蓄电池室通风系统设计差异分析与优化研究

赵维刚 陈庆伟 胥金坤 张浩

国网山东省电力公司经济技术研究院

电力是经济社会发展的基础命脉，数据中心则是近年来炙手可热的新基建，电力行业和数据中心蓄电池室作为应急保障电源，其安全运行的重要性不言而喻。蓄电池在严重过充时，会将水电解成氢、氧气体，并释放至室内。在 1个大气压，15～20 ℃的空气环境中，氢气的爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度）。如果氢气在空气中的体积浓度在 4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于 4.0%或大于 75.6%时，即使遇到火源，也不会爆炸。做好蓄电池室的通风系统设计，对于安全生产至关重要。

1 相关设计规范的规定差异

不同行业设计规范对蓄电池室通风系统设计规定有差异，即使同为电力行业，发电厂和变电站的设计规范对蓄电池室的通风设计要求也不相同。

现行《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》DL5035-2016（以下简称《电暖规》）对蓄电池室的通风设计作出了具体规定。《电暖规》6 .2.2对阀控密封式蓄电池室通风设计相关规定条文[1]引述如下：

当室内未设置氢气浓度检测仪时，通风系统应符合下列规定：

1）平时通风系统排风量应按换气次数不少于每小时3次计算。事故排风系统排风量应按换气次数不少于每小时6次计算。平时通风用排风机的风量宜按2×100%配置，事故排风机可由两台平时通风用排风机共同保证。

2）当室内需要采取降温措施时，应采用直流式降温通风系统。

当室内设置氢气浓度检测仪时，通风系统应符合下列规定：

1）事故排风系统排风量应按换气次数不少于每小时6次计算。

2）事故排风机应与氢气浓度检测仪联锁，当空气中氢气体积浓度比达到1%时，事故通风机应能自动投入运行。

3）当室内需要采取降温措施时，降温设备可采用防爆型空气调节装置，并应与氢气浓度检测仪联锁。

现行《220kV-750kV 变电站设计技术规程》DL5218-2012（以下简称《变电规》）对蓄电池室的通风设计作出了具体规定。《变电规》8 .2.5 相关条文[2]引述具体如下：

1）防酸隔爆蓄电池室的通风应采用机械通风，通风量按空气中最大含氢量（按体积计）不超过 0.7%计算，换气次数不应少于每小时6次……

2）免维护蓄电池的通风设计，按换气次数每小时不少于3次的事故排风装置，事故排风装置可兼做通风用。

《35kV-110kV变电站设计规范》GB50059-2011中4.5.4对蓄电池室的通风设计的规定[3]与《220kV-750kV变电站设计技术规程》DL 5218-2012 中 8.2.5 规定[2]是一致的。

现行《数据中心设计规范》GB50174-2017 中并没有蓄电池室的通风系统设计相关具体规定[4]，仅在《数据中心制冷与空调设计标准》T/CECS487-2017 第9.0.10 规定[5]：设有空调系统的电池间，应设置排风装置，换气次数不宜小于0.5次/h。

个人认为同为蓄电池室的通风系统设计，各规范规定的内容不应有较大差异，应综合各规范相关规定，通过分析研究对蓄电池室通风系统设计方案进行统一和优化。

2 设计优化建议

现在工程中采用的蓄电池基本都为阀控密封式铅酸（免维护）蓄电池，该蓄电池为密封结构，在正常充、放电时，基本没有氢气产生。在严重过充状态下，会将蓄电池内的水分解成氢气和氧气，当电池内部气压升高到一定值，为安全起见，蓄电池会打开单向安全阀，排出少量气体至室内空气中，大部分氢气仍在蓄电池内部并与氧气进行再化合反应[6]。据《电暖规》相关条文说明[1]，蓄电池室所需平时通风换气次数不到1次/h，在极端过充事故时所需通风换气次数约4.5次/h。

《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015（以下简称《工规》）6 .4 对事故通风的规定为[7]：对可能突然放散大量有毒气体、有爆炸危险气体或粉尘的场所，应设置事故通风系统，事故通风换气次数不应小于12次/h。而根据相关计算结果[8-9]可知，蓄电池室采用的阀控密封式铅酸蓄电池的析氢速率是非常缓慢的，正常工作条件下达到氢气爆炸下限需48-84d，异常状态2.4V浮充条件下达到氢气爆炸下限需 1-2d，实际上氢气达到爆炸浓度极限所需的时间要远大于以上计算值。所以《工规》中的事故通风和蓄电池室的事故排风不是一个概念，蓄电池室不存在突然放散大量爆炸危险气体的情况。

《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）2018 年版强制条文8.4.3规定[10]：“ 建筑内可能散发可燃气体、可燃蒸汽的场所应设置可燃气体报警装置。”《火灾自动报警系统设计规范》G B50116-2013 中 5.2.11 规定[11]：“下列场所宜选择可燃气体探测器：… …3其他散发可燃气体和可燃蒸汽的场所”。蓄电池室属可能散发可燃气体、可燃蒸汽的场所，故原则上蓄电池室应设置氢气浓度检测报警装置，平时蓄电池室内空气中没有氢气或氢气浓度较小时，通风系统可以不运行，只有当报警装置报警时，才联锁启动通风系统。这样做有如下好处：

1）平时通风系统不运行，可节省通风系统电耗。

2）夏季通风系统不运行，可节省由于排风而带来的冷负荷。

3）冬季通风系统不运行，也可以节省由于而排风带来的热负荷。

《电暖规》[1]要求当蓄电池室内空气中氢气体积浓度比达到 1%时联锁事故通风机运行，且事故排风系统的换气次数不少于6 次/h。而《变电规》[2]要求免维护蓄电池事故排风系统的换气次数不少于 3 次/h，空气中最大含氢量（按体积计）不超过0.7%。需指出的是2017 年《电暖规》宣贯时将蓄电池室联锁风机启动氢气体积浓度由1%修正为0.4%，修正缘由为：《工规》中强制条文6.9.2规定[7]：“ 下列场所不得采用循环空气：……3空气中含有易燃易爆气体，且气体浓度大于或等于其爆炸下限值的 10%的其他厂房或仓库”。国内蓄电池室空调普遍采用分体式防爆空调方案，相当于空调室内机采用室内空气循环方式，按照 《工规》中6.9.2强条要求[7]，室内氢气浓度(体积比)不得大于或等于其爆炸下限值的10%，氢气的爆炸下限为4%，乘以10% 计算即为 0.4% 。《氢气站设计规范 》GB50177-2005中强制条文 8.0.6 规定[12]：“ 有爆炸危险房间内，应设氢气检漏报警装置，并应与相应的事故排风机联锁。当空气中氢气浓度达到0.4%(体积比)时，事故排风机应能自动开启。”此强条规定和《工规》中6.9.2强条[7]的要求是一致的。

综合以上分析，为保证安全和节能运行，建议蓄电池室统一按照换气次数不少于 6 次/h 计算事故排风量，蓄电池室内应设置氢气浓度检测报警装置。当氢气浓度检测报警装置检测到空气中氢气体积浓度比达到 0.4%时应报警并联锁事故排风机自动投入运行，事故排风机平时可不运行。

另建议蓄电池室设置远程控制与故障报警装置，对风机的运行状态进行远程监控并进行故障报警。当风机出现故障时，以便运维人员能及时检修并采取相关应急措施。

3 不同消防方式对通风设计的要求

电力行业中的蓄电池室消防方式多为灭火器，而数据中心蓄电池室消防方式多为全淹没气体灭火方式。根据《气体灭火系统设计规范》G B50370-2005中强制条文6.0.4 规定[13]：“ 灭火后的防护区应通风换气，地下防护区和无窗或设固定窗扇的地上防护区，应设置机械排风装置，排风口宜设在防护区的下部并应直通室外。通信机房、电子计算机房等场所的通风换气次数应不少于每小时5次。”所以数据中心蓄电池室除了和电力行业蓄电池室一样设置事故排风系统以外，还需设置气体灭火后通风换气系统（灾后排风），通风换气次数满足不少于5次/h。

《气体灭火系统设计规范》G B50370-2005 中强制条文3.2.9 规定[13]：“ 喷放灭火剂前，防护区内除泄压口外的开口应能自行关闭。”《数据中心设计规范》GB50174-2017 中 13.3.2 规定[4]：采用全淹没方式灭火的区域，灭火系统控制器应在灭火设备动作之前，联动控制关闭房间内的风门、风阀，并应停止空调机、排风机，切断非消防电源等。故建议数据中心气体灭火后通风换气系统（灾后排风）风管上设置常闭型电动防火阀或电动密闭阀，当发生火灾时，以保证喷放灭火气体前防护区的密闭，待灭完火后，经人工确认不能复燃，联锁开启电动防火阀或电动密闭阀和排风机进行通风换气。

4 电力工程蓄电池室通风系统设计实例

某 220kV 变电站蓄电池室通风系统设计如图 1所示，该蓄电池室设置换气次数不小于6次/h 的自然进风、机械排风系统，用于事故排风，通风设备采用防爆轴流风机。事故排风系统吸风口上缘距离屋顶距离不大于0.1 m,并在被顶棚梁分隔的每个区域均设置吸风口。蓄电池室在房间上部设置氢气浓度检测报警装置，当空气中氢气体积浓度达到0.4%时报警并联锁事故排风机自动运行，同时联锁关闭室内空调，以保证及时排除泄漏的氢气，避免室内空气再循环，空调为风冷分体式防爆空调。

图1 某220kV变电站蓄电池室通风系统

蓄电池室内风机设置远程控制与故障报警装置。

5 数据中心蓄电池室通风系统设计实例

某数据中心蓄电池室通风系统设计如图 2 所示，采用全淹没气体（七氟丙烷）灭火方式。该蓄电池室设换气次数不小于6次/h的自然进风、机械排风系统，用于事故排风（风机1），另设置1台换气次数不小于5次/h气体灭火后通风换气风机（风机 2），风机均采用防爆轴流风机。事故排风系统吸风口上缘距离屋顶距离不大于0.1 m，并在被顶棚梁分隔的每个区域均设置吸风口。气体灭火后通风换气系统（灾后排风）吸风口下缘距离房间地面距离不大于 0.2 m。蓄电池室在房间上部设置氢气浓度检测报警装置，当空气中氢气体积浓度达到 0.4%时报警并联锁开启相应电动密闭阀和风机1自动运行进行事故排风，同时联锁关闭室内空调，以保证及时排除泄漏的氢气，避免室内空气再循环，空调为风冷分体式防爆空调。

图2 某数据中心蓄电池室通风系统

当发生火灾时，消防报警系统联锁关闭蓄电池室内通风空调系统，经人工确认后喷放七氟丙烷气体灭火，灭完火后经人工确认不能复燃，联锁开启相应电动密闭阀（常闭）和风机2进行通风换气。

蓄电池室内风机设置远程控制与故障报警装置。

6 结语

根据电力行业发电厂、变电站和数据中心蓄电池室的特点，分析了各规范规定的蓄电池室通风系统设计差异，并优化和统一设计方案，提出如下结论：

1）蓄电池室均应设置氢气浓度检测报警装置，平时通风系统不运行，节约风机电耗的同时还可节约由于排风而带来的冷、热负荷，实现节能降耗。当过渡季节时可运行通风系统，关闭室内空调，减少空调能耗。

2）统一蓄电池室事故排风启动条件，当氢气浓度检测报警装置检测到空气中氢气体积浓度比达到0.4%时应报警并联锁事故排风系统自动投入运行，同时联锁关闭室内空调，以保证及时排除泄漏的氢气，避免室内空气再循环。

3）建议统一蓄电池室事故排风量计算标准，按照换气次数不少于6次/h计算事故排风量更合理、安全和可靠。

4）蓄电池室除应设计事故排风系统外，当采用全淹没气体灭火方式时（如数据中心蓄电池室），还应设计独立的气体灭火后通风换气系统（灾后排风），通风换气次数满足不少于5次/h。当发生火灾时，消防报警系统联锁关闭蓄电池室内通风空调系统，保证喷放灭火气体前防护区的密闭，经人工确认后喷放全淹没气体灭火，灭完火后经人工确认不能复燃，联锁开启相应的电动防火阀或电动密闭阀和排风机进行通风换气。

5）建议蓄电池室设置远程控制与故障报警装置，对风机的运行状态进行远程监控并进行故障报警，这也是国际通行做法[14]。当风机出现故障时，以便运维人员能及时检修并采取相关应急措施，安全系数得到大幅提高。