高海拔地区暖通空调设计中地若干技术问题.docx
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高海拔地区暖通空调设计中地若干技术问题
高海拔地区暖通空调设计中的若干技术问题
崔 跃
提要 从高海拔地区空气压力低、密度小和含湿量低等特点出发，讨论了这一地区暖通空调设计中的一些常见的技术问题，认为只有积极稳妥地处理好这些问题的设计才是富于地域特色的合格的设计。
关键词 高海拔地区 暖通空调设计 技术问题 地域特色
SomeissuesofHVACdesigninhigh-altitudeareas
ByCuiYue
Abstract Basedonthefactthattheairinhigh-altitudeareasisoflowerpressure,lessdensityandmoisture,discussessomecommonlyencounteredtechnicalproblemsinHVACdesignfortheseareas,considersthedesignsthatsolvetheseproblemscreativelyandproperlytobequalifiedoneswithlocalcharacteristics.
Keywords high-altitudearea,HVACdesign,technicalproblem,localcharacteristic
高海拔地区，在此泛指海拔高度1000m以上的地区。
在我国，它涵盖了包括黄土高原、青藏高原和云贵高原在内的由北方到西北再到西南的广大地域。
如果将这一地域的主 要城市略加罗列（见表1），并且稍微留意一下这些城市20年来的发展历程，我们不难大致地领略到地理环境对于一个地区的经济与社会发展所显现的巨大的制约作用。
那么，对于这些地区过去空白或相对滞后，而今乘改革开放的大潮正在迅速成长中的暖通空调业来说，特殊的地理环境意味什么、又可以造就什么样的地域特色呢?
这里，笔者试将自己在设计实践中所注意到的有关问题作一综述，意在引起该地区同仁们对这些问题的关注，共同推动这一地区我们专业的发展与提高。
表1 我国主要的高海拔城市
城 市
呼和浩特
银川
西宁
兰州
拉萨
贵阳
昆明
海拔高度
/m
1063.0
1111.5
2261.2
1517.2
3658.0
1071.2
1891.4
1 关于湿空气的h-d图
h-d图对于空调的设计和运行管理都是一个十分重要的工具。
同样不可忽视的是：
任何一张h-d图都是在一定的大气压力下绘制的，也只适用于该大气压力。
高海拔地区的大气压力都低于标准大气压力，于是，h-d图中的饱和曲线（φ=100%）将向下移，即在相同的温度和相对湿度下，空气的焓和含湿量将增大。
表2列出了主要高海拔城市夏季室外空气的焓和含湿量，并与它们在标准大气压力下的h-d图上的读数加以比较。
显然，其间的出入是相当可观的。
因此，在高海拔地区一定要使用当地大气压力下的h-d图，不然，仅此读数的偏差就可能动摇设计的合理性。
近年来，一些暖通设计软件商相继开发出低气压下h-d图的自动生成和查询技术，已为这一问题的解决提供了便捷的途径。
表2 不同大气压力下的焓和含湿量
呼和
浩特
银川
西宁
兰州
拉萨
贵阳
昆明
当地大气压力/hPa
889.4
883.5
773.5
843.1
652.3
887.9
808.0
空调计算温度
干球/℃
29.9
30.6
25.9
30.5
22.8
30.0
25.8
湿球/℃
20.8
22.0
16.4
20.2
13.5
23.0
19.9
当地大气压力下读数
焓/kJ/kg
65.73
70.90
55.28
65.79
51.65
74.98
66.94
含湿量/g/kg
13.91
15.65
11.43
13.69
11.26
17.48
16.05
标准大气压力下读数
焓/kJ/kg
60.21
64.59
45.95
58.03
37.85
68.50
57.30
含湿量/g/kg
11.74
13.18
7.77
10.65
5.83
14.95
12.26
空气密度/kg/m3
1.045
1.033
0.924
0.993
0.787
1.033
0.952
2 关于空气密度的变化
如所周知，空气密度ρ随海拔高度的上升而减小。
在本文所讨论的范围内，某一海拔高度H（m）处的大气压力
s=1013（1-2.257H×10-5）5.256 hPa
（1）
该处的实际空气密度
（2）
设计中常用的风管阻力计算图表以及设备选型表等等都是按标准状态下的空气体积流量编制的，在高海拔地区，系统的计算与设备的选用都必须考虑空气密度减小的影响。
即：
一个系统，当根据当地大气压力下的h-d图计算出的空气质量流量为Gs（kg/h），其体积流量Ls（m3/h）就是
（3）
该系统的风管及各种设备均应按Ls计算选用。
3 关于风机性能的海拔修正
3.1 选型计算：
根据设计规范，对于高海拔地区的通风系统，当以实际的体积风量Ls按标准状态下的图表计算出系统的压力损失Ho，并按一般通风机性能表选择通风机时，其风量和风压均不要修正，但电机的轴功率要作验算。
这是由于，高海拔条件下系统压力损失的减少与风机风压的降低是完全等同的，同时，风机电机的轴功率N也会减小：
标准工况下
（4）
实际工况下
（5）
这里Lo=Ls，效率系数η1和η2不变，
，而ρs＜1.2，故有Ns＜No。
3.2 校核计算：
当风机在转速、效率及气温不变的前提下用于高海拔地区时，输送空气的体积流量L不变，实际风压则将低于其在标准工况下测得的名义风压Ho，也即
（6）
反过来，为确保系统既定的风压要求（通常即是该系统原配套风机的名义风压Ho），高海拔下实际选用风机的名义风压就应是
（7）
其电机轴功率也将相应地有所增加：
（8）
3.3 风机作选型及校核计算时，电机轴功率随海拔上升呈现出不同变化趋势的原因在于：
选型时系统的压力损失即选用风机的风压Ho是按标准工况算出的，它必定大于系统在高海拔下实际造成的压力损失Hs。
相反，校核计算则是在高海拔条件下验证已在标准工况下构成的系统，这里一向都不需要（往往还不大可能）校核该系统实际所需的风压而把它当做是既定不变的，从而只就空气密度的减小作风压与功率的校核。
作为实例，空调通风系统设计中很普遍的风机选型计算属于前者，而锅炉房烟风系统设计中鼓、引风机的海拔修正属于后一情形。
4 关于换热设备
这里所说的换热设备，系指表冷器、蒸发器、冷凝器、全热换热器、暖风机等采用机械方式对空气进行受迫对流换热的装置。
按照对流传热的基本方程，换热过程中空气获得的热量
Q=G.cp.Δt （9）
式中G，cp，Δt分别为空气的质量流量、定压比热容与流经换热器前后的温差。
忽略cp随温度、压力的微小变化，即令cp=c，并引入Go=ρoLo，上式成为
Qo=ρo.Lo.c.Δt （10）
高海拔条件下，则有
Qs=ρs.Ls.c.Δt （11）
显然，由于ρs＜ρo，Ls=Lo，故Qs＜Qo；换热设备的实际换热能力将由于海拔上升、空气密度减小而下降。
这就意味着蒸汽压缩式制冷（供热）设备出力的下降以及空调末端设备空气处理能力的下降。
然而，这一点在工程中也很容易被忽视。
应当看到，标准工况下计入了诸多因素的修正系数到了高海拔地区可能并不足以抵消空气密度下降所造成的不利影响，还是以特地作海拔修正为妥。
具体如何修正，时下尚未见有系统的权威性研究结论，建议采纳或参照以下表3及表4的相关数据。
表3 冷式冷水机组制冷能力的海拔修正
海拔高度/m
0
609.6
1219.2
1828.8
2438.4
修正系数
1
0.989
0.979
0.968
0.955
其它换热装置如开式冷却塔，其换热机理虽与上述设备不同，但用于高海拔地区时同样存在因空气密度减小，质量流量低于设计值所引起的冷却能力下降的问题。
限于篇幅，本文对此不作详述，有兴趣者可参见文献［3］。
5 关于燃烧设备
燃煤锅炉鼓、引风机的风压及配用电机功率的海拔修正是一直受到强调和重视的，但对于目前使用日趋广泛的燃油、燃气设备，包括各种锅炉及直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，其海拔修正问题却一直未得到应有的重视。
表4 风机盘管空气处理能力的海拔修正系数
海拔高度
/m
供冷
供热
总热量
显热量
500
0.98
0.95
0.95
1000
0.97
0.91
0.91
1500
0.95
0.86
0.86
2000
0.94
0.82
0.82
2500
0.93
0.78
0.78
3000
0.91
0.74
0.74
上述燃油、燃气设备一般均不需外配鼓、引风机，燃烧所需空气由燃烧器引入，燃烧室微正压运行。
一定出力的设备，当燃料类型确定，燃烧机也选定之后，它在某一段火力上工作时喷出的燃料流量q与引入的空气体积流量就是一定的。
这里，设备出力Q（kW）为
Q=a.q.Qydw-b （12）
所需空气量G（kg/s）为
G=c.Qydw-d （13）
式中 Qydw——燃料的应用基低位发热量，kJ/kg；
a，b，c，d——计算系数，因燃料而异。
进而可以列出：
标准工况下
（14）
高海拔下
（15）
前已述及，Ls=Lo则Gs＜Go，如果qs=qo，势必导致Qs＜Qo，即高海拔条件下设备出力不足。
这在现场运行中，表现为因空气量偏小而造成的燃烧不完全、冒黑烟，设备的燃烧效率也会随之下降。
因此，无论生产商是否在其产品样本中标明了设备适用的海拔高度（通常是≤1000m），高海拔对设备出力及污染控制的负面影响终究是一个客观存在，不可不认真对待。
有关设计文件中应当明确要求生产、供应商：
①应为其产品配置具有良好的燃料/空气比调节性能的燃烧机；②某一额定出力的设备一般均有2～3种燃烧机（指同一品牌、系列内）可供选配，应根据当地海拔，按设计热负荷的1.2～1.5倍选用其中裕量充分者，所谓“大马拉小车”在这里恰恰是有必要的；③安装完毕后的试车阶段，应出动适当的人员和装备，以将烟气中的化学不完全燃烧成分控制在0～0.1%为目标，进行精心的现场调节。
6 关于给水设备
以最常用的离心泵为例，工程设计中由于现场条件的限制，经常需要将离心泵安装在水面以上，这里就有一个允许的几何安装高度Hg的确定问题。
标准工况（大气压力1013.25hPa，20℃清水）下的Hg（m）为
（16）
式中 Hb——泵样本提供的允许吸上真空高度，m；
——泵吸入口的速度压头，m；
h1——吸水管段的流动阻力损失，m。
自然，当大气压力及水温不同于标准工况时，Hg将随Hb值的改变而改变，后者的变化为
Hb′=Hb-（10.33-hA）+（0.24-hv） （17）
式中hA——当地大气压，m；
hv——与实际水温相应的汽化压力，m；
假如离心泵输送的不是清水而是其它液体（如油类），则相关的修正更复杂一些，详见文献［1］，此处不赘。
7 关于空气压缩机与真空泵
不难理解，随着海拔高度的上升和空气密度的减小，空压机与真空泵生产能力的下降比起前面的设备来，将更为直接和明显。
就空压机而言，如设计排气量为Ls，则选用设备的名义排气量就应是
Lx=K.Ls （18）
表5 空压机排气量海拔修正系数K
海拔/m
914
1219
1524
1829
2134
2438
2743
3048
3658
K
1.1
1.14
1.17
1.2
1.23
1.26
1.29
1.32
1.37
真空泵的生产厂商一般都在产品样本中列出了产品在不同海拔高度（或大气压力）下的抽气量；如未列出，须向厂商详作咨询。
8 关于电机工作环境
建筑中各类设备大量使用电动机，尤其是异步电机作为原动力。
在高海拔地区，也存在着一个由于空气稀薄致使电动机散热困难进而功率降低的问题。
为此，有的资料如文献［2］干脆限定“异步电动机使用地点的海拔不超过1000m”，这当然是不现实的。
但这个问题又的确不能不考虑，原机械工业部就曾为此专门颁布过《电机使用于高海拔地区的技术要求》，规定了不同海拔高度所对应的最高容许环境温度，如表6。
表6 电动机最高容许环境温度
海拔高度/m
1000
2000
3000
4000
最高容许环境温度/℃
40
35
30
25
在此提出这个问题的实际意义在于：
高海拔地区暖通空调设计中应重视各类电机的工作环境问题，采取适当措施，使其通风良好，气温保持在表6容许的范围内。
当出于现场各种实际因素，电机工作环境温度仍有可能超过规定时，应采用人工降温，而按环境温度每高出1℃，电机额定功率降低1%的原则选用较大电机的做法则只能是不得已而为之的下策。
这里一个典型的例子是屋顶电梯机房，发热量大，日照强烈，应加强通风，气温过高或使用频繁者应加设分体式空调机。
同样的问题对于目前使用日趋广泛的变频器来说或许影响更大，因为所有变频器都明文规定的使用环境之一便是海拔高度低于1000m。
设计者不但有责任努力创造通风散热的良好工作环境，还应敦促生产、供应商就高海拔问题采取相应的对策，例如在变频器的外壳上增设换气扇，等等。
9 关于空调新风处理
在文献［4］中，笔者探讨了昆明地区空调新风处理的特殊性，认为在一定条件下，新风可不作集中处理而直接送入风机盘管回风箱，其负荷完全由风机盘管承担。
究其原因，是由于当地夏季室外空气湿球温度较低，因而新风的焓值也较低所致。
而这样的气候条件，实际上并不仅见于昆明，而是普遍存在于高海拔地区。
表7汇总了仿照文献［4］的基本数据与方法（经订正）对各主要高海拔城市新风不作集中处理时标准间风机盘管空气处理过程的计算结果。
如果同时考虑到以下两个事实：
①我国风机盘管产品标准（JB/T4283-91）所规定的风机盘管全冷量按焓差16.5kJ/kg确定，并且上市产品的处理焓差大都高于此值；②高档风量大约在600～700m3/h之间的卧式暗装风机盘管，其长度均小于客房门廊的一般宽度1200mm，那么，我们就有足够的理由相信：
表7的计算结果支持文献［4］的结论。
换言之，文献［4］的结论在高海拔地区有着广泛的适用性。
表7 新风直接送入风机盘管的计算结果
呼和浩特
银川
西宁
兰州
拉萨
贵阳
昆明
室内焓hn/kJ/kg
54.31
54.51
58.76
55.94
65.14
54.36
57.30
室内含湿量dn/g/kg
11.41
11.49
13.16
12.05
15.67
11.43
12.59
新风余热Qw/W
317
455
-97
301
-375
573
268
新风余湿Ww/g/h
250
416
-173
164
-441
605
346
总余热∑Q/W
1817
1955
1403
1801
1125
2073
1768
总余湿∑W/g/h
450
616
27
364
-241
805
546
热湿比ε
14536
11425
187066
17812
-866475
9271
11657
送风焓ho（Δt=8℃）
/kJ/kg
44.32
43.91
50.37
46.31
57.91
43.01
46.74
送风量Go/kg/h
Lo/m3/h
654
664
602
674
561
658
603
626
636
651
679
713
637
634
换气次数n/h-1
10.43
10.60
10.85
11.32
11.88
10.62
10.57
回风量Ln/m3/h
526
536
551
579
613
537
534
混合风焓hm/kJ/kg
55.88
56.72
58.30
57.21
63.91
57.16
58.61
过程焓差Δh/kJ/kg
11.56
12.81
7.93
10.90
6.00
14.15
11.87
10 关于通风除湿
受地形、地势和天气系统等诸多因素的影响，高海拔地区另一个显著的气候特征便是空气的含湿量较低，西部和西北部区更是全年都相当干燥。
这一特征在某些方面或许不足称道，但对于采用自然或机械通风方式消除游泳馆之类大量散湿场所的余湿则肯定是非常有利的。
文献［5］对通风除湿设计中室外计算参数的确定问题作了颇具深度的研究。
在统计大量气象资料的基础上，该文指出：
呼和浩特、银川、兰州、昆明等城市通风除湿所需风量不大，不保证时数很小；贵阳则风量稍大，不保证时数稍多。
文中未提及的西宁和拉萨的情况是：
含湿量更低，通风除湿所需风量更小，不保证时数更少甚至完全保证。
在这个问题上，高海拔地区的优势是应该充分认识并加以积极利用的。
青藏、滇藏铁路建设科研必须先行
张庆军，祝红英
摘要:
本文分析了高原环境对工程机械装备的影响及青藏铁路一期建设的经验教训。
针对当前高原特殊环境适应性技术发展现状，指出在青藏铁路二期工程和滇藏铁路建设之前，科研工作必须先行。
关键词:
铁路建设;机械装备;科研;先行
中图分类号:
TB1 文献标识码：
A
1前言
在我国海拔2000米以上的高原占国土总面积的33％。
平均海拔高度4000米以上的高原面积为230～240万平方公里。
青藏高原以其海拔最高、地域辽阔而列世界诸高原之首，被称之为世界屋脊。
高原地区，蕴藏着极为丰富的水电资源和矿产资源。
仅黄河上游水电能的蕴藏量达数千万千瓦，已建成的有龙羊峡水电站，部分建成的有李家峡水电站等。
同时，国家计划在黄河上游再兴建若干座大型水电站，水力资源开发建设前景十分广阔。
高原地区还蕴藏着丰富的矿产资源，已探明的有钾、钠、镁、铅、锌、铬、铁等金属矿藏，石棉、煤、硼、水晶、石膏、硫磺等非金属矿藏以及丰富的石油资源，且以探明储量均居全国之首。
青藏高原是我国藏族同胞的主要聚居地。
由于自然、历史、社会等方面因素的影响，经济基础薄弱，经济发展水平较低，亟待开发建设。
同时，它与缅甸、不丹、锡金、尼泊尔、印度、巴基斯坦、阿富汗、塔吉克斯坦等国接壤，边境线长达3842km，为我国扼南亚次大陆的重要门户。
它的开发和建设将是我国西部在下个世纪乃至更长时期经济能否持续稳定发展的条件之一，关系到国家完整统一，其经济和战略地位十分重要。
2青藏铁路建设前期科研工作回顾
面对高原这一块资源丰富，经济欠发达，而战略地位极为重要的地区，要缩小差距，消灭贫困，实现共同富裕；要加强民族团结，打击敌对分子的分裂活动，维护稳定；要发展经济，开发资源，扩大与南亚次大陆的国际贸易；要巩固边陲，加强军事的后勤保障；必需有与内地牢固联结起来的运能大、运费低、速度快、可靠度高的钢铁运输线──进藏铁路。
为了发展经济，巩固国防，促进民族团结，加速西部民族经济的发展，从50年代开始，国家就开始着手进藏铁路的建设，并将青藏铁路的建设纳入国民经济发展计划，并于50～60年代对线路进行了勘察、选线、定测等前期工作。
60年代末、70年代初，根据勘测设计工作的要求，成立了由中国科学院、铁道部、一机部、铁道兵、青海省、西藏自治区等有关领导同志组成的青藏铁路科研工作领导小组，下设盐湖冻土、高原机电设备、通信信号及施工等四个协作组，组织了全国九个部门与十九个省、市、自治区的68个工厂、部队、研究所、设计院和大专院校，共一千七百多名科技人员，开展青藏铁路科研工作大会战。
截止70年代末，部分科研成果陆续提出，80年代初审查鉴定完毕，但部分项目还应进一步加深研究。
高原机电设备部分的科研项目因条件所限，仅完成部分项目，许多项目有待进一步深入研究。
青藏铁路一期工程建设及前期科研工作大会战，取得了一定的成果，解决了一些施工中存在的问题，但同时也留给我们许多思考和教训。
由于历史的局限，当时铁路科研工作采用大会战的形式，提出“边施工、边设计、边科研”等口号，使科研工作远远滞后。
在科研准备不足的情况下，进行施工建设，严重地影响了工程质量、进度和效益，造成重大经济损失，付出了巨大的人员伤亡代价，给我们留下的教训是深刻的。
因此，在青藏铁路二期及滇藏铁路工程即将上马之时，有必要回顾青藏铁路一期工程的科研工作，转变方式，加大前期科研工作的力度，研制、改造、选择适应高原施工的机电装备。
尤其是青藏铁路二期工程建设的自然条件较一期更为严酷，所处地区海拔高、人烟稀少，必须依靠机械化施工。
机械设备的高原适应性问题将更为突出，科研准备工作更显重要。
3青藏、滇藏铁路沿线基本情况
青藏铁路是我国铁路网的重要组成部分，全长1925km。
一期工程由青海省西宁出发，越日月山，沿祁连山西行到达西部重镇格尔木市，已于80年代建成营运。
二期工程起点是格尔木市，经昆仑山、可可西里山、风火山、唐古拉山及念青唐古拉山等山脉，途经西大滩、五道梁、风火山、托托河、温泉、安多、那曲、当雄、羊八井，终点为西藏自治区首府拉萨市，长约1100km，此段铁路将纵贯高原腹地，沿线气候条件严酷，海拔高度均在4000米以上，预算投资约150亿元，计划7年完成。
滇藏铁路起点为云南省大理，途经丽江、边塘、昌都、波密、林芝，终点为西藏自治区首府拉萨市，全长2000km，平均海拔高度3000米以上，预算投资560亿元，计划10年完成。
滇藏铁路桥涵隧道多，投资大，工期长，工程量大，对施工机械要求品种多、质量高。
4高原环境对施工机械的影响
随海拔升高，大气压下降，空气密度、含氧量相应降低；平均气温低，昼夜温差大，年低温期长；有大面积的长年冻土带；气候干燥，降水量少，蒸发量大，紫外线辐射强，风沙大；条件十分艰苦，对道路施工用机电设备造成了极大的影响。
由于高原特殊环境的影响，使得工程机械及其电器、仪表、材料性能下降，直接影响到整机的使用效率、可靠性、耐久性和经济性，甚至许多普通机械装备根本无法进行正常工作。
4.1对以内燃机为动力的工程机械的影响
随海拔升高大气压下降，空气密度减小，空气中的含氧量随之减少，对以内燃机为动力的机械影响十分突出。
对自然吸气的内燃机，由于过量空气系数减少，燃烧恶化，功率、扭矩相应下降，排温、比油耗、烟度值增高，机械作业效率下降、油耗高。
试验表明，海拔每升高1000米，内燃机的功率、扭矩下降8%～13％，油耗上升6%～9％，热强度增加2%～5％，从而使内燃机的动力性、经济性大幅下降。
在建设黄河上游龙羊峡水电站时，工程机械、运输机械的功率损失达31％，ZL40装载机只能在海拔280
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