某發動機試驗中心暖通空調設計

張 濤 郈愛杰 賈雪峰

某發動機試驗中心暖通空調設計

張 濤 郈愛杰 賈雪峰

（中國汽車工業工程有限公司 天津 300013）

以某發動機試驗中心暖通空調設計為例，詳細介紹了發動機臺架試驗室空調、通風系統、防排煙系統設計等，重點分析了試驗室空調負荷、排尾氣風量、全室排風量的計算過程，最后總結了設計及運行中應注意的問題并給出了建議。

發動機試驗室；負荷計算；排尾氣；全室排風

0 工程概況

該發動機試驗中心位于廣西壯族自治區柳州市，屬夏熱冬暖地區；二層工業建筑，建筑高度13.8m，建筑面積13953.53m2：一層為試驗室、試驗室控制室、輔助辦公用房；二層為空調設備間，用來布置服務于一層試驗室的空調通風設備。本工程分兩期建設，一期建設發動機耐久試驗室10間、性能試驗室5間及冷啟動試驗室、冷熱沖擊試驗室等功能房間。耐久試驗室和性能試驗室內各設置試驗臺架一套。

1 設計內容

1.1 設計內容

該試驗中心暖通空調設計內容為發動機試驗室及其輔助房間空調設計；發動機試驗室空調及工藝冷凍水系統設計；全室通風及排尾氣系統設計；防排煙系統設計。

1.2 室內外空調設計參數

1.2.1 室內空調設計參數

根據工藝要求，試驗室空調設計參數如下：

夏季：溫度30±2℃，相對濕度不控制；

冬季：溫度18±2℃，相對濕度不控制。

1.2.2 室外空調設計參數

2 空調系統設計

2.1 空調負荷計算

本工程試驗室夏季供冷，本文提及的空調負荷為冷負荷。試驗室空調負荷影響因素較多，為保證試驗室的工藝要求，本文將空調負荷簡化為得熱量計算，不再區分得熱量中的對流得熱和輻射得熱。

試驗室空調負荷可按式（1）計算：

式（1）中，1為通過維護結構傳入室內的熱量，kW；2為人體散熱量，kW；3為照明燈具散熱量，kW；4為設備、器具、管道及其他內部熱源的散熱量，kW；5為新風冷負荷，kW。

（1）本工程試驗室區域四周為“回”型走廊，使試驗室與室外隔斷成為內區，通過維護結構傳入室內的熱量1占比很小，通常不足5%，可忽略不計[1,2]；

（2）正常試驗進行時，試驗室無人員進入，2為0；

（3）試驗室照明采用隔爆熒光燈，燈具安裝總功率0.43kW；

（4）4主要為試驗室臺架設備、排尾氣系統等的散熱量，在發動機試驗室空調負荷中占比最大。由于大量輻射熱的存在，4也最難確定。目前資料中未有統一的計算方法，本工程采用能量平衡算法及文獻實測算法[3]，并取兩者的較大值，計算過程詳述如下：

根據能量平衡，發動機工作時散發在室內的熱量4可表示為下式：

式（2）中，Q為發動機燃油產生的總熱量，根據工藝專業數據，試驗室單臺臺架汽油質量耗量0.011kg/s，汽油熱值44000kJ/kg，考慮90%的燃燒效率，燃油總熱量Q為435.6kW；Q為發動機散熱中工藝冷卻水帶走的熱量，工藝冷卻水流量20m3/h，冷卻水溫差約5～10℃，計算取7.5℃，得Q為174.17kW；Q為發動機尾氣排放帶走的熱量，可根據式（3）計算得到：

式（3）中，為空氣定壓比熱，取1.01kJ/（kg·K）；尾氣排放量L為1200m3/h，詳述見通風系統設計；根據工藝數據，尾氣排放溫度約800℃，密度0.33kg/m3，與室內空氣溫差Δ取770℃；代入式（3）可得Q為85.55kW；Q為發動機輸出功率，用戶提供數據約90kW。

經計算，發動機臺架設備、排尾氣系統散發在室內的熱量4為85.88kW。

德國某汽車公司對發動機臺架試驗室實測數據顯示：散發在室內的熱量占比20.1%[4]，耗用燃料總熱量435.6kW，則空調負荷中4為87.56kW。

表2 發動機臺架實測能量分配百分比

兩種方法計算的4數值接近，取較大值87.56kW。此外，測功機散發在室內的熱量按額定功率的5%計算[3]，耐久試驗室測功機額定功率250kW，則測功機發熱量為12.5kW。

試驗室房間負荷取1～4之和，共100.49kW。綜合考慮各試驗室使用時間、同時使用系數、試驗工況等因素，試驗室空調采用全空氣一次回風系統，露點送風。

發動機臺架試驗室濕負荷主要來自室外滲透空氣、排放至試驗室地坑內的空調冷凝水。經計算，試驗室的濕負荷為12.55kg/h。

不考慮新風冷負荷，熱濕比計算如下：

經計算，熱濕比值為28826kJ/kg，在焓濕圖中近似為垂直線。

空氣處理焓濕圖如圖1所示。根據式（5）計算并考慮漏風量后試驗室送風量29860m3/h，組合式空調機組選型風量為30000m3/h。

式（5）中，hN為空調室內狀態N點焓值，64.4kJ/kg；hO為空調送風狀態O點焓值，53.8kJ/kg。

（5）新風負荷5計算中，新風量的確定是重點。有些項目中過渡季采用全新風消除室內余熱，此時風管系統龐大，初投資較高、管路布置復雜，且大量室外空氣影響室內溫、濕度的穩定，還增加了過濾器的負擔。

發動機試驗室正常工作時無人員新風量要求且室內須保持微負壓，規范對新最小新風量沒有要求。實際上部分新風就能滿足控制室內CO濃度的要求。參照國內現有發動機試驗室設計經驗，綜合考慮工藝要求、經濟性等因素，本工程采用部分新風，新風量L取空調送風量的20%，即6000m3/h，此時新風負荷5可由式（6）計算得到：

式（6）中，h為夏季室外狀態點焓值，87.4kJ/kg；計算得5為46kW。試驗室空調總負荷為146.49kW。

夏季空調系統耗冷量可由下式計算得到：

式（7）中，h為室內、外混合狀態點焓值，69kJ/kg；計算得Q為152kW，作為選擇空調機組表冷器及調節閥的依據。

2.2 空調冷源及輸配系統

考慮各試驗室試驗工況設置、同時使用系數等因素，該試驗中心設置2臺離心式冷水機組制備空調冷凍水和用于發動機冷卻的工藝冷凍水，考慮同時使用系數，降低了制冷系統設備的安裝容量；冷凍水輸送系統設3臺臥式離心水泵。制冷機組、水泵參數見表3。冷凍水系統采用一次泵變流量，供回水總管間設自力式壓差平衡閥；冷凍水輸配管路采用異程系統，各支管處設數字鎖定平衡閥；末端空氣處理設備冷凍水管路設電動二通閥，隨試驗室負荷的變化調整電動閥門開度從而實現末端空氣處理機組水流量的變化。

表3 制冷機、冷水泵參數表

2.3 空調風系統

各試驗室由于使用時間、工況設置不同等因素，為方便調節與節能考慮，各試驗室設獨立的空調系統，采用組合式空調機組，一次回風露點送風方式將處理后的空氣送入試驗室。新風取自室外進風天窗，經初效過濾器后與回風混合?？照{風管采用鍍鋅鋼板風管，保溫采用難燃B級復合鋁箔橡塑保溫材料。空調通風系統示意圖如圖2所示。

圖2 試驗室空調通風系統示意圖

另外，每個試驗室設置工藝進氣空調為發動機提供標準燃燒空氣，進氣空調風量1200m3/h。風管采用不銹鋼風管，外設保溫，與發動機吸氣口對接部分設置萬向曲臂軟管，可根據發動機吸氣口位置調節。根據試驗室使用特點，設計4臺試驗室合用一套進氣空調裝置，每個房間的進氣空調風管上設電動調節風閥，可根據試驗需求，合理控制，節約能源及投資。

3 通風系統設計

試驗室通風分別設置排尾氣系統與全室排風系統。尾氣排放系統形式通常有混合排風和引射排風，均是通過混合部分室內空氣來降低尾氣的排放溫度，本工程采用混合排風形式，如圖3所示。

圖3 排尾氣混風示意圖

3.1 尾氣排放系統

發動機尾氣中污染物種類主要有CO、NOx等，排放系統設計的重點是排尾氣風量的計算。發動機尾氣排放量1=1200m3/h，溫度1=800℃，密度1=0.33kg/m3，質量1；試驗室混風2，溫度取空調室內溫度2=26℃，密度1=1.20kg/m3，質量2；發動機尾氣混合空氣后的排放量為3，溫度3=120℃，密度3=0.90kg/m3，質量3。根據風量平衡式（8）和熱量平衡式（9），可計算得到1=3623m3/h、2=2387m3/h。

當室內溫度越高，則3越大?？紤]到室內溫度波動的可能性，在3基礎上考慮20%風量裕量后，選擇排尾氣風機風量6000m3/h，系統阻力610Pa。排尾氣風機采用耐高溫防爆風機。

排尾氣風管采用304不銹鋼制作，為防止人員燙傷，采用巖棉保溫，外包不銹鋼薄鋼板作為保護層。根據管道長度，驗算推力并設置波紋管補償器。

3.2 全室排風系統

全室排風主要排除發動機燃料不完全燃燒及排尾氣管道密封不嚴密產生的污染物，如CO，NOx等，其中CO濃度遠遠大于其他物質，為主要污染物。本工程采取室內風平衡模型及主要污染物濃度控制兩種方法計算試驗室排風量，并取兩者的較大值。

由室內風平衡模型計算時，試驗室風平衡見示意圖4。室內空調新風、進氣空調、負壓總進風量8700m3/h，其中負壓風量取房間換氣次數5次/h；計算并考慮裕量后可得全室排風風量2970m3/h。

圖4 試驗室風平衡示意圖

由CO濃度控制要求計算全室排風量時，可采用下式：

通常發動機進行測試時，試驗室內是沒有人的。即使有人進去，也是停機后短時間內進出。若根據MAC=30mg/m3計算全室排風量，風量為9200m3/h，選型風機較大且不符合實際情況。因此CO短時間接觸允許濃度可根據實際情況較標準規定值調高，本工程設置探測器一級報警50ppm（62.5mg/m3），二級報警100ppm（125mg/m3）。根據一級報警設定值，計算的全室排風量為2300m3/h。

因此，選擇上述兩種計算方法的最大值，選型風機風量為3000 m3/h。排風機采用防爆型。實際運行表明，全室排風系統運行效果良好。

4 防排煙系統設計

根據防火規范[6]，本工程一、二層走廊和試驗室控制室設排煙設施。一層設機械排煙系統2個，分別采用屋頂式排煙風機Py-1和Py-2；屋頂式排煙風機Py-3用于二層走廊排煙。排煙系統Py-1劃分7個防煙分區，最大防煙分區面積204m2，Py-1風量25000m3/h；排煙系統Py-2劃分6個防煙分區，最大防煙分區面積177m2，Py-2風量22000m3/h。

當對應區域發生火警時，由消防控制中心或現場手動開啟火警區域所對應的排煙口，其他排煙口則處于關閉狀態，同時連鎖開啟風機入口處的排煙防火閥和排煙風機，系統進入排煙狀態；當風機入口處的排煙防火閥熔斷關閉后，連鎖關閉排煙風機，系統結束排煙狀態。

5 設計體會及建議

本工程2017年竣工投入使用，結合運行中出現的問題，筆者總結了設計體會并給出了建議，與廣大設計者共勉。

（1）臺架設備、排尾氣系統等的散熱量4是試驗室空調負荷計算的重點，由于受設備開動率、高溫輻射等諸多因素的影響，建議采用多種方法計算。本文采用熱平衡法及文獻實測法計算并取較大值參與試驗室空調負荷的計算。

（2）發動機試驗室得熱量大，濕負荷小，熱濕比線在焓濕圖中接近垂直線。室內得熱量中維護結構傳熱量占比小，通常不足5%，因此初步設計時不能采用面積指標法估算空調冷負荷。

（3）進氣空調為發動機提供標準燃燒空氣，根據試驗室使用特點，設計4臺試驗室合用一套進氣空調裝置，每個房間的進氣空調風管上設電動調節風閥，可根據試驗需求，合理控制，節約能源及投資。與發動機吸氣口對接部分設置萬向曲臂軟管，可根據發動機吸氣口位置調節。

（4）該試驗中心制冷機房設離心式冷水機組制備冷凍水，考慮各試驗室的同時使用系數，降低制冷系統的設備安裝容量，節約初投資和運行費用。冷凍水系統采用一次泵變流量，供回水總管間設自力式壓差平衡閥，末端空氣處理設備冷凍水管路設電動二通閥，隨空調負荷的變化調節電動閥門開度，運行效果良好。

（5）試驗室通風系統設計主要用來排除發動機燃油產生的污染物CO，試驗室內設置CO探測器并連鎖消防報警系統。CO濃度探測設計參照《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》條文“同一種氣體，既屬可燃氣體又屬有毒氣體時，應只設置有毒氣體探測器”[7]，參照有人工作場所，從保護人員的角度，按有毒氣體濃度限值規定，將試驗室的MAC濃度值設為30mg/m3。實際運行中經常發生CO濃度超標報警的現象。發動機試驗室不同于有人工作場所，正常工作時試驗室無人，CO報警值應設為何值，國家標準尚無規定。

實測發現，發動機轉速提高、燃油效率降低等產生的CO，經房間內的有效通風換氣后，濃度可迅速降低到30mg/m3以下；發動機長期在中低轉速運行，CO逸散量很少，室內基本不會達到對人體有害的CO濃度。如果僅為了滿足參照標準而把限值設置到標準以下，為了不出現消防報警，需要增加設備投資及運行費用，局部排風系統也可能影響試驗空間，并不經濟實用。因此建議發動機試驗室CO濃度探測器設定值適當放寬到發動機高轉速情況下實際散發的CO濃度以上或者在滿足參照規范要求的情況下，設置兩套CO探測裝置，分別按有毒氣體濃度限值和可燃氣體濃度限值設定報警值，滿足對進入試驗室人員保護的同時，又滿足消防系統的要求且相對經濟。

[1] 許兵.上海汽車工業技術中心發動機試驗室空調設計[J].上海汽車,1996,(1):28-32.

[2] 鄒奕,李鵬.汽車試驗室通風空調系統設計要點探討[J].城市建設理論研究(電子版),2012,35.

[3] 周一芳,周邦寧.發動機試驗室的通風（空調）熱負荷計算[J].制冷與空調,2013,27(6):626-628.

[4] 康健.汽車發動機試驗室的空調設計[J].制冷技術,2004, (3):23-25.

[5] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[6] GB 50016-2014,建筑設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[7] GB 50493-2009,石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

Heating Ventilating and Air Conditioning System Design for an Engine Test Center

Zhang Tao Hou Aijie Jia Xuefeng

( China Automotive Engineering Co., Ltd, Tianjin, 300013 )

Taking the heating ventilating and air conditioning system for an engine test center as an example, the paper introduces the design of air conditioning, ventilating system and smoke control system of the engine bench test room in detail, and analyzes the calculation process of the air conditioning load, exhaust gas volume and general exhaust air quantity of the laboratory. Finally, the paper summarizes some problems that should be paid attention to during the design and operation period and gives suggestions.

the engine bench test room; load calculation; gas exhaust; general exhaust

TU83

B

1671-6612（2020）03-363-06

張 濤（1981.2-），男，本科，高級工程師，E-mail：houaijie1218@163.com

2019-08-05