 节能及经济效益分析

青岛胶州湾隧道台西三站变电所采用常规空调系统控制室内的温度时，该空调系统每小时将消耗19.36kW · h左右的电能。 利用隧道渗漏水降温时， 其中水泵的耗电功率为：

风机耗电功率为：

式中：G为水泵流量，m3/ h；H为水泵扬程，m 水柱；η为水泵效率；P为风压，Pa；Q为风量，m3/ h；η1为风机效率，取 0.75；η2为机械传动效率，取 0.95。

故台西三站变电所利用隧道渗漏水降温每小时将消耗3.0 kW· h 左右的电能。

表2 利用隧道渗漏水降温系统和常规空调系统经济比较

因此利用隧道渗漏水降温系统比多联式空调机组给变电所降温系统每小时耗电量减少了 16.36 kW ·h。青岛市的平均电价按0.8元/kW · h计算， 则该变电所在整个夏季 （90 天） 利用隧道渗漏水降温将节约电费28270元左右。青岛胶州湾隧道有8个类似的变电所， 若全部利用隧道渗漏水给其变电所降温则整个夏季将节约电费22.6万元左右。台西三站变电所用两种空调系统经济性比较见表2。

4 结论

1） 针对变电所温湿负荷特点及青岛胶州隧道的特点， 可利用隧道渗漏水给变电所降温， 且具有十分明显的节能效果。

2） 利用隧道渗漏水为变电所降温系统的初投资仅为分体式空调系统的38.5%， 运行费用减少了81.7%。

3）利用隧道渗漏水给变电所降温的系统结构简单， 对水质没有改变， 具有节约能源、 无污染、 低运行成本的特点。

4）对于有适量渗漏水的地下隧道和海底隧道， 利用隧道渗漏水给其附属降温有较大的节能潜力和应用前景。

参考文献

[1] 黄季宜,孙敏生.变配电机房通风空调节能方案选择和控制策略[J].暖通空调,2008,38(9):35-39.

[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司.全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调·动力[M].北京: 中国计划出版社,2003.

[3] 武洋,王鑫. 浅谈配电机房的空调设计[J].中国外资月刊,2012,(14):269-269.

[4] 曲友立.变电所通风设计浅析[J].暖通空调,2005,35(8):83-85.

[5] 王晋生,闫斌,缪小平,等.干工况下表冷器总传热系数的一个新实验公式[C]//江苏省制冷学会年会.2000.

[6] 连之伟. 热质交换原理与设备(第3版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7] 程达仁,李振海. 市区高压变电站房封闭式降温系统理论探讨[J].建筑节能,2016,(1):22-25.

[8] 姚富宏,姚景生,巩云. 地铁变电所通风空调设计方案探讨[J].暖通空调,2009,39(1):109-110.