某激光實(shí)驗(yàn)裝置凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

上海建筑設(shè)計研究院有限公司 李曉菲 朱學(xué)錦

超強(qiáng)超短激光是人類已知的最亮光源，相當(dāng)于把地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。所謂“超強(qiáng)”，是激光脈沖峰值功率達(dá)到PW級(1015W)；所謂“超短”，是脈沖寬度達(dá)到數(shù)十fs級(1 fs=10-15s)。如此高能量的激光，能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造出類似于恒星內(nèi)部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領(lǐng)域有重要研究價值。

1 工程概況

該項(xiàng)目為某超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，共6層，地上4層，地下2層，總建筑面積9 150 m2。地下2層用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳建筑面積1 100 m2，層高11.2 m，吊頂高度6 m。1層激光器大廳建筑面積1 100 m2，層高10.9 m，吊頂高度7.5 m；3層以上為充電能庫、常規(guī)元器件材料庫房等輔助用房。

2 設(shè)計參數(shù)及負(fù)荷計算

2.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

超強(qiáng)超短的激光在空氣中穿過，遇到細(xì)小的顆粒會引起散射，減弱光的強(qiáng)度，使得光不能聚焦為一個小點(diǎn)，而變成一個光斑。因此，激光器大廳和地下室用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳中要求的潔凈度等級均為7級。產(chǎn)生激光所使用的光學(xué)晶體對溫度變化敏感，溫度變化使得晶體表面曲率發(fā)生變化，進(jìn)而影響激光的行走路線?？諝庵械乃魵鈺g晶體表面，縮短設(shè)備的使用壽命。所以，室內(nèi)溫度和濕度同樣是需要嚴(yán)格控制的。這些環(huán)境參數(shù)對科學(xué)試驗(yàn)的成敗至關(guān)重要，潔凈室具體要求見表1。

表1 潔凈室具體要求

2.2 空調(diào)負(fù)荷計算

激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳為大空間實(shí)驗(yàn)室，分別位于地下1、2層及地上1、2層。底部設(shè)有浮筑樓板層，四周設(shè)置回風(fēng)空腔，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷很小。實(shí)驗(yàn)區(qū)工藝設(shè)備較多，發(fā)熱量較大，全年處于制冷工況。室內(nèi)顯熱負(fù)荷主要由照明、人員、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組(fan filter unit，F(xiàn)FU)風(fēng)機(jī)、電再熱盤管、工藝設(shè)備散熱組成。同時需考慮工藝?yán)鋮s循環(huán)水帶走的熱量及新風(fēng)負(fù)荷，最終確定室內(nèi)負(fù)荷。顯熱負(fù)荷占比如圖1所示。

圖1 各顯熱負(fù)荷占比示意圖

經(jīng)計算，激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間、電源隔熱間的夏季總冷負(fù)荷為447 kW，激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳的設(shè)備工藝?yán)鋮s水負(fù)荷約為441 kW。

3 空調(diào)冷熱源

風(fēng)冷冷水機(jī)組整體性好、安裝方便、運(yùn)行可靠，可露天安裝在室外，不占用有效建筑面積。冷水機(jī)組+冷卻塔系統(tǒng)穩(wěn)定性好，冷水機(jī)組COP高，但需要設(shè)置制冷機(jī)房，屋頂需考慮冷卻塔布置位置。由于該項(xiàng)目是獨(dú)立單體，建筑面積較小，缺乏安裝冷水機(jī)組的機(jī)房面積，故采用3臺單臺制冷量為350 kW的風(fēng)冷冷水機(jī)組?？紤]潔凈室空調(diào)需要24 h連續(xù)運(yùn)行，其中1臺機(jī)組作為備用。潔凈室采用干盤管(DC)+風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組(FFU)的空調(diào)方式，為確保吊頂內(nèi)的干盤管無冷凝水產(chǎn)生，避免冷凝水泄漏損壞室內(nèi)設(shè)備，采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，干盤管的冷水供/回水溫度為14 ℃/19 ℃。

激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳的設(shè)備工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)采用2臺單臺制冷量為240 kW的風(fēng)冷冷水機(jī)組冷卻，該機(jī)組的出水溫度為14 ℃，回水溫度為19 ℃。經(jīng)過調(diào)研風(fēng)冷冷水機(jī)組的多家廠商資料，風(fēng)冷冷水機(jī)組不能直接制取設(shè)備工藝?yán)鋮s水所要求的17 ℃供水，故配置2套板式換熱機(jī)組進(jìn)行換熱。

其他區(qū)域如超快化學(xué)與大分子物理用戶終端實(shí)驗(yàn)室、光電檢測操作間、走道、電梯廳前室等各個功能用房為舒適性空調(diào)區(qū)域，要求空調(diào)使用靈活，故采用熱泵型變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)能、舒適、運(yùn)行平穩(wěn)，占用的建筑空間小，更能滿足用戶個性化的使用要求。

4 凈化空調(diào)系統(tǒng)

4.1 凈化空調(diào)方式選擇

潔凈室一般采用凈化空調(diào)箱或干盤管+風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組的凈化空調(diào)方式，這2種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)工藝需求、機(jī)房情況等進(jìn)行選擇。凈化空調(diào)箱對室內(nèi)的空氣進(jìn)行集中處理，處理后的空氣經(jīng)風(fēng)管送入潔凈室。該方式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備均在獨(dú)立機(jī)房內(nèi)，檢修方便、室內(nèi)噪聲易控制；其缺點(diǎn)是空氣輸送路程較長，空氣輸送能耗較大，管道占用吊頂空間較大，需要一定面積的空調(diào)機(jī)房。干盤管+風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組的方式將大量的風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組和干盤管均勻安裝在潔凈室吊頂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)回風(fēng)、室內(nèi)送風(fēng)。其優(yōu)點(diǎn)是空氣輸送路程短，空氣輸送能耗較小，節(jié)省機(jī)房面積；缺點(diǎn)是有一定的噪聲，設(shè)備檢修不方便，干盤管有冷凝水泄漏的風(fēng)險。鑒于該項(xiàng)目機(jī)房面積有限，采用轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)+干盤管+風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組的方式，風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組選中擋風(fēng)量并采用高效直流變速風(fēng)機(jī)，節(jié)能的同時可控制室內(nèi)噪聲，干盤管設(shè)置冷凝水盤和冷凝水排放管路，以避免盤管結(jié)露產(chǎn)生不利影響。

潔凈區(qū)頂部均布風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組，處理后的一次風(fēng)(新風(fēng)與回風(fēng))在回風(fēng)夾道中與循環(huán)風(fēng)混合，經(jīng)設(shè)置在吊頂上的干盤管處理后進(jìn)入上部送風(fēng)靜壓箱，經(jīng)風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組加壓、高效過濾后送入大廳內(nèi)，回風(fēng)經(jīng)側(cè)墻下部回風(fēng)百葉風(fēng)口(帶粗效過濾器)送至回風(fēng)夾道。干盤管主要承擔(dān)潔凈室內(nèi)顯熱負(fù)荷，潔凈室內(nèi)的潔凈度由風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組保障[1]。凈化空調(diào)處理流程見圖2。

圖2 凈化空調(diào)處理流程

4.2 新風(fēng)量的確定及新風(fēng)處理過程

4.2.1新風(fēng)量的確定

新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用于補(bǔ)償潔凈室排風(fēng)量和維持潔凈室正壓所需的滲透風(fēng)量，帶走室內(nèi)濕負(fù)荷，保證干盤管處于干工況運(yùn)行，同時滿足人員衛(wèi)生需求[2]。共設(shè)置2臺雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，風(fēng)量分別為8 000、7 000 m3/h，1臺負(fù)責(zé)1層激光器大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間，1臺負(fù)責(zé)用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳。

4.2.2新風(fēng)處理過程

激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間要求室內(nèi)相對濕度嚴(yán)格控制在30%～40%之間，當(dāng)室內(nèi)溫度22 ℃時，室內(nèi)空氣相對濕度為40%，含濕量為6.56 g/kg，露點(diǎn)溫度為7.79 ℃，新風(fēng)僅采用常規(guī)冷水機(jī)組進(jìn)行冷凍除濕難以達(dá)到以上濕度要求，需要采用轉(zhuǎn)輪除濕方式進(jìn)行除濕。

冷凍除濕法具有除濕效率高、除濕量大、耗電量小的優(yōu)點(diǎn)，但常溫制冷機(jī)組不能進(jìn)行深度除濕，適用于空氣露點(diǎn)溫度較高的場合。轉(zhuǎn)輪除濕法具有深度除濕、濕度調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低濕狀態(tài)，缺點(diǎn)是需要電熱再生，耗電量大。采用冷凍除濕與轉(zhuǎn)輪除濕二級聯(lián)合除濕可結(jié)合2種除濕方法的優(yōu)點(diǎn)，減小室外新風(fēng)濕度對室內(nèi)的干擾，減小室內(nèi)濕度的波動，同時提高冷凍除濕的機(jī)器露點(diǎn)和冷水機(jī)組的效率，降低轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組的除濕量，減小再熱量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

冷凍除濕與轉(zhuǎn)輪除濕二級聯(lián)合除濕系統(tǒng)由雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組和轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)箱組成。雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組為帶有預(yù)冷盤管的直膨式冷凍除濕機(jī)組，室外新風(fēng)經(jīng)過高溫冷水(14 ℃)預(yù)冷盤管預(yù)冷后，經(jīng)過低溫蒸發(fā)器進(jìn)一步降溫除濕，在轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)箱中與室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行混合后，經(jīng)過分子篩轉(zhuǎn)輪深度除濕升溫，再經(jīng)過高溫冷水(14 ℃)干盤管進(jìn)行降溫，最后送入潔凈室回風(fēng)空腔，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的濕度控制。新風(fēng)處理流程如圖3、4所示。在轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組中設(shè)置電極加濕器，滿足冬季室內(nèi)加濕的要求。

圖3 冷凍降溫除濕過程

圖4 轉(zhuǎn)輪除濕過程

為了延長風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組高效過濾器的使用壽命，新風(fēng)除濕機(jī)組設(shè)置了粗中效纖維層過濾器和高效濾過濾器。雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組的冷凝器夏季排風(fēng)溫度在40～50 ℃，將冷凝器排風(fēng)作為轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組的再生空氣可節(jié)約電加熱量，該排風(fēng)在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組再生段前，經(jīng)過熱管熱回收器與再生出口排放的高溫空氣進(jìn)行換熱升溫，進(jìn)一步減少再生電加熱量，可減少再生空氣的加熱量約50%。

4.3 凈化風(fēng)量計算

根據(jù)GB 50472—2008《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中對潔凈室內(nèi)送風(fēng)量的要求，分別計算凈化風(fēng)量和負(fù)荷風(fēng)量。1層激光器大廳及地下室用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳為7級(萬級)凈化要求，根據(jù)GB 50472—2008規(guī)定，氣流流型為非單向流，換氣次數(shù)為15～25 h-1[3]，由于潔凈室內(nèi)發(fā)熱量較大，故選擇換氣次數(shù)為25 h-1。根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，工藝性空調(diào)的送風(fēng)溫差根據(jù)室溫允許波動范圍選取，故選擇送風(fēng)溫差為2.5 ℃[4]。1層5級(百級)裝配間根據(jù)工藝要求，設(shè)置獨(dú)立凈化空調(diào)系統(tǒng)，面風(fēng)速為0.20 m/s。1層6級(千級)裝配間根據(jù)工藝要求，換氣次數(shù)為60 h-1，設(shè)置獨(dú)立凈化空調(diào)系統(tǒng)。

4.4 氣流組織

潔凈區(qū)頂部均布風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組(風(fēng)機(jī)過濾單元)，送風(fēng)口、回風(fēng)口的送回風(fēng)溫度、位置、風(fēng)速對室內(nèi)氣流組織、溫度場、速度場影響很大，借助CFD三維氣流組織數(shù)值計算仿真模擬技術(shù)，可以直觀地表示出各種不同尺寸、位置的風(fēng)口和不同送風(fēng)溫度下的溫度場和速度場，分析討論其不同參數(shù)下的氣流分布規(guī)律、特點(diǎn)及其改進(jìn)方向，尋求合適的氣流組織形式以滿足節(jié)能和工藝性的需要。該項(xiàng)目采用CFD軟件來模擬溫濕度和潔凈度要求較高的激光器大廳和用戶實(shí)驗(yàn)大廳的溫度場和速度場，如圖5、6所示。

圖5 溫度場氣流流型圖

圖6 速度場氣流流型圖

根據(jù)CFD模擬來確定風(fēng)機(jī)過濾器機(jī)組的臺數(shù)、位置及送風(fēng)風(fēng)速，確定回風(fēng)口的位置和數(shù)量，同時校核實(shí)驗(yàn)平臺的氣流速度。

5 空調(diào)自動控制系統(tǒng)

5.1 溫度控制

采用干盤管與電加熱器相結(jié)合的系統(tǒng)控制室內(nèi)的溫度[5]。在激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間的四周墻體及中間柱子上設(shè)置室內(nèi)溫度探頭，實(shí)時采集室內(nèi)溫度并與設(shè)定值進(jìn)行比較。通過DDC(直接數(shù)字控制系統(tǒng))控制干盤管回水管上電動三通閥的開度，調(diào)節(jié)水流量，使?jié)崈羰业臏囟缺３衷诳刂品秶鷥?nèi)。配置電加熱器安裝在吊頂靜壓箱內(nèi)，電加熱器前后均設(shè)置溫度探頭，通過電加熱器前的溫度傳感器控制電加熱器的加熱量，同時檢測電加熱器后的送風(fēng)溫度，以控制送風(fēng)溫度精度。

5.2 濕度控制

采用雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組和轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組控制室內(nèi)的濕度。在激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間的四周墻體及中間柱子上設(shè)置室內(nèi)濕度探頭。雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)組和轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組自帶控制系統(tǒng)，能在不同工況下，根據(jù)室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)除濕量及加濕量，滿足潔凈室濕度要求，并留有大樓BA(樓宇設(shè)備自控系統(tǒng))控制接口。

5.3 壓差控制

GB 50472—2008《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中要求潔凈室(區(qū))與周圍的空間應(yīng)保持一定的靜壓差，目的是為了確保潔凈室(區(qū))的正常工作狀態(tài)或在空氣平衡暫時受到破壞時，空氣流只能從空氣潔凈度等級高的房間流向空氣潔凈度等級低的房間，使?jié)崈羰?區(qū))內(nèi)的空氣潔凈度不會受到非潔凈空氣的干擾。在激光器大廳、用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳內(nèi)設(shè)置壓差傳感器，根據(jù)室內(nèi)外的壓差控制大廳內(nèi)的排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，同時風(fēng)管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥與風(fēng)機(jī)連鎖控制。百級超凈裝配間、千級超凈裝配間設(shè)有余壓閥，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)外的壓差。

6 檢測結(jié)果

運(yùn)行一段時間后檢測，單點(diǎn)溫度波動小于0.1 ℃/d，整個大廳工作面上20多個溫度監(jiān)控點(diǎn)的均勻度小于0.2 ℃/d，濕度波動度實(shí)現(xiàn)了1%/d的指標(biāo)，潔凈度也達(dá)到7級要求。溫濕度檢測記錄如圖7、8所示。

圖7 溫度檢測記錄

圖8 相對濕度檢測記錄

7 結(jié)語

該項(xiàng)目目前已建成并投入使用，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用要求。激光器大廳和用戶實(shí)驗(yàn)平臺大廳是該項(xiàng)目最重要的2個科研區(qū)域，控制高大空間室內(nèi)溫濕度波動和潔凈度，關(guān)鍵在于控制氣流組織的穩(wěn)定性。需要在換氣次數(shù)較大的情況下，保證工作區(qū)具有均勻且較小的氣流速度。在實(shí)際工程中還應(yīng)綜合考慮冷熱源等整體的經(jīng)濟(jì)性和適用性，同時冷凍除濕與轉(zhuǎn)輪除濕相結(jié)合的二級除濕方式還值得繼續(xù)研究與探討。