陈 立 新
广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁市建政路10号 邮编530023
摘 要： 岩滩水电站地下厂房空调除湿机组PLC控制程序实现可变送风露点温度的实时计算和任意环境条件下最佳运行方式自动选择，并对制冷系统进行了改进以保证机组在全年各种极端工况下能稳定高效运行。空调除湿机组的PLC控制器除承担本体的自动控制外，还同时远控全厂的主送风机、主排风机，从而实现整个水电站地下厂房通风空调系统的智能化控制。
关键词： 岩滩水电站；通风空调；空调节能
Energy-saving Operation and Intelligent Control of Ventilation and Air Conditioning System for Underground Powerhouse of Hydropower Station
CHEN Li-xin
( Guanxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute,
10 Jianzheng Road, Nanning 530023, Guangxi, China )
Abstract：The program for PLC control of air conditioning units in underground powerhouse of Yantan hydropower station, which realize the real-time calculation for variable dew point of air supply and automatically choice the best running mode at any environment condition. The refrigeration system have been improved to assure the equipment running stably and efficiently at any extreme condition in a whole year. The PLC control of each air conditioning unit not only take autocontrol upon itself, but also telecontrol main supply fan and exhaust fan of the whole powerhouse, so as to realize intelligent control of HVAC system for underground powerhouse of whole hydropower station.
Key words：Yantan Hydropower Station; heating ventilation and air conditioning system; energy-saving operation of HVAC system
目前的水电站工程均采用常规的空调除湿机，其制冷量控制方式均为恒定送风露点温度控制，恒定运行参数的控制方式存在固有的缺陷，并且空调设备的制冷系统只能在少数典型工况下稳定运行。
水电站的自然因素，包括：河水（库水）温度、岩体壁面温度、混凝土壁面温度、室外新风空气状态、室内散湿量、室内排风空气状态等全年都是变化的，采用恒定露点温度控制的常规空调除湿机不能适应这种变化，要么制冷量不足，厂房内出现结露现象；要么制冷量过度，电能浪费严重。
岩滩水电站在空调除湿机组的PLC控制程序中对与水电站热、湿环境有关的9个基础物理量实时进行追踪、分析，实时计算出保证水电站厂房内任意壁面不结露的送风露点温度临界值，并以此临界值温度为依据实时调整机组的运行工况和运行参数。另外，对制冷系统进行了改进，保证空调机组在水电站全年各种极端工况下均能稳定高效运行。
节能化、智能化是暖通空调技术的发展方向，岩滩水电站的研究成果取得了跨越性的进步，但为了适应目前空调制冷设备的装备制造水平，同时兼顾设备的制造成本，研发的空调机组采用的是可行且性价比最高的方案，而非技术性能最佳的方案。所研发设备的技术性能与最完善的理想方案相比较仍有一定的差距，随着空调制冷装备制造水平的提高和制造成本的下降，节能性能仍然有进一步提高的余地。
1 水电站地下厂房室内外热湿环境全年变化规律
水电站地下厂房室内外热湿环境有关的自然因素包括：室外新风干球温度、室外新风露点温度、河水（库水）温度、有埋管的混凝土壁面温度、岩体壁面温度等全年都是变化的，全年主要的变化规律见地下水电站自然环境全年温度曲线图（图1-1）。这些自然因素都是天然存在的，与厂房通风空调系统设备的配置无关。
1.1 室外新风状态的全年变化规律
室外新风的状态包括干球温度和露点温度，新风的露点温度与干球温度的变化趋势基本相同，这里仅说明新风干球温度的变化规律。
室外新风干球温度是以一年为单位的大周期，按春、夏、秋、冬四季的周期性波动变化，除此以外，它还包含有日、周、月为单位的小周期波动变化。全年的波动变化是大周期和小周期的波动变化互相叠加的结果。
室外新风干球温度在每年春夏、秋冬的季节转换期通常会有剧烈反复，同时还受到台风、季风的影响，无法准确预测。
1.2 库水温度的全年变化规律
河水（库水）温度跟随室外空气温度的变化而变化，同时还与上游的流域面积、河流地理分布、河流流道形状、河流流量、水库的库容、水库库容的调节周期、库水的取水深度等因素有关。
河水（库水）温度也是以一年为单位的周期性波动，库水温度的波动较室外空气温度的波动存在着延迟与衰减。随着库水取水温度的由浅至深，库水温度的波幅减小，延迟滞后时间加长，并且波动越平滑。
1.3 有埋管的混凝土壁面温度的全年变化规律
有埋管的混凝土，其埋管内流动的通常是库水，库水温度的全年波动会对混凝土壁面温度带来影响。室内空气干球温度的波动也会对混凝土壁面温度温度产生影响，但空气的影响程度相对于库水的影响小很多。
有埋管的混凝土壁面温度跟随埋管内库水温度的变化而变化，由于混凝土存在着蓄热和传热阻，混凝土壁面温度的波动较库水温度的波动存在着延迟与衰减。随着埋管深度由浅至深，混凝土壁面温度的波幅减小，延迟滞后时间加长，并且波动越平滑。
1.4 地下岩体壁面温度的全年变化规律
地下岩体一般均深埋在地下，岩体壁面温度年波动极小。在埋深超过10米以上的地下洞室，岩壁温度年波动不会超过±0.5℃，详见《传热学》[4]；在电站建成的初期，因为存在机电设备的持续发热，岩体壁面温度会有几年连续的微小上升，而后趋于恒定。
地下岩体是非常巨大的蓄热体，地下岩体温度介于室外最高气温与室外最低气温之间。
1.5 地下厂房室内最低壁面温度的全年变化规律
自然环境全年温度曲线图（图1-1）表明，若忽略厂房内散湿量的影响，每年的二月末至十月末，室外空气的露点温度高于水电站地下厂房室内最低壁面温度，此时必须投入机械制冷，此时为机械制冷期；每年的十月末至来年的二月末，室外空气露点温度低于水电站地下厂房室内最低壁面温度，此时可直接将室外空气送到厂房内，不会出现结露现象，此时为通风期。
在机械制冷期，从每年的二月末至十月末，水电站地下厂房室内最低壁面温度依次出现在（河水）库水管道外壁面、有埋管的混凝土壁面、地下岩体壁面。
2 水电站用户对室内空气参数的要求
水电站厂房内一般布置有机电设备，同时还有运行人员定期检修、巡视。室内空气参数必须保证机电设备长期安全、稳定、可靠运行，同时兼顾人员的舒适性、安全性要求。
管道壁面结露会降低电气线路的绝缘性能，使得电气传感器、电动执行机构的故障率显著提高，同时还会加速钢材构件的表面锈蚀，影响厂房的观感和安全生产，现有水电站用户普遍都希望水电站厂房内全年任何时候都不要出现壁面结露现象。
水电站厂房的壁面结露问题除必须采取防潮措施外，还需要通风空调系统的合理设计才能彻底解决。
对于水电站用户，理想的水电站厂房室内空气参数应满足以下几方面的要求：
- 厂房内工作区空气干球温度T全年应介于用户设定的最高温度限值Tmax与最低温度限值Tmin之间。
- 厂房内任何壁面全年均不发生表面结露现象。
- 厂房内任何场所的相对湿度ф均不高于最高相对湿度限值фmax。
- 厂房的最小新风量满足人员的卫生要求。
- 厂房内工作区风速为0.2~0.8m/s或不规定。
岩滩水电站地下厂房通风空调系统采用变送风露点空调除湿机组，其全年的送风干球温度、送风露点温度、排风干球温度曲线见全年室内温度曲线图（图2-1），它们是满足用户需求并且在各种自然条件下对电能和水资源消耗最小的送风参数曲线。
3 变送风露点空调除湿机组的组成及结构
可变送风露点温度空调除湿机组的组成主要包括二部分：全工况直接蒸发组合式空气处理机组、水冷全工况变容量冷热源主机。二者之间设有制冷剂管路、水管路、电气控制线路。
全工况直接蒸发组合式空气处理机组主要有五个功能段，按回风至送风的顺序为：初中效袋式过滤段、一级库水换热段、二级直接蒸发表冷段、三级直接冷凝加热段、送风机段。
水冷全工况变容量冷热源主机内包括：变容量压缩机、水冷却换热器、油分离器、储液器、冷媒三通控制阀、电子膨胀阀、四通换向阀、电磁阀、单向阀、压力表、压差继电器、智能控制箱等。冷热源主机通过制冷剂铜管路与设置在组合式空气处理机组的二级冷却（直接蒸发）盘管、三级加热（直接冷凝）盘管相连接。
带热泵除霜变送风露点空调除湿机组的制冷系统原理图见（图3-1）。
带热泵除霜变送风露点空调除湿机组在水电站全年任意气候条件下均可稳定、高效运行，可根据实时需要自动选择最佳运行方式、自动调节新风量、冷却水量、制冷量、加热量。
机组的PLC控制器除完全自主地承担本体各组件的自动控制外，还可同时远控全厂的主送风机、主排风机的启停，从而实现整个水电站地下厂房通风空调系统的智能化控制。
4 水电站通风空调系统的节能运行
水电站通风空调系统的节能运行方式应为在充分满足用户需求的前提下，电能和水资源消耗最小的运行方式。
水电站通风空调系统空调除湿机组全年节能运行方式图见（图4-1）。
最佳节能运行方式和运行参数的选择是实时的、可逆的，是根据当时室内外热湿环境的变化进行的选择，它与一年的某个时期并不直接相关。
水电站空调除湿机组的全年运行控制包括四个方面，分别为：新风量控制、库水水量控制、制冷量控制、加热量控制。其中，新风量为3级调节；库水水量、制冷量、加热量均为比例积分无级调节，正常情况下全年可能的组合工况共27种，最基本的运行工况包括：机械制冷工况、通风工况。
4.1机械制冷工况
机械制冷工况发生在每年的二月末至十月末，此时段制冷压缩机必须投入运行。压缩机的容量开度按照保证厂房内不结露的可变送风露点温度临界值进行调节，同时，新风量和一级库水换热器的水量也进行调节，避免电能和水资源的浪费。
机械制冷工况又可细分为小工况，分别为：除湿加热工况、除湿调温工况、热泵除霜工况。各细分小工况中还包含有新风量的有级调节，分别为：100%全新风、50%新风量、20%新风量。
4.2 通风工况
通风工况发生在每年的十月末至来年的二月末，此时段室外新风露点温度较低，不会出现厂房内结露现象。通风工况又可细分为小工况，分别为：单纯通风工况、库水调温通风工况、回风调温通风工况。
5 保证厂房内不结露的临界送风露点温度
任意时刻的临界送风露点温度必须通过实时的、高精度的数值计算获得。临界送风露点温度的影响因素主要有：室内壁面最低温度、室内散湿量。
5.1室内壁面最低温度
水电站厂房的室内壁面包括：库水管道外壁面、有埋管的混凝土壁面、岩体壁面等。室内壁面温度的数值与分布在全年不同时刻均不同，全年都是变化不定的。
对于通风空调系统而言，最关键的是要找到任意时刻最不利点的壁面温度，也就是任意时刻的壁面最低温度。库水管道外壁面、有埋管的混凝土壁面、岩体壁面的温度分别得到后，再将它们互相比较，最后得到室内最低壁面温度。
5.2 室内散湿量
水电站厂房的室内散湿量包括：室内潮湿壁面的散湿量、室内设备和人体的散湿量。
5.2.1室内潮湿壁面的散湿量
室内潮湿壁面散湿有关的因素有：潮湿壁面的面积、潮湿表面在厂房内的分布、潮湿表面的空气流速、潮湿表面的水蒸气分压力、潮湿表面附近空气的水蒸气分压力、大气压力、厂房的送风量、厂房的气流组织和气流分布等。
对于恒定送风量的水电站厂房，与潮湿表面散湿量有关的因素有的是全年基本稳定不变的。将这些稳定不变的因素整合为一个系数k1，用来描述某个空调区域整体的潮湿表面散湿强度。利用k1可实时计算出潮湿表面的散湿量。
式中： k1 ——潮湿壁面或水表面的散湿强度。1/mmHg
Asm ——潮湿的壁面或水表面面积。m2
Yzf ——潮湿壁面或水表面的蒸发系数，kg/h·m2·mmHg
Yzf=0.0178+0.0152×Vx
Vx ——散湿表面的风速，m/s
L ——空调系统的总送风量。m3/h
B ——水电站当地的大气压力。mmHg
5.2.2室内设备和人体的散湿量
室内设备和人体的散湿量全年基本稳定不变，对于偶然性的、强度弱的影响因素可忽略不计，这些与室内环境无关的稳定散湿因素可统一整合为恒定的系统k2，用来对某个空调区域进行湿平衡计算。
式中： k2 ——设备和人体的稳定散湿强度。
W2 ——设备和人体的散湿量。Kg/h
L ——空调系统的总送风量。m3/h
B ——水电站当地的大气压力。mmHg
5.3 临界送风露点温度的数值计算
临界送风露点温度数值计算就是建立数学模型，以数学公式组将厂房内空气的热湿交换的状况及物理过程准确的描述，根据已知的物理量，高精度地计算出保证厂房内不结露的临界送风露点温度TL。
5.3.1数学模型
数学模型的建立以热湿平衡为基础，必须精确的描述空气的干球温度、露点温度、含湿量、壁面散湿量、大气压力、水蒸气分压力等物理量之间的关联。一些物理量之间的关联是完全非线性的，必须拟合出近似的算式来进行描述。
本项研究采用了相对简单又精确的拟合公式，同时对所建立的关联公式组进行了简化处理，实现了直接的逆向推导和求解，另外还对计算结果进行二次迭代和修正，使得最终计算误差限制在±0.01℃以内，完全满足实际工程的精度需求。
5.3.2 实测法
临界送风露点温度TL是根据已知的物理量通过计算得到的，必须已知的物理量包括：库水温度Tks、岩体壁面温度Tbm、潮湿表面散湿强度k1、稳定的散湿强度k2。其中，潮湿表面散湿强度k1、稳定的散湿强度k2无法事先准确获知，必须通过实测法才能获得。
通过实测得到二组数据，将二组数据输入到专门的调试软件进行计算，就可以得到与水电站的实际情况完全吻合的潮湿表面散湿强度k1、稳定的散湿强度k2。
6 水电站通风空调系统的智能控制
智能控制是指在任意一种情况下，控制系统及设备均能完全自主地运行，自动检测和分析现状、自动选择最佳运行参数、自动选择最佳运行方式、自动调节机器设备，自动统计、记录运行数据，所有过程均不需要人工的外部干预。
智能控制系统硬件和软件的总体架构，主要包括：集中式架构、分布式架构。智能控制系统通常都非常复杂，均采用计算机编程软件通过逻辑判断与控制来实现。
岩滩水电站地下厂房通风空调系统采用分布式的控制构架，智能控制由空调除湿机组现地自带的PLC控制器全面负责完成。整个地下厂房的主送风机、主排风机按照空调除湿机组的数量进行分组，各台空调除湿机组与对应的主送风机、主排风机划分为一组。每台空调除湿机组的PLC控制器除负责本体内部各个组件的自动控制外，还远控对应的一组主送风机、主排风机的启停。
空调除湿机组PLC控制器的控制软件自带完整的控制逻辑，完全可以独立运行。在水电站全年的任意一种情况下均能自动识别现状、自动选择运行方式、自动选择运行参数、自动调节机器设备。
岩滩水电站采用的变送风露点全工况空调除湿机组具有如下特点：
（1）机组设置网络接口可实现集中监控。
（2）分组控制减少控制对象数量提高可靠性。
（3）变送风露点全工况的控制方式符合水电站的特点。
（4）空调除湿机组的制冷系统可适应水电站全年各种工况的需求
为了适应水电站全年各种运行工况的需求，制冷系统采取了如下改进措施：
a. 库水换热器结构的改进使得库水走管程，避免泥沙在换热器内淤积；
b. 压缩机配置专门的油泵，保证低库水温度下除湿工况的可靠运行；
c. 压缩机容量采用1大1小的配置，保证了低负荷下的高效率运行；
d. 具有热泵除霜功能，保证了强力除湿工况的可靠运行；
7 结论
水电站厂房通风空调系统的智能控制是全年节能运行的保障。在水电站环境全年任意状况下，智能控制必须能正确的分辨现状、选择运行参数、选择运行方式、调节机器设备。
恒温恒湿的空调方式不适应水电站的特点，送风参数的选择应满足用户的需求并符合水电站厂房室内外热湿环境全年变化规律。
运行方式的选择应充分利用自然环境中的有利因素，尽量回避自然环境中的不利因素，实现节能运行。
空调除湿机组应为机电一体化的设备，应保证能在水电站厂房热湿环境全年任意一种状况下正常稳定运行。
空调除湿机组自带智能控制单元的分布式控制架构是实现水电站厂房通风空调系统智能控制的可行方式。
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