某發(fā)動機試驗中心暖通空調(diào)設(shè)計

張 濤 郈愛杰 賈雪峰

某發(fā)動機試驗中心暖通空調(diào)設(shè)計

張 濤 郈愛杰 賈雪峰

（中國汽車工業(yè)工程有限公司 天津 300013）

以某發(fā)動機試驗中心暖通空調(diào)設(shè)計為例，詳細介紹了發(fā)動機臺架試驗室空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)設(shè)計等，重點分析了試驗室空調(diào)負荷、排尾氣風(fēng)量、全室排風(fēng)量的計算過程，最后總結(jié)了設(shè)計及運行中應(yīng)注意的問題并給出了建議。

發(fā)動機試驗室；負荷計算；排尾氣；全室排風(fēng)

0 工程概況

該發(fā)動機試驗中心位于廣西壯族自治區(qū)柳州市，屬夏熱冬暖地區(qū)；二層工業(yè)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(diào)設(shè)備間，用來布置服務(wù)于一層試驗室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備。本工程分兩期建設(shè)，一期建設(shè)發(fā)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(nèi)各設(shè)置試驗臺架一套。

1 設(shè)計內(nèi)容

1.1 設(shè)計內(nèi)容

該試驗中心暖通空調(diào)設(shè)計內(nèi)容為發(fā)動機試驗室及其輔助房間空調(diào)設(shè)計；發(fā)動機試驗室空調(diào)及工藝冷凍水系統(tǒng)設(shè)計；全室通風(fēng)及排尾氣系統(tǒng)設(shè)計；防排煙系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計參數(shù)

1.2.1 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)工藝要求，試驗室空調(diào)設(shè)計參數(shù)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(diào)設(shè)計參數(shù)

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 空調(diào)負荷計算

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

試驗室空調(diào)負荷可按式（1）計算：

式（1）中，1為通過維護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)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(shè)備、器具、管道及其他內(nèi)部熱源的散熱量，kW；5為新風(fēng)冷負荷，kW。

（1）本工程試驗室區(qū)域四周為“回”型走廊，使試驗室與室外隔斷成為內(nèi)區(qū)，通過維護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)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(shè)備、排尾氣系統(tǒng)等的散熱量，在發(fā)動機試驗室空調(diào)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(tǒng)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(jù)能量平衡，發(fā)動機工作時散發(fā)在室內(nèi)的熱量4可表示為下式：

式（2）中，Q為發(fā)動機燃油產(chǎn)生的總熱量，根據(jù)工藝專業(yè)數(shù)據(jù)，試驗室單臺臺架汽油質(zhì)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(fā)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(fā)動機尾氣排放帶走的熱量，可根據(jù)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計；根據(jù)工藝數(shù)據(jù)，尾氣排放溫度約800℃，密度0.33kg/m3，與室內(nèi)空氣溫差Δ取770℃；代入式（3）可得Q為85.55kW；Q為發(fā)動機輸出功率，用戶提供數(shù)據(jù)約90kW。

經(jīng)計算，發(fā)動機臺架設(shè)備、排尾氣系統(tǒng)散發(fā)在室內(nèi)的熱量4為85.88kW。

德國某汽車公司對發(fā)動機臺架試驗室實測數(shù)據(jù)顯示：散發(fā)在室內(nèi)的熱量占比20.1%[4]，耗用燃料總熱量435.6kW，則空調(diào)負荷中4為87.56kW。

表2 發(fā)動機臺架實測能量分配百分比

兩種方法計算的4數(shù)值接近，取較大值87.56kW。此外，測功機散發(fā)在室內(nèi)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(fā)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(shù)、試驗工況等因素，試驗室空調(diào)采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，露點送風(fēng)。

發(fā)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(nèi)的空調(diào)冷凝水。經(jīng)計算，試驗室的濕負荷為12.55kg/h。

不考慮新風(fēng)冷負荷，熱濕比計算如下：

經(jīng)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(jù)式（5）計算并考慮漏風(fēng)量后試驗室送風(fēng)量29860m3/h，組合式空調(diào)機組選型風(fēng)量為30000m3/h。

式（5）中，hN為空調(diào)室內(nèi)狀態(tài)N點焓值，64.4kJ/kg；hO為空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)O點焓值，53.8kJ/kg。

（5）新風(fēng)負荷5計算中，新風(fēng)量的確定是重點。有些項目中過渡季采用全新風(fēng)消除室內(nèi)余熱，此時風(fēng)管系統(tǒng)龐大，初投資較高、管路布置復(fù)雜，且大量室外空氣影響室內(nèi)溫、濕度的穩(wěn)定，還增加了過濾器的負擔(dān)。

發(fā)動機試驗室正常工作時無人員新風(fēng)量要求且室內(nèi)須保持微負壓，規(guī)范對新最小新風(fēng)量沒有要求。實際上部分新風(fēng)就能滿足控制室內(nèi)CO濃度的要求。參照國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動機試驗室設(shè)計經(jīng)驗，綜合考慮工藝要求、經(jīng)濟性等因素，本工程采用部分新風(fēng)，新風(fēng)量L取空調(diào)送風(fēng)量的20%，即6000m3/h，此時新風(fēng)負荷5可由式（6）計算得到：

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

夏季空調(diào)系統(tǒng)耗冷量可由下式計算得到：

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

2.2 空調(diào)冷源及輸配系統(tǒng)

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

表3 制冷機、冷水泵參數(shù)表

2.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

各試驗室由于使用時間、工況設(shè)置不同等因素，為方便調(diào)節(jié)與節(jié)能考慮，各試驗室設(shè)獨立的空調(diào)系統(tǒng)，采用組合式空調(diào)機組，一次回風(fēng)露點送風(fēng)方式將處理后的空氣送入試驗室。新風(fēng)取自室外進風(fēng)天窗，經(jīng)初效過濾器后與回風(fēng)混合?？照{(diào)風(fēng)管采用鍍鋅鋼板風(fēng)管，保溫采用難燃B級復(fù)合鋁箔橡塑保溫材料?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 試驗室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

另外，每個試驗室設(shè)置工藝進氣空調(diào)為發(fā)動機提供標準燃燒空氣，進氣空調(diào)風(fēng)量1200m3/h。風(fēng)管采用不銹鋼風(fēng)管，外設(shè)保溫，與發(fā)動機吸氣口對接部分設(shè)置萬向曲臂軟管，可根據(jù)發(fā)動機吸氣口位置調(diào)節(jié)。根據(jù)試驗室使用特點，設(shè)計4臺試驗室合用一套進氣空調(diào)裝置，每個房間的進氣空調(diào)風(fēng)管上設(shè)電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥，可根據(jù)試驗需求，合理控制，節(jié)約能源及投資。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

試驗室通風(fēng)分別設(shè)置排尾氣系統(tǒng)與全室排風(fēng)系統(tǒng)。尾氣排放系統(tǒng)形式通常有混合排風(fēng)和引射排風(fēng)，均是通過混合部分室內(nèi)空氣來降低尾氣的排放溫度，本工程采用混合排風(fēng)形式，如圖3所示。

圖3 排尾氣混風(fēng)示意圖

3.1 尾氣排放系統(tǒng)

發(fā)動機尾氣中污染物種類主要有CO、NOx等，排放系統(tǒng)設(shè)計的重點是排尾氣風(fēng)量的計算。發(fā)動機尾氣排放量1=1200m3/h，溫度1=800℃，密度1=0.33kg/m3，質(zhì)量1；試驗室混風(fēng)2，溫度取空調(diào)室內(nèi)溫度2=26℃，密度1=1.20kg/m3，質(zhì)量2；發(fā)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(zhì)量3。根據(jù)風(fēng)量平衡式（8）和熱量平衡式（9），可計算得到1=3623m3/h、2=2387m3/h。

當(dāng)室內(nèi)溫度越高，則3越大?？紤]到室內(nèi)溫度波動的可能性，在3基礎(chǔ)上考慮20%風(fēng)量裕量后，選擇排尾氣風(fēng)機風(fēng)量6000m3/h，系統(tǒng)阻力610Pa。排尾氣風(fēng)機采用耐高溫防爆風(fēng)機。

排尾氣風(fēng)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(jù)管道長度，驗算推力并設(shè)置波紋管補償器。

3.2 全室排風(fēng)系統(tǒng)

全室排風(fēng)主要排除發(fā)動機燃料不完全燃燒及排尾氣管道密封不嚴密產(chǎn)生的污染物，如CO，NOx等，其中CO濃度遠遠大于其他物質(zhì)，為主要污染物。本工程采取室內(nèi)風(fēng)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(fēng)量，并取兩者的較大值。

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

圖4 試驗室風(fēng)平衡示意圖

由CO濃度控制要求計算全室排風(fēng)量時，可采用下式：

通常發(fā)動機進行測試時，試驗室內(nèi)是沒有人的。即使有人進去，也是停機后短時間內(nèi)進出。若根據(jù)MAC=30mg/m3計算全室排風(fēng)量，風(fēng)量為9200m3/h，選型風(fēng)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(jù)實際情況較標準規(guī)定值調(diào)高，本工程設(shè)置探測器一級報警50ppm（62.5mg/m3），二級報警100ppm（125mg/m3）。根據(jù)一級報警設(shè)定值，計算的全室排風(fēng)量為2300m3/h。

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

4 防排煙系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)防火規(guī)范[6]，本工程一、二層走廊和試驗室控制室設(shè)排煙設(shè)施。一層設(shè)機械排煙系統(tǒng)2個，分別采用屋頂式排煙風(fēng)機Py-1和Py-2；屋頂式排煙風(fēng)機Py-3用于二層走廊排煙。排煙系統(tǒng)Py-1劃分7個防煙分區(qū)，最大防煙分區(qū)面積204m2，Py-1風(fēng)量25000m3/h；排煙系統(tǒng)Py-2劃分6個防煙分區(qū)，最大防煙分區(qū)面積177m2，Py-2風(fēng)量22000m3/h。

當(dāng)對應(yīng)區(qū)域發(fā)生火警時，由消防控制中心或現(xiàn)場手動開啟火警區(qū)域所對應(yīng)的排煙口，其他排煙口則處于關(guān)閉狀態(tài)，同時連鎖開啟風(fēng)機入口處的排煙防火閥和排煙風(fēng)機，系統(tǒng)進入排煙狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)機入口處的排煙防火閥熔斷關(guān)閉后，連鎖關(guān)閉排煙風(fēng)機，系統(tǒng)結(jié)束排煙狀態(tài)。

5 設(shè)計體會及建議

本工程2017年竣工投入使用，結(jié)合運行中出現(xiàn)的問題，筆者總結(jié)了設(shè)計體會并給出了建議，與廣大設(shè)計者共勉。

（1）臺架設(shè)備、排尾氣系統(tǒng)等的散熱量4是試驗室空調(diào)負荷計算的重點，由于受設(shè)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(diào)負荷的計算。

（2）發(fā)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(nèi)得熱量中維護結(jié)構(gòu)傳熱量占比小，通常不足5%，因此初步設(shè)計時不能采用面積指標法估算空調(diào)冷負荷。

（3）進氣空調(diào)為發(fā)動機提供標準燃燒空氣，根據(jù)試驗室使用特點，設(shè)計4臺試驗室合用一套進氣空調(diào)裝置，每個房間的進氣空調(diào)風(fēng)管上設(shè)電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥，可根據(jù)試驗需求，合理控制，節(jié)約能源及投資。與發(fā)動機吸氣口對接部分設(shè)置萬向曲臂軟管，可根據(jù)發(fā)動機吸氣口位置調(diào)節(jié)。

（4）該試驗中心制冷機房設(shè)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(shù)，降低制冷系統(tǒng)的設(shè)備安裝容量，節(jié)約初投資和運行費用。冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量，供回水總管間設(shè)自力式壓差平衡閥，末端空氣處理設(shè)備冷凍水管路設(shè)電動二通閥，隨空調(diào)負荷的變化調(diào)節(jié)電動閥門開度，運行效果良好。

（5）試驗室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計主要用來排除發(fā)動機燃油產(chǎn)生的污染物CO，試驗室內(nèi)設(shè)置CO探測器并連鎖消防報警系統(tǒng)。CO濃度探測設(shè)計參照《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》條文“同一種氣體，既屬可燃氣體又屬有毒氣體時，應(yīng)只設(shè)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(guī)定，將試驗室的MAC濃度值設(shè)為30mg/m3。實際運行中經(jīng)常發(fā)生CO濃度超標報警的現(xiàn)象。發(fā)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(yīng)設(shè)為何值，國家標準尚無規(guī)定。

實測發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高、燃油效率降低等產(chǎn)生的CO，經(jīng)房間內(nèi)的有效通風(fēng)換氣后，濃度可迅速降低到30mg/m3以下；發(fā)動機長期在中低轉(zhuǎn)速運行，CO逸散量很少，室內(nèi)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(shè)置到標準以下，為了不出現(xiàn)消防報警，需要增加設(shè)備投資及運行費用，局部排風(fēng)系統(tǒng)也可能影響試驗空間，并不經(jīng)濟實用。因此建議發(fā)動機試驗室CO濃度探測器設(shè)定值適當(dāng)放寬到發(fā)動機高轉(zhuǎn)速情況下實際散發(fā)的CO濃度以上或者在滿足參照規(guī)范要求的情況下，設(shè)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(shè)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(tǒng)的要求且相對經(jīng)濟。

[1] 許兵.上海汽車工業(yè)技術(shù)中心發(fā)動機試驗室空調(diào)設(shè)計[J].上海汽車,1996,(1):28-32.

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[4] 康健.汽車發(fā)動機試驗室的空調(diào)設(shè)計[J].制冷技術(shù),2004, (3):23-25.

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[6] GB 50016-2014,建筑設(shè)計防火規(guī)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(shè)計規(guī)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