汽车试验室通风空调系统设计要点探讨

邹奕 李鹏

摘要：本文根据近几年已建成的汽车实验室，总结出汽车试验室室内空调冷负荷、通风量计算方法和空调、通风系统设计中注意事项。

关键词：汽车及发动机散热量空调设计 通风设计节能运行

中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：

1 前言

随着我国汽车工业的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，汽车的产销和购车的人数不断增长，因此各个企业都在建设高品质的整车和零部件试验室。如何解决实验室内散热问题，一直是实验室设计的难题之一。以前，国内实验室采用的是以机械通风方式来达到散热目的，但室内温度环境不尽人意。目前国内吸取国外部分实验室设计理念运用空调技术对实验室进行温度及湿度进行控制。

国外试验室技术先进成熟，但由于技术保密原因，国内资料较少。如果需要设计出具有先进理念汽车试验室，则需要深入分析研究，并结合以前完成的试验室的成功经验与失败教训。总结出汽车试验室空调冷负荷、送排风量等正确的计算方法以及运用合理的空调、通风系统对试验环境提供安全可靠的保障。

2汽车试验室空调冷负荷分析

汽车试验室空调冷负荷计算公式为：∑Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

其中：Q1---维护结构冷负荷，kW。

Q2---室内人员发热量，kW。

Q3---室内照明发热量，kW。

Q4---设备发热量，kW。

Q5---室外新风冷负荷。kW。

Q1应根据GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范要求逐项逐时进行计算。

Q2人员散热按轻体力劳动人员确定。

Q3在无资料情况下按照荧光灯10W/m2计算。

Q1,Q2,Q3计算方法与普通建筑相同，只是Q1,Q2,Q3占空调冷负荷比重与普通建筑相比要小很多。一般情况汽车零部件试验室Q1,Q2,Q3占空调冷负荷比重小于50%，整车试验室小于30%，发动机台架试验室小于5%。对于普通建筑而言Q1,Q2,Q3占空调冷负荷比重约为70%。

Q4为试验室设备散热量之和。

试验室设备散热情况十分复杂，想要得到准确的设备散热量，必须认真搜集工艺设备资料，深入分析研究设备工作状态、使用频率及发热来源等详细情况。

在工艺设备中散热量最大的、最难确定的设备是汽车发动机。发动机散热量的计算在台架试验室及整车耐久试验室中是非常重要的。但目前汽车行业上还没有一个关于发动机向室内散热的具体计算方法，设计师仅仅依靠已建成的试验室实测数据进行估算。估算的发动机散热量用于方案设计是可以的，但用于施工图设计就不可靠了。

以某公司提供的实测数据为例，发动机在台架间内工作时的能量分配情况见下表：

燃料燃烧总能量 发动机输出功率31% 发动机驱动功率27.9%

散发在室内的热量3.1%

冷却水带走的热量31% 热量全部带走31%

发动机尾气热量31% 排除室外热量21%

散发在室内的热量10%

发动机振动7% 全部以热能形式散发在室内7%

很显然以上数据只能代表已建成的试验室的发动机散热量，对于将要建设的试验室可以起到参考作用。每个试验室发动机散热量区别是很大的，它取决于发动机排量、试验时间、试验工况、耗油量及配套的冷却设备等因素有关。因此设计人员必须在设计前与用户的工艺人员详细了解试验的试验的过程及有关数据，才能较为准确计算出发动机散热量。

根据能量守恒定律，发动机室内散热量等于发动机燃油产生的能量减去传出室外的能量。根据能量分析，总结出其计算公式为：

Q热=Q油-Q水-Q气-W出

Q热——发动机室内散热量，kW。

Q油——发动机燃油产生的热量，kW。Q油=k.q.G。

其中k为燃油燃烧效率，取0.9~0.95。

q为燃油热值。汽油为10300kcal/kg，柴油为10100kcal/kg。

G为试验时发动机最大小时耗油量，用户应提供资料。

Q水——发动机冷却水带走的热量，kW。Q水=4.18x△TxG

其中△T取5~10℃，根据冷却水塔能量取。

G为冷却水量，m3/s。

Q气——发动机尾气排放热量，kW。Q气=L.P.C. △T

其中L为发动机尾气排放量，m3/h。用户应提供有关资料。

尾气排放温度一般为600~700℃。建议采用600℃。

P为尾气出口处密度。P=1.2x293/873,kg/ m3。

△T为尾气温度与室内温度差，△T取570℃

W出——发动机输出房间外的功率，kW。用户应提供资料。

Q5为室外新风热负荷。

Q5= L.P.（hw-hn）/3600

其中L为新风量，m3/h。新风量计算详见通风量计算。

P为新风密度。P=1.2，kg/ m3。

hw，hn为室外空气及室内空气的焓值，kJ/kg。根据室内外气象参数，查h-d图得到。

在台架试验室及整车耐久试验室中新风量较大，因此Q5占空调冷负荷比重最大。从节能角度出发，新风量的计算最为重要。

3.通风量的确定

试验室通风设计前必须搜集工艺设备详细资料，确定工艺设备局部排风量、排风温度、排放物成分及浓度等。试验室的通风换气量是指新风换气风量，不应包含空调的循环风量。

试验室的通风换气量计算公式为：Lx=L1+L2+L3

其中：Lx---新风换气量，m3/h。

L1---局部排风量，m3/h。

L2---全室排风量，m3/h。

L3---保持室内压力所需风量，m3/h。

在台架试验室及整车耐久试验室中新风换气量较大，计算较为特殊，同时对空调冷负荷影响大。因此下面进行详细分析：

台架试验室及整车耐久试验室的局部排风主要为发动机尾气排风。尾气排风温度一般为600~700℃，这里建议按700℃设计。尾气排放量应由用户工艺人员提供。尾气排风系统形式常见的有二种，一种为引射通风系统，另一种为混风排风系统。两种排风形式目的是相同的，都是用室内空气通过混合降低尾气排放的温度。考虑到通风系统运行安全混合后的排风温度不应高于200℃，建议按照150℃计算。发动机尾气排风量应根据二种不同温度的空气相混合的方法确定。

台架试验室及整车耐久试验室的全室排风量，应该取稀释有害物的新风量与消除室内余热的新风量相比最大的风量。在有空调的房间，空调循环风量可以消除室内余热，因此不必计算余热的新风量。

台架试验室及整车耐久试验室有害物为发动机尾气泄漏产生，主要有害物成分有CO、NOx、HC等。消除有害物主要靠新风换气稀释有害物浓度，让室内空气质量达到国家卫生标准。

发动机尾气中主要有害物浓度见下表：

以上可以看出CO在主要有害物中浓度远远大于其它物质。同时在《工业企业设计卫生标准》中，车间CO的最大允许浓度为30mg/m3，与其它物质相比为最小。因此控制住房间CO的浓度小于最大允许浓度，其它有害物也不会超标。

台架试验室及整车耐久试验室全室排风量:L2=G/(y1-y2)-L混

其中：L2---全室排风量，m3/h。

G---局部排风量，mg/h。

y1---车间CO的最大允许浓度,取30mg/m3。

y2---室外大气中CO的浓度为,取3mg/m3。

L混---尾气局部排风室内空气混风量，m3/h。

一般情况台架试验室及整车耐久试验室应保持微负压，L3为负值。

发动机台架实验室空调通风系统原理图（图1）

图1 空调通风系统原理图

4.空调系统确定

汽车试验室的每个房间的工作时间、工作频率、空调冷热负荷变化幅度等条件相差很大。如果采用一套机组空调系统，就容易产生“大马拉小车”的现象，造成能源浪费。因此建议空调工况差别很大的房间应采用不同的空调系统。

试验室的每个房间的空调工况都有自身特点，所以每个房间应根据实际情况选择不同的空调末端及空气处理方式。

以台架试验室及整车耐久试验室为例。两个试验室均具有新风量大、空调负荷大等特点。因此空调末端适合采用空气处理机组，并采用一次回风及机器露点送风方式，以减少空调送风量及空调供冷量。这样可以减少通风管道所需面积，既便于管道布置又能减少风机能耗和设备投资。夏季一次回风空气处理过程的焓-湿图（图2）

图2夏季一次回风空气处理过程焓-湿图

根据焓湿图，按消除余热计算空调送风量：G=Q/(hn-hs)

夏季空调耗冷量：QL=G(hm-hs)

空调系统冬夏季的冷热负荷计算及各种风量水量的计算方法详见《实用供热空调设计手册》（第二版）。本文不再具体介绍。

此外试验室空调系统还应考虑过渡季采用全新风运行。让空调系统运行更节能，送风品质也更好。

5．总结工程中主要问题

最近几年汽车实验室建设项目发展很快，同时也暴露出一些问题，主要问题有：

由于设计人员对空调冷负荷盲目估算，设计的冷负荷很大。在制冷机选型时没有考虑实验室的同时使用系数，结果制冷机组选型过大，造成浪费。

没有合理划分空调系统，系统的最小冷负荷远远小于制冷机制冷量。当空调系统在最小冷负荷的工况下运行时，制冷机不能正常启动或出现喘振现象。

发动机尾气排风系统是经常出现问题的地方。首先风机不能采用普通风机，应采用耐高温离心风机。其次风管的保温及软连接应采用不燃材料，同时风管穿楼板处应设置280℃防火阀。发动机尾气排风系统应满足《建筑防火规范》的要求。

发动机台架试验室由于存在汽油管道，因此有可能出现漏油现象。设计人员经常忽视事故排风的设计。设计时可以将其它排风系统进行改造，兼做事故排风使用。

设计人员在设计时忽视噪声控制，使得控制间内噪声及厂区环境噪声超标。为此空调、通风设备应选用低噪音设备，风管内风速不宜过大，并合理采用消声器，同时注意发动机实验室设备孔洞的封堵。

5．结语

汽车试验室的通风空调设施不仅是试验环境的安全保障，同时也是能耗大户。作为专业设计人员，我们有责任不断总结经验，不断改进并完善我们的设计。

参考文献

[1] 陆耀庆。实用供热空调设计手册（第二版）。中国建筑工业出版社 2008

[2] 孙一坚工业通风（第三版） 中国建筑工业出版社1994

[3] 赵荣义等空气调节（第三版） 中国建筑工业出版社1994