某发动机试验中心暖通空调设计

张 涛 郈爱杰 贾雪峰

某发动机试验中心暖通空调设计

张 涛 郈爱杰 贾雪峰

（中国汽车工业工程有限公司 天津 300013）

以某发动机试验中心暖通空调设计为例，详细介绍了发动机台架试验室空调、通风系统、防排烟系统设计等，重点分析了试验室空调负荷、排尾气风量、全室排风量的计算过程，最后总结了设计及运行中应注意的问题并给出了建议。

发动机试验室；负荷计算；排尾气；全室排风

0 工程概况

该发动机试验中心位于广西壮族自治区柳州市，属夏热冬暖地区；二层工业建筑，建筑高度13.8m，建筑面积13953.53m2：一层为试验室、试验室控制室、辅助办公用房；二层为空调设备间，用来布置服务于一层试验室的空调通风设备。本工程分两期建设，一期建设发动机耐久试验室10间、性能试验室5间及冷启动试验室、冷热冲击试验室等功能房间。耐久试验室和性能试验室内各设置试验台架一套。

1 设计内容

1.1 设计内容

该试验中心暖通空调设计内容为发动机试验室及其辅助房间空调设计；发动机试验室空调及工艺冷冻水系统设计；全室通风及排尾气系统设计；防排烟系统设计。

1.2 室内外空调设计参数

1.2.1 室内空调设计参数

根据工艺要求，试验室空调设计参数如下：

夏季：温度30±2℃，相对湿度不控制；

冬季：温度18±2℃，相对湿度不控制。

1.2.2 室外空调设计参数

2 空调系统设计

2.1 空调负荷计算

本工程试验室夏季供冷，本文提及的空调负荷为冷负荷。试验室空调负荷影响因素较多，为保证试验室的工艺要求，本文将空调负荷简化为得热量计算，不再区分得热量中的对流得热和辐射得热。

试验室空调负荷可按式（1）计算：

式（1）中，1为通过维护结构传入室内的热量，kW；2为人体散热量，kW；3为照明灯具散热量，kW；4为设备、器具、管道及其他内部热源的散热量，kW；5为新风冷负荷，kW。

（1）本工程试验室区域四周为“回”型走廊，使试验室与室外隔断成为内区，通过维护结构传入室内的热量1占比很小，通常不足5%，可忽略不计[1,2]；

（2）正常试验进行时，试验室无人员进入，2为0；

（3）试验室照明采用隔爆荧光灯，灯具安装总功率0.43kW；

（4）4主要为试验室台架设备、排尾气系统等的散热量，在发动机试验室空调负荷中占比最大。由于大量辐射热的存在，4也最难确定。目前资料中未有统一的计算方法，本工程采用能量平衡算法及文献实测算法[3]，并取两者的较大值，计算过程详述如下：

根据能量平衡，发动机工作时散发在室内的热量4可表示为下式：

式（2）中，Q为发动机燃油产生的总热量，根据工艺专业数据，试验室单台台架汽油质量耗量0.011kg/s，汽油热值44000kJ/kg，考虑90%的燃烧效率，燃油总热量Q为435.6kW；Q为发动机散热中工艺冷却水带走的热量，工艺冷却水流量20m3/h，冷却水温差约5～10℃，计算取7.5℃，得Q为174.17kW；Q为发动机尾气排放带走的热量，可根据式（3）计算得到：

式（3）中，为空气定压比热，取1.01kJ/（kg·K）；尾气排放量L为1200m3/h，详述见通风系统设计；根据工艺数据，尾气排放温度约800℃，密度0.33kg/m3，与室内空气温差Δ取770℃；代入式（3）可得Q为85.55kW；Q为发动机输出功率，用户提供数据约90kW。

经计算，发动机台架设备、排尾气系统散发在室内的热量4为85.88kW。

德国某汽车公司对发动机台架试验室实测数据显示：散发在室内的热量占比20.1%[4]，耗用燃料总热量435.6kW，则空调负荷中4为87.56kW。

表2 发动机台架实测能量分配百分比

两种方法计算的4数值接近，取较大值87.56kW。此外，测功机散发在室内的热量按额定功率的5%计算[3]，耐久试验室测功机额定功率250kW，则测功机发热量为12.5kW。

试验室房间负荷取1～4之和，共100.49kW。综合考虑各试验室使用时间、同时使用系数、试验工况等因素，试验室空调采用全空气一次回风系统，露点送风。

发动机台架试验室湿负荷主要来自室外渗透空气、排放至试验室地坑内的空调冷凝水。经计算，试验室的湿负荷为12.55kg/h。

不考虑新风冷负荷，热湿比计算如下：

经计算，热湿比值为28826kJ/kg，在焓湿图中近似为垂直线。

空气处理焓湿图如图1所示。根据式（5）计算并考虑漏风量后试验室送风量29860m3/h，组合式空调机组选型风量为30000m3/h。

式（5）中，hN为空调室内状态N点焓值，64.4kJ/kg；hO为空调送风状态O点焓值，53.8kJ/kg。

（5）新风负荷5计算中，新风量的确定是重点。有些项目中过渡季采用全新风消除室内余热，此时风管系统庞大，初投资较高、管路布置复杂，且大量室外空气影响室内温、湿度的稳定，还增加了过滤器的负担。

发动机试验室正常工作时无人员新风量要求且室内须保持微负压，规范对新最小新风量没有要求。实际上部分新风就能满足控制室内CO浓度的要求。参照国内现有发动机试验室设计经验，综合考虑工艺要求、经济性等因素，本工程采用部分新风，新风量L取空调送风量的20%，即6000m3/h，此时新风负荷5可由式（6）计算得到：

式（6）中，h为夏季室外状态点焓值，87.4kJ/kg；计算得5为46kW。试验室空调总负荷为146.49kW。

夏季空调系统耗冷量可由下式计算得到：

式（7）中，h为室内、外混合状态点焓值，69kJ/kg；计算得Q为152kW，作为选择空调机组表冷器及调节阀的依据。

2.2 空调冷源及输配系统

考虑各试验室试验工况设置、同时使用系数等因素，该试验中心设置2台离心式冷水机组制备空调冷冻水和用于发动机冷却的工艺冷冻水，考虑同时使用系数，降低了制冷系统设备的安装容量；冷冻水输送系统设3台卧式离心水泵。制冷机组、水泵参数见表3。冷冻水系统采用一次泵变流量，供回水总管间设自力式压差平衡阀；冷冻水输配管路采用异程系统，各支管处设数字锁定平衡阀；末端空气处理设备冷冻水管路设电动二通阀，随试验室负荷的变化调整电动阀门开度从而实现末端空气处理机组水流量的变化。

表3 制冷机、冷水泵参数表

2.3 空调风系统

各试验室由于使用时间、工况设置不同等因素，为方便调节与节能考虑，各试验室设独立的空调系统，采用组合式空调机组，一次回风露点送风方式将处理后的空气送入试验室。新风取自室外进风天窗，经初效过滤器后与回风混合。空调风管采用镀锌钢板风管，保温采用难燃B级复合铝箔橡塑保温材料。空调通风系统示意图如图2所示。

图2 试验室空调通风系统示意图

另外，每个试验室设置工艺进气空调为发动机提供标准燃烧空气，进气空调风量1200m3/h。风管采用不锈钢风管，外设保温，与发动机吸气口对接部分设置万向曲臂软管，可根据发动机吸气口位置调节。根据试验室使用特点，设计4台试验室合用一套进气空调装置，每个房间的进气空调风管上设电动调节风阀，可根据试验需求，合理控制，节约能源及投资。

3 通风系统设计

试验室通风分别设置排尾气系统与全室排风系统。尾气排放系统形式通常有混合排风和引射排风，均是通过混合部分室内空气来降低尾气的排放温度，本工程采用混合排风形式，如图3所示。

图3 排尾气混风示意图

3.1 尾气排放系统

发动机尾气中污染物种类主要有CO、NOx等，排放系统设计的重点是排尾气风量的计算。发动机尾气排放量1=1200m3/h，温度1=800℃，密度1=0.33kg/m3，质量1；试验室混风2，温度取空调室内温度2=26℃，密度1=1.20kg/m3，质量2；发动机尾气混合空气后的排放量为3，温度3=120℃，密度3=0.90kg/m3，质量3。根据风量平衡式（8）和热量平衡式（9），可计算得到1=3623m3/h、2=2387m3/h。

当室内温度越高，则3越大。考虑到室内温度波动的可能性，在3基础上考虑20%风量裕量后，选择排尾气风机风量6000m3/h，系统阻力610Pa。排尾气风机采用耐高温防爆风机。

排尾气风管采用304不锈钢制作，为防止人员烫伤，采用岩棉保温，外包不锈钢薄钢板作为保护层。根据管道长度，验算推力并设置波纹管补偿器。

3.2 全室排风系统

全室排风主要排除发动机燃料不完全燃烧及排尾气管道密封不严密产生的污染物，如CO，NOx等，其中CO浓度远远大于其他物质，为主要污染物。本工程采取室内风平衡模型及主要污染物浓度控制两种方法计算试验室排风量，并取两者的较大值。

由室内风平衡模型计算时，试验室风平衡见示意图4。室内空调新风、进气空调、负压总进风量8700m3/h，其中负压风量取房间换气次数5次/h；计算并考虑裕量后可得全室排风风量2970m3/h。

图4 试验室风平衡示意图

由CO浓度控制要求计算全室排风量时，可采用下式：

通常发动机进行测试时，试验室内是没有人的。即使有人进去，也是停机后短时间内进出。若根据MAC=30mg/m3计算全室排风量，风量为9200m3/h，选型风机较大且不符合实际情况。因此CO短时间接触允许浓度可根据实际情况较标准规定值调高，本工程设置探测器一级报警50ppm（62.5mg/m3），二级报警100ppm（125mg/m3）。根据一级报警设定值，计算的全室排风量为2300m3/h。

因此，选择上述两种计算方法的最大值，选型风机风量为3000 m3/h。排风机采用防爆型。实际运行表明，全室排风系统运行效果良好。

4 防排烟系统设计

根据防火规范[6]，本工程一、二层走廊和试验室控制室设排烟设施。一层设机械排烟系统2个，分别采用屋顶式排烟风机Py-1和Py-2；屋顶式排烟风机Py-3用于二层走廊排烟。排烟系统Py-1划分7个防烟分区，最大防烟分区面积204m2，Py-1风量25000m3/h；排烟系统Py-2划分6个防烟分区，最大防烟分区面积177m2，Py-2风量22000m3/h。

当对应区域发生火警时，由消防控制中心或现场手动开启火警区域所对应的排烟口，其他排烟口则处于关闭状态，同时连锁开启风机入口处的排烟防火阀和排烟风机，系统进入排烟状态；当风机入口处的排烟防火阀熔断关闭后，连锁关闭排烟风机，系统结束排烟状态。

5 设计体会及建议

本工程2017年竣工投入使用，结合运行中出现的问题，笔者总结了设计体会并给出了建议，与广大设计者共勉。

（1）台架设备、排尾气系统等的散热量4是试验室空调负荷计算的重点，由于受设备开动率、高温辐射等诸多因素的影响，建议采用多种方法计算。本文采用热平衡法及文献实测法计算并取较大值参与试验室空调负荷的计算。

（2）发动机试验室得热量大，湿负荷小，热湿比线在焓湿图中接近垂直线。室内得热量中维护结构传热量占比小，通常不足5%，因此初步设计时不能采用面积指标法估算空调冷负荷。

（3）进气空调为发动机提供标准燃烧空气，根据试验室使用特点，设计4台试验室合用一套进气空调装置，每个房间的进气空调风管上设电动调节风阀，可根据试验需求，合理控制，节约能源及投资。与发动机吸气口对接部分设置万向曲臂软管，可根据发动机吸气口位置调节。

（4）该试验中心制冷机房设离心式冷水机组制备冷冻水，考虑各试验室的同时使用系数，降低制冷系统的设备安装容量，节约初投资和运行费用。冷冻水系统采用一次泵变流量，供回水总管间设自力式压差平衡阀，末端空气处理设备冷冻水管路设电动二通阀，随空调负荷的变化调节电动阀门开度，运行效果良好。

（5）试验室通风系统设计主要用来排除发动机燃油产生的污染物CO，试验室内设置CO探测器并连锁消防报警系统。CO浓度探测设计参照《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》条文“同一种气体，既属可燃气体又属有毒气体时，应只设置有毒气体探测器”[7]，参照有人工作场所，从保护人员的角度，按有毒气体浓度限值规定，将试验室的MAC浓度值设为30mg/m3。实际运行中经常发生CO浓度超标报警的现象。发动机试验室不同于有人工作场所，正常工作时试验室无人，CO报警值应设为何值，国家标准尚无规定。

实测发现，发动机转速提高、燃油效率降低等产生的CO，经房间内的有效通风换气后，浓度可迅速降低到30mg/m3以下；发动机长期在中低转速运行，CO逸散量很少，室内基本不会达到对人体有害的CO浓度。如果仅为了满足参照标准而把限值设置到标准以下，为了不出现消防报警，需要增加设备投资及运行费用，局部排风系统也可能影响试验空间，并不经济实用。因此建议发动机试验室CO浓度探测器设定值适当放宽到发动机高转速情况下实际散发的CO浓度以上或者在满足参照规范要求的情况下，设置两套CO探测装置，分别按有毒气体浓度限值和可燃气体浓度限值设定报警值，满足对进入试验室人员保护的同时，又满足消防系统的要求且相对经济。

[1] 许兵.上海汽车工业技术中心发动机试验室空调设计[J].上海汽车,1996,(1):28-32.

[2] 邹奕,李鹏.汽车试验室通风空调系统设计要点探讨[J].城市建设理论研究(电子版),2012,35.

[3] 周一芳,周邦宁.发动机试验室的通风（空调）热负荷计算[J].制冷与空调,2013,27(6):626-628.

[4] 康健.汽车发动机试验室的空调设计[J].制冷技术,2004, (3):23-25.

[5] GB 50736-2012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[6] GB 50016-2014,建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[7] GB 50493-2009,石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京:中国计划出版社,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

张 涛（1981.2-），男，本科，高级工程师，E-mail：houaijie1218@163.com

2019-08-05