氫燃料電池汽車試驗(yàn)室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)

趙陳成

上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

新能源汽車成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，新能源汽車動(dòng)力現(xiàn)有以鋰電池和以燃料電池作為主動(dòng)力電池的兩種技術(shù)路線。鋰電池技術(shù)在車用方面較為成熟，也廣泛的被主流新能源汽車廠商使用。燃料電池是與鋰電池不同的技術(shù)路線，通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，使用氫能作為燃料時(shí)，即為氫燃料電池[1]。

國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)范（2021-2035 年）》中支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)的主基調(diào)沒有變，但在國(guó)家的“十四五”期間，將向著氫燃料電池汽車領(lǐng)域發(fā)展，明顯提出了要加大對(duì)氫燃料電池補(bǔ)貼的政策力度。在這樣的背景下，本項(xiàng)目作為全國(guó)首批氫能燃料電池汽車實(shí)驗(yàn)室正式落地，其規(guī)模在甲類廠房中較大，且并無先前的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)案例可循。

本文將通過該項(xiàng)目，介紹氫燃料電池汽車試驗(yàn)室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本項(xiàng)目為二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房，位于如皋市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。建筑面積11471.7 m2，建筑高度約14.2 m，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類。底層為氫燃料電池相關(guān)的各類檢測(cè)試驗(yàn)室，以及熱水機(jī)組間，給水泵房，變配電所等公用動(dòng)力用房。二層為空調(diào)機(jī)房，空壓機(jī)房，循環(huán)水泵房等公用動(dòng)力用房。表1 為主要房間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度參數(shù)。

表1 主要房間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度參數(shù)

2 設(shè)計(jì)原則

甲類試驗(yàn)室采用直流式單風(fēng)機(jī)四管制組合式空調(diào)箱，少量丙類試驗(yàn)室采用雙風(fēng)機(jī)四管制組合式空調(diào)箱以保證相應(yīng)的室內(nèi)參數(shù)。試驗(yàn)室采用下送上回的氣流組織形式，送風(fēng)立管伸至離地3.50 m，45°側(cè)裝雙層百葉風(fēng)口送風(fēng)。同時(shí)排風(fēng)口的上緣至頂棚平面的距離不大于0.1 m（涉氫試驗(yàn)室）或0.4 m（非涉氫試驗(yàn)室）。另外，各甲類試驗(yàn)室排風(fēng)機(jī)（包括全室排風(fēng)與各類工藝排風(fēng)），與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)鎖運(yùn)行以保證各甲類試驗(yàn)室的相對(duì)微負(fù)壓和事故通風(fēng)量。

試驗(yàn)室用空調(diào)冷熱源接自單體內(nèi)的冷凍機(jī)房和熱水機(jī)組間，冷凍機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置3 臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組，熱水機(jī)組內(nèi)設(shè)置2 臺(tái)燃?xì)庹婵諢崴畽C(jī)組。工藝?yán)鋬鏊? 臺(tái)風(fēng)冷冷水機(jī)組，放置在丙類試驗(yàn)室+6.00 m 屋面上。操作區(qū)域采用分體多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，室外機(jī)置于+14.20 m 屋面上。

根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2015[2]（下文稱“工規(guī)”）有以下邏輯：

采用循環(huán)空氣在甲類被控區(qū)域?yàn)椴豢赡苁录ā豆ひ?guī)》6.9.2 條）。

排風(fēng)口上緣至頂棚距離不大于0.1 m 為必須事件（6.3.10 條）。

甲類送風(fēng)機(jī)房采取通風(fēng)措施為必須事件（6.9.18條）。

甲類送排風(fēng)設(shè)備不應(yīng)在同一機(jī)房，為互斥事件（6.9.16 條）。

甲類排風(fēng)與其他房間的送排風(fēng)設(shè)備（非防爆系統(tǒng)）也不應(yīng)在同一機(jī)房，為互斥事件（6.9.16 條）。

設(shè)計(jì)時(shí)，將這些事件按相互的邏輯關(guān)系進(jìn)行組合，合理的規(guī)劃設(shè)備及輸送系統(tǒng)，以保證符合規(guī)范的要求。本專業(yè)在前期提前介入設(shè)計(jì)，提出相關(guān)的設(shè)計(jì)思路和建議，與建筑、工藝專業(yè)商議后達(dá)成兩個(gè)共識(shí)：

1）設(shè)備間錯(cuò)層使相關(guān)風(fēng)管能夠直接送入相應(yīng)被控區(qū)域而不需要途經(jīng)其他房間，合理的提高甲類廠房的安全冗余并滿足規(guī)范要求。

2）甲類被控區(qū)域坡離設(shè)備層，排風(fēng)設(shè)置在最高且接近設(shè)備的位置。

圖1、2 為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)剖面示意圖。

圖1 剖面示意圖一

圖2 剖面示意圖二

3 涉氫試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

3.1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

甲類試驗(yàn)室均采用直流式四管制空調(diào)系統(tǒng)，不考慮熱回收裝置。主要基于以下原因：

1）根據(jù)《工規(guī)》6.9.2 條，甲類廠房不得采用循環(huán)空氣，全熱回收存在著濕空氣的熱質(zhì)交換。顯熱回收因規(guī)范對(duì)新排風(fēng)設(shè)備不應(yīng)在同一機(jī)房的限制，只可使用乙二醇溶液熱回收技術(shù)，存在著經(jīng)濟(jì)性的問題。

2）氫氣的爆炸體積分?jǐn)?shù)為4%～76%，閾值較寬且業(yè)主對(duì)此也較為敏感。

3）采用全新風(fēng)冷凍除濕再熱的方案來適應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中負(fù)荷的各種變化，靈活調(diào)節(jié)。

氫燃料電池的發(fā)電效率在40～45%，比同等測(cè)試條件下的柴油機(jī)和汽油機(jī)高10%以上，在25%～100%負(fù)荷的情況下，氫燃料電池的相對(duì)效率為滿負(fù)荷效率的1.0～1.2 倍[3]。剩余的能量均轉(zhuǎn)換為熱量散入室內(nèi)或者被工藝?yán)鋬鏊畮ё撸⑷胧覂?nèi)的部分即成為室內(nèi)的設(shè)備得熱量，也是室內(nèi)冷負(fù)荷計(jì)算中最主要的來源。

3.2 事故通風(fēng)量的確定

《工規(guī)》對(duì)各類氣體的事故通風(fēng)量提出了12 次/h換氣次數(shù)的下限要求，筆者聯(lián)合業(yè)主搭建了100 m3的試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)氫氣氣體進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)平時(shí)的試驗(yàn)條件，采用2.0 MPa 的氫氣模擬5 mm 的管道泄露孔，不同的換氣次數(shù)下，氫氣的體積分?jǐn)?shù)濃度穩(wěn)定在以下數(shù)值（表2）：

表2 氫氣體積分?jǐn)?shù)與換氣次數(shù)的關(guān)系

通過模擬試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）氫氣的體積分?jǐn)?shù)濃度基本與換氣次數(shù)呈線性關(guān)系，換氣次數(shù)越大，排除氫氣的效果越好，所付出的能耗代價(jià)也越大。

2）規(guī)范提出的下限值12 次/h 可以保證氫氣的體積分?jǐn)?shù)濃度在1%左右，低于氫氣爆炸下限（LEL，體積分?jǐn)?shù)4%）的25%[4]以合理的實(shí)現(xiàn)安全要求。

3.3 排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

按照消除室內(nèi)余熱余濕的要求（包括維持試驗(yàn)室負(fù)壓的滲透新風(fēng)負(fù)荷），初步確定組合式空調(diào)箱的新風(fēng)量，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情形及相應(yīng)排風(fēng)量設(shè)計(jì)：

1）計(jì)算風(fēng)量＜12 次/h。設(shè)置全室排風(fēng)機(jī)保證平時(shí)排風(fēng)量略大于新風(fēng)量。另外設(shè)置事故排風(fēng)機(jī)，與全室排風(fēng)機(jī)在事故時(shí)共同開啟，以保證12 次/h 的事故通風(fēng)量。

2）計(jì)算風(fēng)量≥12 次/h。設(shè)置全室排風(fēng)機(jī)保證平時(shí)排風(fēng)量略大于新風(fēng)量，同時(shí)兼作事故排風(fēng)機(jī)。

復(fù)核全室排風(fēng)的換氣次數(shù)，選擇合適的策略，以達(dá)到規(guī)范要求的事故通風(fēng)的下限值，保證符合要求同時(shí)有的放矢的減少冗余量。

將該方案與各實(shí)驗(yàn)室均采用12 次/h 換氣次數(shù)的方案，分析比較如表3、4 所示。

表3 試驗(yàn)室區(qū)域初投資估算

表4 試驗(yàn)室區(qū)域運(yùn)行費(fèi)用估算

4 管線的色彩及材質(zhì)表現(xiàn)

暖通專業(yè)的美觀問題很少在工業(yè)項(xiàng)目中單獨(dú)進(jìn)行討論，但介于本項(xiàng)目的前瞻性和參觀性質(zhì)，也作為一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)給予考量。

試驗(yàn)室的設(shè)備層中有大量的公用與工藝用設(shè)備，擬將其改造成也具有視覺感染力的區(qū)域，作為管線最多、占地面積最大的專業(yè)，筆者也作為暖通專業(yè)負(fù)責(zé)人參與其中。經(jīng)過本院、施工方、業(yè)主方多方商討，制定了以下方案（表5）：

表5 水系統(tǒng)配色方案

具體采取的措施為管道外包彩色硬聚氯乙烯UPVC 管（難燃，B1 級(jí)），多色彩的運(yùn)用使得建筑的視覺效果更為突出。全部水管主管都分布在機(jī)房?jī)?nèi)部通道的可見位置——懸掛于頂部。不同色彩的運(yùn)用使得機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)計(jì)更加美觀（圖3）。

圖3 設(shè)備層管線設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

氫燃料電池汽車試驗(yàn)室按照試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，可分為發(fā)動(dòng)機(jī)性能、電池電堆、電池溫濕度、三綜合振動(dòng)試驗(yàn)室等種類，各類試驗(yàn)的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)不盡相同，本文旨在歸納其相通用的設(shè)計(jì)方法。筆者通過氫燃料電池試驗(yàn)室的具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程，主要總結(jié)如下：

1）不僅是暖通專業(yè)，在相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范中，均對(duì)甲類廠房有較多的限制和強(qiáng)制性條文。所以在方案設(shè)計(jì)階段，筆者擬定了“安全冗余優(yōu)先，滿足室內(nèi)環(huán)境需求，有余力的前提下考慮節(jié)能”的設(shè)計(jì)策略，維持被控區(qū)域合理的溫濕度參數(shù)及負(fù)壓要求。

2）試驗(yàn)室的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，管道和設(shè)備的布置面積較大，可以將試驗(yàn)室辦公區(qū)域的二層作為機(jī)房使用，錯(cuò)層設(shè)計(jì)，使風(fēng)管可以直接進(jìn)入試驗(yàn)室區(qū)域內(nèi)，也便于新風(fēng)及排風(fēng)設(shè)備的布置。同時(shí)，大量的管線存在使得機(jī)房的美觀性也要在設(shè)計(jì)中給予考慮。

3）空調(diào)負(fù)荷與試驗(yàn)室面積基本無關(guān)，影響負(fù)荷最重要的因素是氫燃料電池的效率和新風(fēng)負(fù)荷，方案階段也不可以按照常規(guī)項(xiàng)目使用面積冷指標(biāo)進(jìn)行估算，需要復(fù)核燃料電池備輸入功率、效率、使用情況。

4）平時(shí)通風(fēng)可按計(jì)算值進(jìn)行設(shè)計(jì)，事故通風(fēng)量可按12 次/h 換氣次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少了提高換氣次數(shù)等不必要的冗余設(shè)計(jì)。