某凈化實驗室室內(nèi)環(huán)境控制改造設計分析

葉 暉， 萬永麗， 劉 東

（1.霍尼韋爾（天津）有限公司，上海 200051；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092）

0 引言

本項目為中國科學院上海某研究所潔凈實驗室項目改造，改造區(qū)域在地面一層，建筑面積為659m2。其中包括千級的凈化實驗室2間，百級凈化實驗室2間。特別是其中一間面積約12m2的使用曝光機的實驗室，既要滿足百級凈化的要求，又要求嚴格控制房間的溫濕度，溫度控制精度要求達到±0.1℃，是空調(diào)系統(tǒng)及自動控制設計的難點與重點，也是格外需要關注和研究的。

該百級并±0.1℃高精度溫度控制的實驗室根據(jù)空調(diào)設計所提的工藝要求[1～3]，建筑設計上周邊三面由隔離走廊包圍，另一面與另一間百級凈化室（±1℃溫度控制）相鄰。其建筑層高4.2m，吊頂下緣高度3.0m，整個潔凈室底部鋪設有架高0.6m的防靜電地板，因此實際高度為2.4m。其空調(diào)設計要求為：1）潔凈等級：100級；2）溫度控制：23±0.1℃；3）濕度控制：45±3%；4）新風風量：≥40 m3/h

為實現(xiàn)設計要求，在空調(diào)系統(tǒng)設計及調(diào)試過程中的關鍵點包括：1）降低外圍冷熱源的干擾；2）多級隔離的空調(diào)機組；3）有效的過濾和氣流形式；4）高精度的傳感器；5）快速響應的控制器與末端設備。

1 冷熱源和熱交換器

1.1 冷熱源

整個改造區(qū)域的空調(diào)總冷負荷約為255kW，區(qū)域內(nèi)的百級、千級潔凈室及輔助房間由1臺的模塊化風冷冷水機組，冷量為（63×2）kW，提供全年制冷冷源；同時采用另1臺模塊化風冷熱水熱泵機組提供夏季高峰冷量和冬季的熱量供應，其冷量為（61×3）kW，熱量為（65×3）kW。

1.2 板式熱交換器

以往高精度溫濕度控制的實踐證明，不加隔離地直接從冷水機組接收冷凍水（12℃/7℃），由于冷水機組，無論是風冷式機組、螺桿式機組或其他形式的，都無法避免冷源的出水溫度或流量的突變對末端空調(diào)機組的精度控制所帶來的非常不利的影響，特別是對于±0.1℃高精度溫度控制要求的房間。

所以，在深化設計中采用了專用的板式熱交換器來控制水溫和流量的波動。項目中實際增設了1臺板式熱交換器，并配置板交專用水泵兩臺，一用一備，水泵與下述用于±0.1℃溫度控制的潔凈室獨立空調(diào)機組風機聯(lián)動。布置如圖1所示，其運行參數(shù)如下：

換熱量：額定值210kW；

一次側(cè)：供水溫度7℃；回水溫度12℃；

二次側(cè)：供水溫度16±0.3℃（出水溫度控制要求）；回水溫度18℃。

在板式熱交換器的二次側(cè)出水位置設水溫傳感器，并在一次側(cè)冷水進水管上加裝高靈敏的電動調(diào)節(jié)水閥控制，二次側(cè)的出水溫度在設定值±0.3℃的誤差范圍內(nèi)，以減小由于冷水溫度的劇烈波動對后端空調(diào)機組高精度控制的干擾。

同時，除了冷水供應時溫度波動的影響之外，后端空調(diào)機組的冷水水壓差也是一個重要的干擾源，不穩(wěn)定的水壓必然會對水溫控制帶來負面影響，從而波及到被控房間的溫度。因此，本項目在板式熱交換器的二次側(cè)的出水管和回水管之間裝設了一只電動二通閥，通過水閥的無級調(diào)節(jié)來穩(wěn)定二次側(cè)出水管和回水管之間的水壓差。回路阻力計算和現(xiàn)場實際調(diào)試中，2kg/m2設定值的穩(wěn)定效果較理想。

2 多級空調(diào)機組的布置

2.1 新風機組與除濕處理

一般夏季空調(diào)系統(tǒng)處理后的室內(nèi)相對濕度在60%～70%，本改造項目中的百級和千級潔凈室的設計濕度要求在45±3%或45±5%，除濕處理后需要達到露點溫度10℃左右才能滿足下一步處理及高精度控制的工藝要求，通過簡單的表冷器除濕難以保證達到10℃～15℃的送風露點溫度的要求，勉強為之，表冷器表面會有結(jié)霜的風險。

在深化設計當中，在表冷器后端串入1臺轉(zhuǎn)輪式除濕機，處理新風量為5500m3/h，經(jīng)計算除濕量為39.5kg/h，通過新風出口的露點傳感器調(diào)節(jié)除濕功率，實際運行可使表冷器和除濕機兩級處理后的新風送風露點溫度達到當初設計的要求，露點溫度10.5℃。

在冬季室外空氣濕度較低時，新風不需要轉(zhuǎn)輪處理，從節(jié)能角度考慮新風設計成通過旁通風門直接送到下級空調(diào)機組，整個夏季、過渡季及冬季的轉(zhuǎn)換均有BA系統(tǒng)的傳感器收集信息，并自動判斷及邏輯切換。

2.2 ±0.1℃精度潔凈室空調(diào)機組

針對±0.1℃精度要求的百級潔凈室，獨立配置了1臺總風量為16 000m3立式空調(diào)機組，分別在風機的前后端加設初中效過濾段和亞高效過濾段，百級潔凈必需的高效過濾器設在潔凈室吊頂上方（具體介紹請見“3潔凈室氣流組織”章節(jié)）。

為實現(xiàn)±0.1℃精度要求的溫度和±3%精度要求的濕度控制，在深化設計中空調(diào)機組在風機前端配置了冷水盤管、熱水盤管以及電加濕器，在風機的后端即送風管上配備用于溫度微調(diào)的2組電加熱絲，一組為1kW，另一組為9kW。這樣通過兩級溫度控制來實現(xiàn)±0.1℃精度的要求，具體控制方法如下。

2.2.1 送風溫度控制

在空調(diào)機組內(nèi)的風機出口處設置溫度傳感器（T2），在深化設計和現(xiàn)場控制中，設T2的設定溫度為23-0.1=22.9℃，（23℃為房間控制溫度中間值），通過前端冷水盤管和熱水盤管聯(lián)合調(diào)節(jié)控制。對于夏季工況：調(diào)節(jié)冷水盤管控制風機出口處溫度（T2），使其基本在22.9℃的設定范圍內(nèi)；對于冬季工況：當風機出口處溫度（T2）低于22℃時，且冷水閥開度為0%，打開熱水閥調(diào)節(jié)控制；當熱水閥開度為0%，且送風溫度仍然高于設定值時，開啟冷水閥門。

2.2.2 房間溫度控制

房間溫度的微調(diào)的由送風風管的2組電加熱絲進行調(diào)節(jié)控制。通過房間溫度傳感器首先調(diào)節(jié)第1組電加熱絲（功率1kW），電加熱絲調(diào)節(jié)采取可控硅無級調(diào)節(jié)方式，保證了及時的響應； 當?shù)?組電加熱絲功率輸出大于等于80%時，采用同樣的無級調(diào)節(jié)方式投入第2組電加熱絲（功率9kW），最終實現(xiàn)房間溫度保持在23±0.1℃范圍內(nèi)。實際運行中，得益于合理的設計、分級的空調(diào)機組、干擾源的排除、有效的自控，整個運行季（夏冬過渡季），第2組電加熱絲較少投入使用。

2.2.3 濕度控制

通過安裝在潔凈室內(nèi)的濕度傳感器調(diào)節(jié)電加濕器，控制送風濕度在45%，實際運行可以保持房間濕度在45±3%范圍內(nèi)。

3 潔凈室氣流組織

潔凈室建筑層高4.2m，吊頂下緣高度3.0m，整個潔凈室底部鋪設有架高0.6m的防靜電地板，實際室內(nèi)高度為2.4m。頂部設置送風靜壓室，周邊設回風管道。整個百級區(qū)域為上送底回的垂直層流氣流形式，深化設計中斷面風速取0.4m/s。

常規(guī)百級潔凈一般都會選用高效過濾空氣單元（FFU）作為最末端的送風設備，以保證層流的效果。但對于本項目中由于存在更嚴格的±0.1℃溫度精度控制要求，在末端使用FFU反而會帶來問題。因為FFU均采用直流或交流電氣驅(qū)動風機均勻送風的方式，并鋪滿整個潔凈室的頂部。經(jīng)計算12 m2的地板面積，使用FFU后總的驅(qū)動電機功率在3～3.3kW，這些電機產(chǎn)生的散熱量會隨著送風進入潔凈室內(nèi)，對室內(nèi)的負荷產(chǎn)生干擾，從而影響最末級的室溫精確控制。所以在深化設計中，取消了FFU的原布置，采用送風靜壓箱＋高效過濾器的自然送風方式，讓在新風機組、空調(diào)機組、風管電加熱絲等三級處理的風均勻從頂部經(jīng)高效過濾送入室內(nèi)，再有地板回風經(jīng)兩側(cè)的回風管道回出。由于取消了FFU末端的機械送風，為保證潔凈室內(nèi)的正壓，在空調(diào)自控設計中加入了壓差傳感器監(jiān)測室內(nèi)外靜壓差，通過調(diào)節(jié)潔凈室空調(diào)機組的風機頻率來使得房間正壓達到設定值。

4 自控設備的選擇

4.1 傳感器的精度

一般空調(diào)系統(tǒng)中各式常規(guī)傳感器是能夠勝任的，但為實現(xiàn)±0.1℃，±3%RH的控制要求傳感器精度就顯得十分重要。精度范圍太寬泛，肯定不能滿足精確控制的需求；范圍過窄，超出了實際需求和供應商的能力同樣也無必要。所以在深化設計中針對各個應用地點，如風管、房間和板式交換器等處，規(guī)定并按下面的精度范圍選取相應的傳感器，見表1。

表1 傳感器精度范圍

4.2 現(xiàn)場控制器的選擇

有效的控制除了合理的系統(tǒng)設計、參數(shù)設定，和確定合適的控制邏輯之外，可靠有效的現(xiàn)場控制器也是至關重要的?，F(xiàn)代電腦和控制器的計算速度完全能夠跟上計算的變化和作出相應的邏輯指令。但現(xiàn)場控制器是否能及時和穩(wěn)定地掃描到外部信號的變化，卻不是所有常用的現(xiàn)場控制器能夠做到的。在深化設計中針對這種情況，選用了兩款現(xiàn)場控制器，分別滿足不同的應用場合。

4.2.1 非±0.1℃潔凈室的控制器

在新風處理機組和板式交換器的監(jiān)視信號的采集和控制指令的發(fā)出，采用了Honeywell公司高端的XL800系列CPU主機及其I/O擴展模塊，由于它的工業(yè)化設計，耐用可靠，完全能夠適應常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)控制要求。在本項目中包括上述的新風處理與板交外，其他冷源、熱源、非±0.1℃精度百級潔凈室、千級潔凈室、輔助用房等的空調(diào)設備監(jiān)控，均采用XL800系列的控制單元實施。

4.2.2 ±0.1℃級用控制器

對于本項目要求的±0.1℃精度要求的空調(diào)系統(tǒng)控制來講，任何一點瞬時的外圍環(huán)境變化，送風量的波動，水系統(tǒng)進水溫度的變化，甚至風機變頻的變化都會直接帶來負荷的變化。這就要求現(xiàn)場控制器必須能及時捕捉這些受控信號，特別是像溫度和濕度等模擬量的數(shù)值變化，并及時做出反應。為此專門選用了Honeywell公司工業(yè)級HC900控制器來實現(xiàn)對瞬間外界變化的高速響應，除了強大的運算和存儲能力外，它的快速數(shù)據(jù)更新的能力（邏輯量掃描更新：27ms；邏輯量掃描更新：0.5s）是收集溫度、濕度信號的快速變化并及時邏輯響應，并最終實現(xiàn)±0.1℃控制的有力保障。

實際運行中HC900控制器的工作效率和穩(wěn)定性完全滿足了深化設計的要求，有效實現(xiàn)了±0.1℃，±3%RH的控制?，F(xiàn)場空調(diào)機組及被控區(qū)域的監(jiān)控信號畫面截圖如圖3所示。

5 結(jié)語

從本項目的深化設計、設定參數(shù)計算、控制方案的確認以及現(xiàn)場調(diào)試的實施工程中。筆者有如下體會，以及經(jīng)驗的總結(jié)。

（1）分級設計新風的處理和±0.1℃區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)能有效地減少室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境傳遞的影響；

（2）采用板式熱交換器可以進一步穩(wěn)定冷凍水的供應，使得冷水機組對空調(diào)系統(tǒng)調(diào)溫調(diào)濕的影響降到最低；

（3）常用的高效過濾空氣單元（FFU）并不適合有±0.1℃要求的潔凈區(qū)域，使用自然垂直平流送風的設計在符合百級凈化要求的同時有效地控制室內(nèi)溫度；

（4）傳感器精度對于溫度濕度的控制至關重要，同時高速更新特別是模擬量的快速更新的控制器是最終完成±0.1℃自控控制的設備關鍵；

（5）在受控區(qū)域空調(diào)機組水閥雖采用了高靈敏的電動調(diào)節(jié)水閥，但由于電動水閥本身的交流電機的散熱會不規(guī)律地傳入運行系統(tǒng)，在調(diào)控初期不免影響到控制的穩(wěn)定。建議以后的工程中盡量選取同樣快速響應性能的氣動閥門。

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[1]GB50073-2001.潔凈廠房設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[2]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[3]陳霖新，等.潔凈廠房的設計與施工[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.