氢燃料电池汽车试验室的空调通风设计

赵陈成

上海市机电设计研究院有限公司

0 引言

新能源汽车成为未来汽车行业的发展趋势，新能源汽车动力现有以锂电池和以燃料电池作为主动力电池的两种技术路线。锂电池技术在车用方面较为成熟，也广泛的被主流新能源汽车厂商使用。燃料电池是与锂电池不同的技术路线，通过电化学反应把燃料中的化学能直接转化为电能，使用氢能作为燃料时，即为氢燃料电池[1]。

国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规范（2021-2035 年）》中支持新能源汽车产业的主基调没有变，但在国家的“十四五”期间，将向着氢燃料电池汽车领域发展，明显提出了要加大对氢燃料电池补贴的政策力度。在这样的背景下，本项目作为全国首批氢能燃料电池汽车实验室正式落地，其规模在甲类厂房中较大，且并无先前的国内设计案例可循。

本文将通过该项目，介绍氢燃料电池汽车试验室的空调通风设计。

1 工程概况

本项目为二层钢筋混凝土框架结构厂房，位于如皋市经济技术开发区。建筑面积11471.7 m2，建筑高度约14.2 m，火灾危险性为甲类。底层为氢燃料电池相关的各类检测试验室，以及热水机组间，给水泵房，变配电所等公用动力用房。二层为空调机房，空压机房，循环水泵房等公用动力用房。表1 为主要房间室内设计温湿度参数。

表1 主要房间室内设计温湿度参数

2 设计原则

甲类试验室采用直流式单风机四管制组合式空调箱，少量丙类试验室采用双风机四管制组合式空调箱以保证相应的室内参数。试验室采用下送上回的气流组织形式，送风立管伸至离地3.50 m，45°侧装双层百叶风口送风。同时排风口的上缘至顶棚平面的距离不大于0.1 m（涉氢试验室）或0.4 m（非涉氢试验室）。另外，各甲类试验室排风机（包括全室排风与各类工艺排风），与新风系统联锁运行以保证各甲类试验室的相对微负压和事故通风量。

试验室用空调冷热源接自单体内的冷冻机房和热水机组间，冷冻机房内设置3 台水冷螺杆式冷水机组，热水机组内设置2 台燃气真空热水机组。工艺冷冻水用4 台风冷冷水机组，放置在丙类试验室+6.00 m 屋面上。操作区域采用分体多联式空调系统，室外机置于+14.20 m 屋面上。

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015[2]（下文称“工规”）有以下逻辑：

采用循环空气在甲类被控区域为不可能事件（《工规》6.9.2 条）。

排风口上缘至顶棚距离不大于0.1 m 为必须事件（6.3.10 条）。

甲类送风机房采取通风措施为必须事件（6.9.18条）。

甲类送排风设备不应在同一机房，为互斥事件（6.9.16 条）。

甲类排风与其他房间的送排风设备（非防爆系统）也不应在同一机房，为互斥事件（6.9.16 条）。

设计时，将这些事件按相互的逻辑关系进行组合，合理的规划设备及输送系统，以保证符合规范的要求。本专业在前期提前介入设计，提出相关的设计思路和建议，与建筑、工艺专业商议后达成两个共识：

1）设备间错层使相关风管能够直接送入相应被控区域而不需要途经其他房间，合理的提高甲类厂房的安全冗余并满足规范要求。

2）甲类被控区域坡离设备层，排风设置在最高且接近设备的位置。

图1、2 为空调通风系统剖面示意图。

图1 剖面示意图一

图2 剖面示意图二

3 涉氢试验室的设计

3.1 空调系统的设计

甲类试验室均采用直流式四管制空调系统，不考虑热回收装置。主要基于以下原因：

1）根据《工规》6.9.2 条，甲类厂房不得采用循环空气，全热回收存在着湿空气的热质交换。显热回收因规范对新排风设备不应在同一机房的限制，只可使用乙二醇溶液热回收技术，存在着经济性的问题。

2）氢气的爆炸体积分数为4%～76%，阈值较宽且业主对此也较为敏感。

3）采用全新风冷冻除湿再热的方案来适应实验测试中负荷的各种变化，灵活调节。

氢燃料电池的发电效率在40～45%，比同等测试条件下的柴油机和汽油机高10%以上，在25%～100%负荷的情况下，氢燃料电池的相对效率为满负荷效率的1.0～1.2 倍[3]。剩余的能量均转换为热量散入室内或者被工艺冷冻水带走，散入室内的部分即成为室内的设备得热量，也是室内冷负荷计算中最主要的来源。

3.2 事故通风量的确定

《工规》对各类气体的事故通风量提出了12 次/h换气次数的下限要求，笔者联合业主搭建了100 m3的试验台针对氢气气体进行验证。

根据平时的试验条件，采用2.0 MPa 的氢气模拟5 mm 的管道泄露孔，不同的换气次数下，氢气的体积分数浓度稳定在以下数值（表2）：

表2 氢气体积分数与换气次数的关系

通过模拟试验，得出以下结论：

1）氢气的体积分数浓度基本与换气次数呈线性关系，换气次数越大，排除氢气的效果越好，所付出的能耗代价也越大。

2）规范提出的下限值12 次/h 可以保证氢气的体积分数浓度在1%左右，低于氢气爆炸下限（LEL，体积分数4%）的25%[4]以合理的实现安全要求。

3.3 排风系统的设计

按照消除室内余热余湿的要求（包括维持试验室负压的渗透新风负荷），初步确定组合式空调箱的新风量，此时会出现两种情形及相应排风量设计：

1）计算风量＜12 次/h。设置全室排风机保证平时排风量略大于新风量。另外设置事故排风机，与全室排风机在事故时共同开启，以保证12 次/h 的事故通风量。

2）计算风量≥12 次/h。设置全室排风机保证平时排风量略大于新风量，同时兼作事故排风机。

复核全室排风的换气次数，选择合适的策略，以达到规范要求的事故通风的下限值，保证符合要求同时有的放矢的减少冗余量。

将该方案与各实验室均采用12 次/h 换气次数的方案，分析比较如表3、4 所示。

表3 试验室区域初投资估算

表4 试验室区域运行费用估算

4 管线的色彩及材质表现

暖通专业的美观问题很少在工业项目中单独进行讨论，但介于本项目的前瞻性和参观性质，也作为一个关键点给予考量。

试验室的设备层中有大量的公用与工艺用设备，拟将其改造成也具有视觉感染力的区域，作为管线最多、占地面积最大的专业，笔者也作为暖通专业负责人参与其中。经过本院、施工方、业主方多方商讨，制定了以下方案（表5）：

表5 水系统配色方案

具体采取的措施为管道外包彩色硬聚氯乙烯UPVC 管（难燃，B1 级），多色彩的运用使得建筑的视觉效果更为突出。全部水管主管都分布在机房内部通道的可见位置——悬挂于顶部。不同色彩的运用使得机房内部设计更加美观（图3）。

图3 设备层管线设计

5 结语

氢燃料电池汽车试验室按照试验目的的不同，可分为发动机性能、电池电堆、电池温湿度、三综合振动试验室等种类，各类试验的空调通风设计不尽相同，本文旨在归纳其相通用的设计方法。笔者通过氢燃料电池试验室的具体项目设计过程，主要总结如下：

1）不仅是暖通专业，在相关的设计规范中，均对甲类厂房有较多的限制和强制性条文。所以在方案设计阶段，笔者拟定了“安全冗余优先，满足室内环境需求，有余力的前提下考虑节能”的设计策略，维持被控区域合理的温湿度参数及负压要求。

2）试验室的空调通风系统较为复杂，管道和设备的布置面积较大，可以将试验室办公区域的二层作为机房使用，错层设计，使风管可以直接进入试验室区域内，也便于新风及排风设备的布置。同时，大量的管线存在使得机房的美观性也要在设计中给予考虑。

3）空调负荷与试验室面积基本无关，影响负荷最重要的因素是氢燃料电池的效率和新风负荷，方案阶段也不可以按照常规项目使用面积冷指标进行估算，需要复核燃料电池备输入功率、效率、使用情况。

4）平时通风可按计算值进行设计，事故通风量可按12 次/h 换气次数进行设计，减少了提高换气次数等不必要的冗余设计。