高大空間潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

唐萬斌 / 河北省天然氣有限責(zé)任公司

高大空間潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

唐萬斌 / 河北省天然氣有限責(zé)任公司

本文主要介紹了某高大空間潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，通過對該工程主要特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出初步設(shè)計(jì)方案，對全空間潔凈設(shè)計(jì)方案與局部潔凈方案進(jìn)行了比選，通過比選最終采用局部潔凈空調(diào)方案，該方案在滿足工藝潔凈等級要求的前提下盡量節(jié)約初投資、節(jié)約能源。

高大潔凈空間；氣流組織；冷熱負(fù)荷；系統(tǒng)控制；噴口側(cè)送風(fēng)

1.引言

近年來，隨著科技的發(fā)展，陸續(xù)建造了一些高大空間的潔凈廠房。但高大空間潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)能耗居高不下，以及房間內(nèi)氣流不均勻等問題越來越引起業(yè)內(nèi)人士的重視。而高大空間的潔凈廠房，往往使用上有特定的要求，比如廠房上部可能使用吊車，并不要求全空間凈化，主要工作區(qū)集中在下部，僅對下層工作區(qū)有潔凈等級和溫濕度要求。以下就本人參與設(shè)計(jì)的某高大空間潔凈廠房在設(shè)計(jì)中就上述兩方面問題的考慮做了詳細(xì)的論述，希望與大家共同探討。

2.工程概述

本工程所在地區(qū)為北京市房山區(qū)，該地區(qū)的空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)為：

本工程為高大精密設(shè)備組裝車間，整個(gè)車間高度15m，上部為吊車區(qū)域，下部7m為設(shè)備的組裝區(qū)域，整個(gè)空間為潔凈區(qū)，潔凈度等級為8級。規(guī)范《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50073-2001規(guī)定，為保證空氣潔凈度等級的送風(fēng)量，8級潔凈度等級的換氣次數(shù)為10～15次/h，氣流流型非單向流。

潔凈室的溫濕度范圍為：冬季溫度20～22℃，夏季溫度24～26℃，冬季濕度30～50％，夏季濕度50～70％。

該工程的主要特點(diǎn)是：凈化空調(diào)區(qū)域空間大、房間跨度大、層高高，工藝生產(chǎn)期間設(shè)備發(fā)熱量不大，人員相對較少，空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷以建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)能為主。

凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)氣流應(yīng)以最短的距離，不受污染地直接送到工作區(qū)，并且盡量覆蓋工作區(qū)，使污染物在擴(kuò)散之前就被攜帶到回風(fēng)口，工作區(qū)的氣流速度應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝和衛(wèi)生要求。

該生產(chǎn)工藝主要是在潔凈室的下部7m空間工作，上部主要是吊車活動區(qū)，從節(jié)省費(fèi)用和減少投資又滿足工藝要求的情況下，使下部7m空間達(dá)到8級潔凈度要求，使?jié)崈魵饬飨冉?jīng)該操作部位，非操作區(qū)降低級別，以排風(fēng)為主，使吊車局部產(chǎn)生的塵埃不污染及時(shí)帶走，不影響下部潔凈區(qū)。

以下就該工程潔凈區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)從全空間潔凈設(shè)計(jì)方案和局部潔凈設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析討論。

3.方案設(shè)計(jì)

3.1方案確定

方案一：按照全空間潔凈設(shè)計(jì)方案進(jìn)行負(fù)荷風(fēng)量計(jì)算：

根據(jù)潔凈區(qū)潔凈等級8級，參考《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50073-2001和《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50472-2008規(guī)范要求，潔凈室的送風(fēng)量應(yīng)?。海?）為保證空氣潔凈度等級的送風(fēng)量；（2）根據(jù)熱、濕負(fù)荷計(jì)算確定的送風(fēng)量；（3）向潔凈室內(nèi)供給的新鮮空氣量；三項(xiàng)中的最大值。

根據(jù)潔凈等級確定換氣次數(shù)，按15次/h換氣次數(shù)計(jì)算空調(diào)風(fēng)量，計(jì)算送風(fēng)量為157950m3/h，按排除房間余熱計(jì)算送風(fēng)量為66000m3/h，因此，確定該系統(tǒng)送風(fēng)量157950m3/h，新風(fēng)量按系統(tǒng)風(fēng)量10％考慮，新風(fēng)量15800m3/h，房間維持正壓≥5Pa，正壓風(fēng)約10530m3/h，回風(fēng)量152680m3/h，冷負(fù)荷537kW，熱負(fù)荷1416kW，加濕量1290kg/h。

主要設(shè)備選型：根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，選用2臺組合式空調(diào)機(jī)組ZK80，額定風(fēng)量80000m3/h，電機(jī)功率30kW；根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷，選用冷水機(jī)組選用2臺風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組LSF425，額定制冷量425kW，輸入功率128.8kW。組合式空調(diào)機(jī)組的選用無冗余設(shè)置，冷水機(jī)組按單臺容量滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷70％考慮。

方案二：按照局部潔凈方案進(jìn)行負(fù)荷風(fēng)量計(jì)算：

本工程的主要特點(diǎn)是，凈化空調(diào)區(qū)域空間大、層高較高，根據(jù)工程特點(diǎn)，對房間的使用情況進(jìn)行分析，根據(jù)工藝對房間使用情況，主要工作區(qū)在7m以下，上部8m主要是吊車活動區(qū)域，考慮采用分層設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)，層高在0～8m區(qū)域按潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，層高在8～15m區(qū)域按排風(fēng)設(shè)計(jì)，保證活動區(qū)域潔凈度等級及溫濕度要求。

根據(jù)潔凈等級確定換氣次數(shù)，按15次/h換氣次數(shù)計(jì)算空調(diào)風(fēng)量，計(jì)算送風(fēng)量為84240m3/h，按排除房間余熱計(jì)算送風(fēng)量為66000m3/h，因此，確定該系統(tǒng)送風(fēng)量84240m3/h，8m以上區(qū)域按4次/h換氣次數(shù)計(jì)算排風(fēng)量，排風(fēng)量19660m3/h。房間維持正壓≥5Pa，正壓風(fēng)約5620m3/h，回風(fēng)量70200m3/h，冷負(fù)荷399kW，熱負(fù)荷564kW，加濕量582kg/h。

主要設(shè)備選型：根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，選用2臺組合式空調(diào)機(jī)組ZK50，額定風(fēng)量50000m3/h，電機(jī)功率18.75kW；根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷，選用冷水機(jī)組選用2臺風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組LSF280，額定制冷量279kW，輸入功率90.7kW。組合式空調(diào)機(jī)組的選用無冗余設(shè)置，冷水機(jī)組按單臺容量滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷70％考慮；排風(fēng)系統(tǒng)選用1臺中效過濾機(jī)組，防止氣流倒灌，內(nèi)配1臺4-72№10C型離心風(fēng)機(jī)，功率5.5kW。

方案比選：方案一空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量157950m3/h，方案二空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量84240m3/h，僅空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量方案二比方案一減少73710m3/h；方案一空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷537Kw，方案二空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷399kW，方案二比方案一空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷減少138kW；方案一空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷1416kW，方案二空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷564Kw，方案二比方案一空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷減少852kW（約合蒸汽量1400kg/h），方案一空調(diào)系統(tǒng)所需加濕量1290kg/h，方案二空調(diào)系統(tǒng)所需加濕量582kg/h，方案二比方案一空調(diào)系統(tǒng)加濕量減少708kg/h；方案一空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組選用2臺ZK80組合式空調(diào)機(jī)組，方案二空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組選用2臺ZK50組合式空調(diào)機(jī)組；方案一冷水機(jī)組選用2臺LSF425型風(fēng)冷螺桿冷水機(jī)組，方案二冷水機(jī)組選用2臺LSF280型風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組；從以上設(shè)備選型看出方案二比方案一主要設(shè)備型號減小，輸入功率也大幅度減小。

因此采用方案二在確保工藝設(shè)備對潔凈度要求的前提下設(shè)備型號減小，節(jié)約了初投資、減少了設(shè)備機(jī)房占地面積，減少了建筑面積，減少了系統(tǒng)熱負(fù)荷和濕負(fù)荷減少了蒸汽用量，節(jié)約了能源，減少了用電功率，減少了后期的運(yùn)行費(fèi)用。因此，本工程考慮采用方案二進(jìn)行潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2氣流組織

采用潔凈分層空調(diào)系統(tǒng)使系統(tǒng)的總送風(fēng)量大為減少。風(fēng)量減少了，要想得到較好的潔凈空調(diào)效果，采用合理的氣流組織就顯得尤為重要，既要保證送風(fēng)和回風(fēng)（排風(fēng)）的均勻性，減少潔凈工作區(qū)的渦流，又由于廠房跨度大，所以必須增強(qiáng)送風(fēng)氣流的擴(kuò)散特性，充分發(fā)揮送風(fēng)氣流的稀釋作用。房間的室溫允許波動范圍大于±1.0℃，且為高大廠房，宜采用噴口側(cè)向送風(fēng)方式。因此，本工程采用兩側(cè)中部噴口對送風(fēng)，下部回風(fēng)，上部排風(fēng)方式，保證工作區(qū)域處于回流區(qū)域。

3.3空氣處理流程

潔凈空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程采用一次回風(fēng)加熱冷卻的方式，其流程如下圖所示：

4.系統(tǒng)控制分析

凈化空調(diào)系統(tǒng)的主要功能是通過對新風(fēng)的過濾凈化使房間的含塵量滿足潔凈級別的要求，通過對空氣的冷卻、加熱、加濕、除濕等處理使房間的溫濕度滿足房間溫濕度的要求，通過調(diào)節(jié)送回（排）風(fēng)量來滿足房間的正壓要求。因此，空調(diào)系統(tǒng)的合理控制是非常重要的過程。

4.1過濾效率控制

潔凈室最重要的是要控制房間的含塵量，使其滿足《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》對含塵量的要求，潔凈室的含塵量通過空調(diào)機(jī)組內(nèi)的過濾器對新風(fēng)及回風(fēng)進(jìn)行過濾，空調(diào)機(jī)組內(nèi)的初效過濾器選用過濾效率大于等于50％（人工塵計(jì)重效率法）的粗效過濾器，中效過濾器采用過濾效率70％（對粒徑大于等于0.5μm微粒）的過濾器，高效過濾器過濾效率99％，對空調(diào)機(jī)組內(nèi)初效過濾段和中效過濾段設(shè)置壓差監(jiān)測儀表，當(dāng)終阻力達(dá)到初阻力值的兩倍時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示過濾器更換，使之做到對過濾器的及時(shí)更換和清洗，使過濾器不會因堵塞嚴(yán)重而影響其過濾效率和增大系統(tǒng)阻力，從而保證房間的潔凈度等級和系統(tǒng)風(fēng)量。

4.2溫度控制

為了保持潔凈室內(nèi)溫濕度的要求，需要空調(diào)系統(tǒng)來維持房間的溫濕度，因房間的溫濕度隨著外界負(fù)荷的變化而變化，要想保證潔凈室恒定的溫濕度，需要一些自動控制手段來自動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)，以滿足房間恒定的溫濕度，因此，在空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)總管上設(shè)置了溫度傳感器，根據(jù)傳感器的測定值調(diào)整空調(diào)機(jī)組入口冷熱水管道上的電動三通閥，從而調(diào)節(jié)冷熱媒的流量，實(shí)現(xiàn)對房間溫度的控制。

4.3濕度控制

通過計(jì)算該系統(tǒng)并不需要除濕，只需在冬季設(shè)置加濕裝置，來滿足房間濕度要求，本工程采用蒸汽加濕，也是通過自動調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)潔凈室濕度的自動調(diào)節(jié)，在空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)總管上設(shè)置濕度傳感器，根據(jù)傳感器的測定值調(diào)整空調(diào)機(jī)組入口蒸汽管道上的電動二通閥，調(diào)節(jié)蒸汽流量，來實(shí)現(xiàn)對房間濕度的控制。

4.4壓差控制

微塵直接侵入室內(nèi)主要有以下幾種途徑：（1）通過房間的縫隙直接滲入；（2）新風(fēng)過濾器的過濾效率失效而帶入室內(nèi)；（3）操作人員未經(jīng)凈化帶入。對于第一種途徑就需要使?jié)崈舴块g內(nèi)維持一定的正壓值，根據(jù)《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間保持不小于5Pa的正壓值，潔凈區(qū)與室外保持不小于10Pa的正壓值。潔凈房間的正壓值是通過凈化系統(tǒng)的送風(fēng)量大于回風(fēng)量（排風(fēng)量）來實(shí)現(xiàn)的。本工程在典型房間設(shè)置壓差表，通過調(diào)節(jié)新風(fēng)入口閥門及回風(fēng)入口閥門來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的正壓要求。

4.5人員控制

為了防止工作人員進(jìn)入時(shí)帶入灰塵，潔凈室入口處設(shè)置人員閘門，工作人員進(jìn)入前需經(jīng)換鞋、更衣、空氣吹淋等凈化措施后方可進(jìn)入潔凈室。

4.6系統(tǒng)風(fēng)量控制

為了方便系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，使其滿足潔凈室潔凈等級要求，送風(fēng)機(jī)組內(nèi)風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，以方便對系統(tǒng)送風(fēng)量的調(diào)節(jié)，為了監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量、新風(fēng)量及回風(fēng)量在空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)總管、新風(fēng)總管、回風(fēng)總管上設(shè)置流量儀表，隨時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的風(fēng)量，使之滿足凈化空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量的要求。

4.7風(fēng)口選擇

由于廠房高度和跨度都很大采用一般的送風(fēng)口無法實(shí)現(xiàn)氣流的均勻和房間內(nèi)潔凈度及房間溫度的均勻，易造成局部含塵量偏高，滿足不了潔凈度的要求，由于氣流的不均勻，造成局部溫濕度不滿足潔凈室對溫濕度的要求，鑒于此種情況，引用成熟的機(jī)場、展館等大空間舒適性空調(diào)系統(tǒng)使用噴口送風(fēng)的方式，本工程考慮采用噴口側(cè)送風(fēng)方式，由于噴口射流的特點(diǎn)是送風(fēng)速度高、射程遠(yuǎn)，射流帶動室內(nèi)空氣進(jìn)行強(qiáng)烈混合，速度逐漸衰減，并在室內(nèi)形成大的回旋氣流，從而使空調(diào)區(qū)獲得較均勻的溫度場和速度場。噴口和回風(fēng)口布置在同一側(cè)，空氣以較高的速度、較大的風(fēng)量集中由設(shè)置在空間中部的若干個(gè)噴口射出，射流行至一定路程后折回，使整個(gè)空調(diào)區(qū)處于回流區(qū)，然后由設(shè)在下部的回風(fēng)口抽走返回空調(diào)機(jī)組。

以下就采用噴口側(cè)向送風(fēng)氣流分布進(jìn)行計(jì)算分析：

由于采用對噴，則一側(cè)的總送風(fēng)量取為42120m3/h。

（1）設(shè)噴口直徑ds=0.26m，工作區(qū)高度為2.5m，每股射流的射程x=10m，

落差y=8-2.5=5.5m。計(jì)算相對落差和相對射程：

（2）計(jì)算阿基米德數(shù)Ar：

（3）計(jì)算噴口的送風(fēng)速度vs：

（4）校核射流末端的軸心速度vx（m/s）和平均速度vp（m/s）：

（5）確定噴口個(gè)數(shù)n：

每側(cè)采取ds=0.26m的圓形噴口43個(gè)，噴口的實(shí)際送風(fēng)速度vs：

此處，射流末端的軸心速度vx和氣流平均速度vp：

根據(jù)參考文獻(xiàn)1中對氣流組織的基本要求，噴口側(cè)送風(fēng)的風(fēng)速宜取4～8m/s，若風(fēng)速太小不能滿足射程的要求，風(fēng)速過大在噴口處會產(chǎn)生較大的噪聲。當(dāng)空調(diào)區(qū)內(nèi)對噪聲控制要求不十分嚴(yán)格時(shí)，空調(diào)區(qū)送風(fēng)風(fēng)速vs可取最大10m/s，通過計(jì)算該工程的送風(fēng)風(fēng)速為vs=5.13m/s，滿足風(fēng)速4～8m/s的滿足要求。通過計(jì)算該工程空調(diào)區(qū)的氣流平均速度對于夏季以降溫為主的工藝性空調(diào)工程也是滿足參考文獻(xiàn)1的要求的。通過上述計(jì)算采用此種方式布置的噴口側(cè)送風(fēng)是滿足要求的。

為了保證噴口送風(fēng)的送風(fēng)速度均勻，每個(gè)噴口的風(fēng)速要接近相等，安裝噴口的風(fēng)管設(shè)計(jì)成變斷面的均勻送風(fēng)風(fēng)管，或起靜壓箱作用的等斷面風(fēng)管。本工程采用等斷面的起靜壓箱作用的風(fēng)管。

空氣分布圖

5.結(jié)論

對于此類型的高大空間潔凈廠房，僅下部區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)，在工作區(qū)采用潔凈分層空調(diào)噴口側(cè)送風(fēng)方式，在上部非潔凈工作區(qū)設(shè)置為排風(fēng)區(qū)，有效排走吊車軌道產(chǎn)生的塵埃和熱量，減少頂棚對工作區(qū)輻射的影響，采用此方法有效保證了工作區(qū)潔凈度的要求和溫濕度要求，節(jié)約了能源，減少了初投資。

該工程施工圖已經(jīng)完成，施工安裝還未進(jìn)行，因此，對系統(tǒng)的實(shí)測還無法實(shí)現(xiàn)，對于這種工作區(qū)域采用潔凈空調(diào)系統(tǒng)上部吊車區(qū)域采用排風(fēng)的方式是否如計(jì)算中能夠完全滿足工作場所的潔凈等級、溫度場分布是否均勻尚無法實(shí)際測量。

鑒于以上情況，送風(fēng)機(jī)組內(nèi)送風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，待工程施工完畢可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量值對送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之滿足要求。

［1］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2008年5月第二版，2011年12月第二十七次印刷.