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機房設計與設備安裝 |
柴油發(fā)電機組的地基、排煙管背壓和進(jìn)排風(fēng)井的計算公式 |
摘要：突發(fā)性地停電將會(huì )嚴重阻礙經(jīng)濟運作和通信設施等相關(guān)領(lǐng)域的正常運作，這就需要一臺柴油發(fā)電機組的來(lái)證供電系統的穩定性。首先我們應知道選擇一臺高效可靠的發(fā)電機組=優(yōu)質(zhì)發(fā)動(dòng)機+優(yōu)質(zhì)發(fā)電機+優(yōu)質(zhì)配套工藝；而要使柴油發(fā)電機組達到最大的功率，其一是保證柴油機和發(fā)電機之間具備科學(xué)的連接結構，其二是要求認真遵守柴油發(fā)電機組的安裝規范，保證高精度的零件質(zhì)量和高水平的安裝質(zhì)量。
一、排煙系統的設計與安裝要求
文中對地下室柴油發(fā)電機房的通風(fēng)系統作了歸納與總結，同時(shí)對各種通風(fēng)系統通風(fēng)量的計算與氣流組織進(jìn)行了詳細的闡述。全面通風(fēng)系統的通風(fēng)量一般按照換氣次數法進(jìn)行計算。發(fā)電機組的進(jìn)排風(fēng)系統是發(fā)電機房的通風(fēng)設計中最主要的部分，文中對柴油發(fā)電機組的散熱量、排風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)量的計算給出了詳細的計算公式，同時(shí)對公式里部分參數的取值也給出了規定。文中對機房通風(fēng)系統的氣流組織作了重點(diǎn)說(shuō)明，輔以圖示的方式，對水冷及風(fēng)冷發(fā)電機組的通風(fēng)形式、機房進(jìn)風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井及排煙豎井的設置位置進(jìn)行了詳細描述。對部分典型的柴油發(fā)電機房進(jìn)排風(fēng)口的面積也以列表的方式給出了估算參考。文中指出，在儲油間的排風(fēng)系統設計中應特別注意，在排風(fēng)管穿越儲油間的防火墻上，應設置70℃關(guān)閉的防火調節閥，同時(shí)排風(fēng)口應為防火風(fēng)口。柴油發(fā)電機組燃燒時(shí)除了會(huì )產(chǎn)生大量熱氣外，還會(huì )產(chǎn)生大量燃燒廢氣，發(fā)電機組的排煙系統也就是將柴油機氣缸燃燒后產(chǎn)生的廢氣排至室外。在該部分的設計中，文中主要對發(fā)電機組排煙管的敷設要求、排煙管的防噪及保溫作出了說(shuō)明，同時(shí)對排煙管保溫層的厚度以列表的形式進(jìn)行了說(shuō)明，應特別注意，排煙管的保溫厚度與排煙管外徑及排煙管外表面溫度有關(guān)。
1、排煙管安裝要求
（1）應盡量縮短煙管長(cháng)度，減少彎頭個(gè)數，減少消音器阻力及增大煙管直徑。
（2）須通過(guò)波紋管與發(fā)電機組排煙出口相連接以吸收熱膨脹、位移和振動(dòng)。
（3）消音器置于機房?jì)葧r(shí)，根據其尺寸、重量可采用從地面支撐的辦法。
（4）在煙管改變方向的部分，建議安裝膨脹節，以抵消發(fā)電機組運行時(shí)管道的熱膨脹。
（5）90°彎頭的內彎半徑應為管徑的3倍，盡可能靠近發(fā)電機組。
（6）當管路較長(cháng)時(shí)，建議在末端安裝一后級消音器。
（7）住宅用柴油發(fā)電機組排煙終端出口不能直對易燃物質(zhì)或建筑物。
（8）發(fā)電機組排煙出口不得承受重壓，鋼性管路應借助建筑物或鋼結構得以支撐固定。
（9）為防冷凝物倒流入發(fā)電機組，平置的排煙管應有坡度，低端遠離發(fā)動(dòng)機；在消音器及其它冷凝水滴流的管路部分，如煙管垂直轉向處，應設置排水口。
（10）當煙管穿過(guò)易燃屋頂、墻壁或分隔物時(shí)，應加以隔熱套筒及壁外套板。
（11）在條件允許下的情況下，盡可能將絕大部分煙管布置在機房外以減少輻射熱；室內的煙管應加裝隔熱護套。如果受安裝條件限制，須將消音器及其余的管路皆置于室內時(shí)，應用50毫米厚的高密度隔熱材料外加鋁質(zhì)護套將整個(gè)管路包扎隔熱。
（12）管路支撐固定時(shí)應允許熱膨脹的發(fā)生；
（13）煙管的終端應能減少雨水的滴落?？蓪煿芩矫嫔斐?，出口修料或安裝防雨帽。
2、排煙系統的背壓計算
排煙系統背壓可根據P=575LsQ／D來(lái)計算。式中：L為直管及彎頭長(cháng)度(米)；Q為排煙流量(立方米／每分鐘)；D為煙管內徑(厘米)；S為隨排煙絕對溫度的變化關(guān)系；P為背壓(千帕)，必須低于規定的許可背壓值。
表1 排煙管推薦管徑(單位：mm)
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排煙出口管徑
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小于6m
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6-12m
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12-18m
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18-24m
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50
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50
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63
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76
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76
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76
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76
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89
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100
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100
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89
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89
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100
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100
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100
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100
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100
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127
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127
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150
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127
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127
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200
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150
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150
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200
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200
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200
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200
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254
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254
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254
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254
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254
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305
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305
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表1中尺寸僅供參考，設計時(shí)需根據排氣允許壓降及各種消聲器技術(shù)參數而定。
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表2 排煙管保溫層厚度選擇表(單位：mm)
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排煙管外徑(Dw)
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300℃
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350℃
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400℃
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450℃
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500℃
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530℃
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600℃
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57
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60
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60
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60
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80
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40/60
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40/60
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40/80
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73
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40/60
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60
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40/60
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40/60
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40/80
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133
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60
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60
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80
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40/60
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40/60
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40/80
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159
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60
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60
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80
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40/60
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219
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40/100
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273
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40/80
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40/100
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325
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80
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100
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40/60
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40/100
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377
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60
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80
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100
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40/60
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40/100
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426
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60
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80
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100
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40/60
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40/80
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40/100
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表2系按排煙管加保溫層后外表面溫度≤60℃,鞏固中歐環(huán)境溫度20℃而制成。
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二、進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井、排煙井的設計
1、進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)（煙）井面積
民用建筑地下室柴油發(fā)電機房的通風(fēng)主要包含柴發(fā)發(fā)電機組的散熱通風(fēng)、機房環(huán)境通風(fēng)以及燃燒所需空氣通風(fēng)，排煙主要指發(fā)電機組運行時(shí)的煙氣排放。機房通風(fēng)一般通過(guò)設置進(jìn)、排風(fēng)井解決，排煙需要通過(guò)專(zhuān)用煙井盡量高空排放。在實(shí)際工程設計過(guò)程中，需要土建專(zhuān)業(yè)預留進(jìn)、排風(fēng)（煙）井道，首先就需要確定各風(fēng)井的面積。
2、進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井面積的確定
對于風(fēng)冷冷卻的發(fā)電機組，確定進(jìn)、排風(fēng)井的面積，首先要確定進(jìn)、排風(fēng)量，其中排風(fēng)量G排即為維持機房溫度所需的風(fēng)量，而進(jìn)風(fēng)量G進(jìn)等于排風(fēng)量G排和燃燒所需空氣量G燃燒之和。按照全面通風(fēng)的公式，計算維持機房室內溫度所需的風(fēng)量：
G排= Q ...............式（1）
0.377×（tp-tj）
式中∶G排——排風(fēng)量，m³/h；
Q——機房?jì)劝l(fā)熱量（對于開(kāi)式發(fā)電機組，Q為柴油機、發(fā)電機和排煙管的散熱量之和;對于閉式發(fā)電機組，Q為柴油機汽缸冷卻水管和排煙管的散熱量之和），kW；
tp ——— 排風(fēng)溫度，℃；
tj——進(jìn)風(fēng)溫度，℃。
根據式（1），tj 可以根據項目所在地的夏季室外通風(fēng)溫度確定，tP 實(shí)際上包含了柴油發(fā)電機組散熱排風(fēng)溫度和機房環(huán)境排風(fēng)溫度兩個(gè)值，而Q也包含了柴油發(fā)電機組排風(fēng)帶走的熱量和散發(fā)到機房室內需要排風(fēng)機帶走的熱量?jì)蓚€(gè)值，實(shí)際上要想準確確定上述各個(gè)參數是很難的。在工程設計中建議采用實(shí)操性較強的方式確定風(fēng)量：將排風(fēng)量G排拆分為柴油發(fā)電機組本身的散熱通風(fēng)量G柴發(fā)排，此部分根據廠(chǎng)家樣本取值，而機房排風(fēng)量G機房排可以參考GB 50041 - 2020《鍋爐房設計標準》的要求，地下室柴油發(fā)電機房的通風(fēng)換氣量按照不小于12次 /h設計，將這兩部分的和值確定為排風(fēng)量G排；而進(jìn)風(fēng)量則通過(guò)式（2）計算：
G進(jìn) = G排 + G燃燒 ...............式（2）
式中：G燃燒 —— 燃燒空氣量，m³/ h。
G燃燒可以根據7m³/kW.h的發(fā)電機組額定功率計算或根據廠(chǎng)家樣本選取。確定了機房進(jìn)風(fēng)量G進(jìn)和排風(fēng)量G排 ，則可以根據式（3）確定風(fēng)井面積：
S = G / 3600.V...............式（3）
式中：S————風(fēng)井面積，m²；
G————進(jìn)風(fēng)量或排風(fēng)量，m³/h；
V————風(fēng)井流速，m/s。
V的取值沒(méi)有明確的規范規定，只有經(jīng)驗數據，一般來(lái)說(shuō)，柴油發(fā)電機房采用自然進(jìn)風(fēng)方式時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)井的風(fēng)速宜取3 ~ 5 m / s，排風(fēng)風(fēng)井的風(fēng)速宜取4 ~ 6 m / s，如果風(fēng)速取值過(guò)大，對自然進(jìn)風(fēng)不利，室內容易形成過(guò)度負壓，影響發(fā)電機組運行；如果風(fēng)速取值過(guò)小，則土建專(zhuān)業(yè)在預留風(fēng)井時(shí)會(huì )有很大的難度。同時(shí)校核排風(fēng)口的面積不宜小于柴油發(fā)電機組散熱器面積的1.5倍，進(jìn)風(fēng)口面積不宜小于發(fā)電機組散熱器面積的1.6倍，室外百葉按照遮擋系數0.6折算，加大百葉面積。如果受限于土建條件，風(fēng)井風(fēng)速超過(guò)上述推薦值，則需要提資暖通專(zhuān)業(yè)，考慮采用機械進(jìn)風(fēng)方式。
3、排煙井面積的確定
確定排煙井的面積首先也要確定柴油發(fā)電機組的排煙量，柴油發(fā)電機組的排煙量一般由廠(chǎng)家選型樣本提供，再根據排煙量和煙囪路徑核算煙囪尺寸。選用的煙囪尺寸需要保證：
P背壓 + P抽力 ≥ P阻力
式中∶P背壓——發(fā)電機組的排氣背壓，Pa；
P抽力——豎向煙道的自然抽力，Pa；
P阻力——煙囪總阻力，Pa。
● 其中，P 背壓 由選型廠(chǎng)家提供，P 抽力由式（4）計算：
P抽力=0.0345H{[1/(273+tb)]-[1/(273+tf)]}B...............式（4）
式中H———煙囪的垂直高度，m；
tb———室外空氣溫度，℃；
tf———煙囪管道平均溫度，℃；
B————大氣壓力，Pa。
● 其中，t f 由選型廠(chǎng)家提供，而P 阻力 則由式（5）計算：
P抽力=[λ(H/d)+ζ]（V2煙氣/2）ρ...............式（5）
式中∶λ——煙壁阻力系數，取0.03；
H——煙囪沿程管道總長(cháng)度，m；
d——煙囪內徑，m；
ξ——局部阻力系數（90°彎頭取0.7，緩彎取0.3，三通取1.0，30°變徑取0.5，煙囪出口阻力系統取1.1，煙囪的消聲器局部阻力由廠(chǎng)家提供，當無(wú)資料時(shí)可取2）;
V煙氣—— 煙囪內煙氣流速，m/s；
p———煙氣密度，kg/m²。
● 其中，V 煙氣 、ρ分別由式（6）、式（7）計算：
V煙氣=G煙氣 /｛3600（πd2/4）｝...............式（6）
ρ = ｛273/（273+tf）｝×1.34...............式（7）
式中∶G煙氣——煙氣排放量（由選型廠(chǎng)家提供），m3/h。
假定煙囪內徑d，再根據上述各公式確定是否滿(mǎn)足發(fā)電機組背壓與抽力之和大于煙囪總阻力，從而確定煙囪內徑，同時(shí)可以得知當煙囪內徑越大，彎頭越少，則阻力越小，但煙囪的成本也越高，土建預留的井道也越大，因此需要合理計算。在初步設計階段，也可以根據煙氣流量及煙氣流速V 煙氣 = 30 m / s預估煙囪內徑。
計算確定煙囪內徑d后，考慮煙囪外包巖棉保溫層100 mm厚，煙囪距管井各邊墻面預留150 mm安裝間隙（剪力墻一邊留350 mm），以此確定煙井尺寸。
三、進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井和排煙井實(shí)施方案
根據康明斯公司多年來(lái)的項目設計經(jīng)驗，柴油發(fā)電機房的進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井和排煙井實(shí)施方案主要有以下幾種類(lèi)型，可適用于絕大部分項目，以供柴發(fā)機房設計人員參考。
1、地面進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)實(shí)施方案
此方案進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)、排煙井升出地面，需要考慮管井避免影響地面道路及建筑美觀(guān)，可藏于景觀(guān)綠化區，進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口、排煙口分別朝相反方向，避免氣流短路，實(shí)施案例如圖1所示，此案例柴油發(fā)電機房設置于地下2層（最底層），因地下2層層高較低，采用地下1層、地下2層兩層通高做柴油發(fā)電機房，機房煙氣經(jīng)處理后可滿(mǎn)足排放要求。
圖3 進(jìn)風(fēng)_排風(fēng)_排煙井出地面設計方案圖
2、中庭采光天井進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)實(shí)施方案
部分項目地下室設置有采光天井（無(wú)頂蓋），此時(shí)可利用采光天井作為柴油發(fā)電機房的新風(fēng)取風(fēng)點(diǎn)，另在附近首層靠建筑外墻處（盡量選建筑背面）設置排風(fēng)井，1層側墻設置排風(fēng)百葉口，貼鄰電梯井道或垂直樓梯間設排煙井上屋面，實(shí)施案例如圖2所示。此案例柴油發(fā)電機房設置于地下2層（最底層），層高不滿(mǎn)足機房要求，因機房面積較大，兩層通高方案不適用，故設計采用降板解決層高不足；另考慮雨天采光天井易形成積水，柴油發(fā)電機房降板又是建筑最低點(diǎn)，故設計采取加強防水排水措施，在機房靠采光天井處設置截水溝，并設置專(zhuān)用排水泵，滿(mǎn)足暴雨時(shí)的排水要求。
圖4 中庭采光天井進(jìn)風(fēng)_排風(fēng)計方案圖
3、車(chē)道進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)實(shí)施方案
有些項目受土建條件限制，很難找到理想的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)井，此時(shí)也可考慮利用地下車(chē)庫入口車(chē)道作為柴油發(fā)電機房的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)點(diǎn)，此方案機房一般位于車(chē)道下方，需要注意機房層高是否滿(mǎn)足要求。此案例機房進(jìn)風(fēng)在車(chē)道入口坡道側墻取風(fēng)，機房排風(fēng)利用坡道另一側設置排風(fēng)井出1層地面側墻開(kāi)百葉，為了滿(mǎn)足機房?jì)舾咭?，機房設置位置與進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井不能貼鄰，故采用設置進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)道作為連通機房的通道，可以滿(mǎn)足要求，但風(fēng)道不宜過(guò)長(cháng)，否則進(jìn)、排風(fēng)阻力增大。
4、建筑外墻進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)實(shí)施方案
當利用建筑外墻區域作為進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)點(diǎn)時(shí)，很難找到不同側進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)的條件，采用同側進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井布置實(shí)施案例如圖3所示。此案例機房設置于地下2層（共地下3層），因地下室設置機械車(chē)位，層高較高，機房?jì)舾叽笥?.0 m，可滿(mǎn)足要求，進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井靠建筑外墻同側設置，為了避免氣流短路，進(jìn)風(fēng)井、排風(fēng)井間隔開(kāi)分別設置于機房?jì)啥?，進(jìn)風(fēng)口設置于排風(fēng)口上風(fēng)側，同時(shí)進(jìn)風(fēng)井在1層側墻開(kāi)百葉取新風(fēng)，排風(fēng)井上到2層側墻開(kāi)百葉排風(fēng)（排風(fēng)口高出進(jìn)風(fēng)口 ＞ 6 m），機房排煙井貼鄰電梯井道邊設置并上裙房屋面。
圖5 建筑外墻引風(fēng)_排風(fēng)計方案圖
總結：
通過(guò)本次對發(fā)電機組用柴油機的基本概述和安裝結構重點(diǎn)事項的計算分析，認識到安裝電發(fā)電機組設計質(zhì)量好壞是影響柴油機正常工作的關(guān)鍵，我們應繼續加強設計驗證手段，提高其安全系數，保證機車(chē)運行的高效性和可靠性。
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