包裝材料實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用實(shí)踐

劉小赫

南京博森科技有限公司上海分公司 上海 201619

1 項(xiàng)目概況

本工程為上海塔恩包裝材料有限公司實(shí)驗(yàn)室改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于廠房一樓，樓板高4.6m，建筑主梁底3.6m，建筑次梁底4.1m。項(xiàng)目包括七個(gè)功能區(qū)，分別為物理實(shí)驗(yàn)室、前處理室、化學(xué)分析室、氣相室、緩沖間、空調(diào)間及氣瓶間，室內(nèi)凈面積分別為31.6㎡、10.5㎡、17.8㎡、11.4㎡、8.5㎡、4.8㎡及4.8㎡，實(shí)驗(yàn)室平面布置圖如圖1所示。物理實(shí)驗(yàn)室、前處理室及化學(xué)分析室三個(gè)功能區(qū)的地面均抬高0.15m，要求完工后室內(nèi)凈高均不低于2.7m。

圖1 實(shí)驗(yàn)室平面布置圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 室外計(jì)算參數(shù)（詳見(jiàn)表1）

表1 室外計(jì)算參數(shù)

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)（詳見(jiàn)表2）

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 恒溫恒濕精密空調(diào)

項(xiàng)目中的物理實(shí)驗(yàn)室，因其溫濕度控制精度要求高，必須配置專用的恒溫恒濕精密空調(diào)進(jìn)行控制[1]。

根據(jù)中國(guó)建筑工業(yè)出版社《空氣調(diào)節(jié)》“空調(diào)負(fù)荷計(jì)算與送風(fēng)量”，在確定房間內(nèi)空調(diào)負(fù)荷、選定空調(diào)機(jī)的制冷/加熱量時(shí)，通常需要考慮如下因素。

a.室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)（濕度基數(shù)及精度要求）。

工作區(qū)（+0.8m至+2.0m區(qū)域）的溫濕度必須常年滿足23℃±1℃、50%±2%RH。

b.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量及其形成的負(fù)荷（包括建筑外墻、屋頂、外窗等）。

物理實(shí)驗(yàn)室位于廠房?jī)?nèi)，墻體及屋頂?shù)慕ㄖ牧暇鶠閮艋夭输摪?，厚度?0mm，彩鋼板內(nèi)保溫材料為巖棉，巖棉密度為100kg/m3,鋼板基板厚度δ≥0.475 mm。墻體及屋頂總面積為115㎡。根據(jù)多層材料構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻R（K.m2/W）為各層材料熱阻的和及 R=δ/λ與K=1/R。

其中：δ為單一均質(zhì)材料層厚度 m

λ為單一均質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m.K)

可計(jì)算出凈化保溫彩鋼板的綜合傳熱系數(shù)K=1.36W/(㎡.K)。

再根據(jù)傳熱學(xué)公式：Q=KF⊿t

其中：Q為負(fù)荷 W

K為傳熱系數(shù)，W/(m2.K)

F為接觸面積，m2

⊿t為接觸面兩端的溫差，K

采用夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度34℃及冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度-4℃作為負(fù)荷溫度逐時(shí)極值，可得到墻體及屋頂計(jì)算冷負(fù)荷為1.72kW，計(jì)算熱負(fù)荷為4.22kW。

c.地面的散熱散濕及形成的負(fù)荷：物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)因已將建筑地面抬高，且鋪設(shè)了木地板，此項(xiàng)負(fù)荷視為0。

d.室內(nèi)工藝設(shè)備的散熱量及其形成的負(fù)荷：物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)任何發(fā)熱工藝設(shè)備，此項(xiàng)負(fù)荷視為0。

e.室內(nèi)照明的得熱量及其形成的負(fù)荷：室內(nèi)配置9盞48W的LED燈，因90%左右的電能會(huì)轉(zhuǎn)化為光能，則發(fā)熱量按功率的10%計(jì)算，此項(xiàng)冷負(fù)荷為0.04kW。

f.室內(nèi)人體的散熱散濕量及其形成的負(fù)荷：人體散熱散濕與性別、年齡、衣著、勞動(dòng)強(qiáng)度及環(huán)境條件（溫濕度）等多種因素有關(guān)，且因不同性質(zhì)的建筑物內(nèi)成年男子、女子、兒童、老人數(shù)量均有不同比例，其中成年男子散熱散濕量最大，為方便計(jì)算，室內(nèi)均以成年男子作為計(jì)算依據(jù)[2]。常駐工作人員為4人，根據(jù)人體散熱/散濕量公式：Q=qnn’。

其中： q為不同溫度條件成年男子散熱散濕量 W

n為室內(nèi)全部人數(shù)

n’為群集系數(shù)

可得人體負(fù)荷為0.64kW

g.外門開(kāi)啟形成的負(fù)荷：因現(xiàn)場(chǎng)改造條件的局限性，物理實(shí)驗(yàn)室無(wú)法配置單獨(dú)的緩沖間，而是與其他房間共用，也無(wú)法起到常規(guī)緩沖間的全部作用。故由緩沖間進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)室時(shí)，門體的開(kāi)啟會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫濕度造成波動(dòng)影響。門體尺寸為900*2400mm，工作人員攜帶實(shí)驗(yàn)物品出入時(shí)門體開(kāi)啟及閉合時(shí)長(zhǎng)按30s計(jì)算。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算公式Q=0.278Vcρ⊿t，其中：

V —流入的外界空氣量，m3/h；

c —冷空氣的定壓比熱，=1KJ/（kg ℃）；

ρ —室外計(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3；

⊿t—室內(nèi)外計(jì)算溫度差，℃；

0.278—單位換算系數(shù)，1kJ/h=0.278W。

可得計(jì)算冷負(fù)荷為0.5kW，計(jì)算熱負(fù)荷為1.2kW

h.室內(nèi)其他濕源及其形成的負(fù)荷：因物理實(shí)驗(yàn)室必須為微正壓設(shè)計(jì)，且四周均做保溫維護(hù)結(jié)構(gòu)，故不考慮門窗縫隙進(jìn)入的空氣造成的負(fù)荷，室內(nèi)也無(wú)任何散濕源，故此項(xiàng)負(fù)荷視為0。

以上各項(xiàng)累計(jì)得出房間總冷負(fù)荷2.9kW，總熱負(fù)荷5.42kW。

i.房間送風(fēng)量的確定：因恒溫恒濕房間內(nèi)余濕值極小，故熱濕比按∞考慮。取送風(fēng)溫差為1℃，根據(jù)熱平衡公式G=Q/(iN-iO)可得計(jì)算送風(fēng)量為：2636m3/h。

j.新風(fēng)量的確定：新風(fēng)量的計(jì)算依據(jù)幾點(diǎn)：第一、按室內(nèi)工作人員的數(shù)量，以不低于人均0.5m3/min標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算；第二、滿足室內(nèi)的正壓要求；第三、房間循環(huán)風(fēng)量的5%選?。坏谒?、用戶的特殊要求。各項(xiàng)計(jì)算值取最大作為新風(fēng)選型標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目中按人員計(jì)算得到200m3/h，按正壓計(jì)算得到168m3/h，按循環(huán)風(fēng)量的5%計(jì)算得到132m3/h。新風(fēng)量取值為200m3/h。

k.空調(diào)制冷量的確定：本項(xiàng)目空調(diào)設(shè)計(jì)為一次回風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)制冷量Q=G（iC-iL）=Gw(iW-iN)+G(iN-iL），空調(diào)再熱量W=G（iO-iL）。其中：

G——空調(diào)送風(fēng)量，kg/s

Gw——新風(fēng)量，kg/s

iW——新風(fēng)狀態(tài)焓，kJ/kg

iN——室內(nèi)狀態(tài)焓，kJ/kg

iL——露點(diǎn)焓，kJ/kg

iO——送風(fēng)點(diǎn)焓，kJ/kg

計(jì)算得到恒溫恒濕空調(diào)制冷量15.3kW，加熱量9.2kW。

換氣次數(shù)校核：參考《GB50019-2015工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在高精度恒溫恒濕環(huán)境系統(tǒng)中，在滿足空氣換氣次數(shù)的前提下，再選擇合適的制冷量與加熱量，才是空調(diào)系統(tǒng)選型的關(guān)鍵所在[3]。換氣次數(shù)=循環(huán)風(fēng)量/房間體積，循環(huán)風(fēng)量=換氣次數(shù)×房間體積。

根據(jù)《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》GB/T10739-2002中的技術(shù)要求規(guī)定：室內(nèi)空氣應(yīng)每小時(shí)循環(huán)15-30次，工作區(qū)域的空氣流速應(yīng)不高于18m/min。計(jì)算循環(huán)風(fēng)量范圍為1682.7m3/h-3365.4m3/h。

綜合以上計(jì)算數(shù)據(jù)，再向上與恒溫恒濕精密空調(diào)機(jī)組規(guī)格取整，選定實(shí)驗(yàn)室專用風(fēng)冷直流變頻恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組（制冷量：16kW，風(fēng)量：3500 m3/h，機(jī)外靜壓：400Pa，加熱量：9kW，加濕量：6kg/h，配電功率：19.4kW，數(shù)量：1臺(tái)）。

3.2 新風(fēng)空調(diào)

本項(xiàng)目新風(fēng)空調(diào)有四個(gè)作用：滿足恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室（物理實(shí)驗(yàn)室）內(nèi)新風(fēng)換氣要求；滿足緩沖間微正壓要求；滿足因強(qiáng)制排風(fēng)而產(chǎn)生的補(bǔ)風(fēng)要求；滿足緩沖間及前處理室夏季最高30℃、冬季最低10℃的要求。新風(fēng)空調(diào)的負(fù)荷需按同時(shí)滿足上述四個(gè)要求的總量設(shè)計(jì)。

a.新風(fēng)量。1)物理實(shí)驗(yàn)室所需新風(fēng)量：200m3/h。2)緩沖間微正壓所需：8.5*3.6*2=61.2m3/h。3)補(bǔ)風(fēng)所需：緩沖間內(nèi)有通風(fēng)柜1臺(tái)（最大風(fēng)量1400m3/h）,前處理室內(nèi)有通風(fēng)柜1臺(tái)（最大風(fēng)量1400m3/h）,氣相室內(nèi)有萬(wàn)向排氣罩1個(gè)（最大風(fēng)量200m3/h），化學(xué)分析室內(nèi)有萬(wàn)向排氣罩1個(gè)（最大風(fēng)量200m3/h），原子吸收罩1個(gè)（最大風(fēng)量400m3/h）,計(jì)算最大排風(fēng)量為3600m3/h。除物理實(shí)驗(yàn)室及緩沖間外，其他房間按常壓考慮。

新風(fēng)總量=200+61.2+3600=3861.2m3/h

b.制冷量。夏季室外空氣由狀態(tài)點(diǎn)W X（3 4 ℃，83%RH）減焓降溫處理至XX（30℃，90%RH）（說(shuō)明：處理后的空氣相對(duì)濕度取90%，是因?yàn)榭照{(diào)設(shè)備的機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)其相對(duì)濕度即為90%）計(jì)算所需制冷量為18.7kW。

c.加熱量計(jì)算。冬季室外空氣由狀態(tài)點(diǎn)WD（-4℃，75%RH）沿等濕線處理至XD（10℃，26.2%RH），計(jì)算所需加熱量為18.1kW。

綜合以上計(jì)算數(shù)據(jù)，再向上與新風(fēng)空調(diào)機(jī)組規(guī)格取整，選定實(shí)驗(yàn)室專用冷凍水型恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組（臥式吊裝，制冷量：20kW，新風(fēng)量：4000 m3/h，加熱量：20kW，加濕量：6kg/h，數(shù)量：1臺(tái)）， 配置風(fēng)冷變頻冷水機(jī)組（制冷量：20kW，制熱量：25kW）1臺(tái)。

3.3 舒適性空調(diào)

化學(xué)分析室選擇2匹冷暖空調(diào)器；天花機(jī)吊裝，不額外占用室內(nèi)已經(jīng)很緊張的地面位置。

3.4 恒溫恒濕系統(tǒng)

在高精密恒溫恒濕環(huán)境中，在對(duì)應(yīng)的測(cè)試狀態(tài)條件下，在有效空間及有效測(cè)量距離條件下，溫濕度實(shí)測(cè)值都必須滿足精確度、波動(dòng)度、均勻度與空間梯度的要求[4]。工程上采用的最有效的氣流組織方式為上送風(fēng)+底回風(fēng)。

上送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為頂送風(fēng)型恒溫恒濕機(jī)組——送風(fēng)靜壓箱——送風(fēng)風(fēng)管——送風(fēng)風(fēng)口——全面送風(fēng)孔板。

但因本項(xiàng)目是改造工程，物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)地面已抬高150mm且安裝了木地板，同時(shí)業(yè)主明確要求地面要利舊，無(wú)法采用底回風(fēng)方式，故設(shè)計(jì)如下回風(fēng)解決方案：

室內(nèi)四周設(shè)計(jì)500mm高度的回風(fēng)夾道，夾道上方安裝定制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)家具。設(shè)計(jì)合適規(guī)格及數(shù)量的回風(fēng)口，每個(gè)回風(fēng)口都安裝調(diào)節(jié)閥，且回風(fēng)口的位置與實(shí)驗(yàn)臺(tái)下部的留空位相對(duì)應(yīng)。在房間內(nèi)四角位置設(shè)計(jì)回風(fēng)柱，與回風(fēng)管相連接到恒溫恒濕機(jī)組，保證了室內(nèi)回風(fēng)的均勻性及順暢性。

送回風(fēng)均采用鍍鋅鋼質(zhì)矩形風(fēng)管，風(fēng)管外表面均做保溫處理。

3.5 強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)設(shè)備包括兩臺(tái)排風(fēng)柜（單臺(tái)最大排風(fēng)量1400m3/h，均排放有機(jī)廢氣）、兩臺(tái)萬(wàn)向排氣罩（單臺(tái)最大排風(fēng)量200m3/h）、一臺(tái)原子吸收罩（最大排風(fēng)量400m3/h）。

上述排風(fēng)設(shè)備均僅在需要時(shí)開(kāi)啟。因現(xiàn)場(chǎng)最大總排風(fēng)量只有3600m3/h，在滿足安全的前提下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，只設(shè)計(jì)了一套排風(fēng)系統(tǒng)。將萬(wàn)向排氣罩及原子吸收罩的排風(fēng)納入到了排風(fēng)柜的排風(fēng)系統(tǒng)中來(lái)，在萬(wàn)向排氣罩及原子吸收罩的出口處安裝調(diào)節(jié)閥以匹配各自的排風(fēng)量。在排風(fēng)柜的出口處安裝電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，開(kāi)關(guān)閥與排風(fēng)柜的開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)，杜絕排風(fēng)柜關(guān)閉時(shí)管路中排風(fēng)短路。排風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)變頻調(diào)節(jié)控制方式，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中經(jīng)常變化的風(fēng)量，保證整個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。排風(fēng)均采用PP圓形風(fēng)管，風(fēng)管外表面均做保溫處理。

3.6 新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)

業(yè)主給定的空調(diào)間僅夠布置恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組，完全沒(méi)有預(yù)留新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)機(jī)組的地面安裝位置，加之新風(fēng)/補(bǔ)風(fēng)管路分布范圍較廣，需布置在空調(diào)間、緩沖間、氣相室、前處理室及化學(xué)分析室這五個(gè)房間，故設(shè)計(jì)將新風(fēng)空調(diào)機(jī)組吊裝在緩沖間的天花上空位置。為避免冷凝水泄漏隱患，特增設(shè)不銹鋼水盤，安裝在新風(fēng)空調(diào)機(jī)組底部，設(shè)計(jì)的接水盤的面積不小于新風(fēng)空調(diào)機(jī)組的投影面積。

新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)均采用鍍鋅鋼質(zhì)矩形風(fēng)管，風(fēng)管外表面均做保溫處理。

3.7 風(fēng)管系統(tǒng)綜合管線規(guī)劃

因?yàn)槭歉脑祉?xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)已有的舊管線舊設(shè)備舊家具很多，雖然會(huì)拆除一部分，但是相當(dāng)一部分（例如消防管路、舊有的隔斷支撐支架等）會(huì)保留。加上業(yè)主指定了恒溫恒濕空調(diào)間、新風(fēng)入口及排風(fēng)出口的位置，造成了三套系統(tǒng)的管路存在一定程度的空間交叉沖突可能。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘查測(cè)量，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)在風(fēng)管風(fēng)速允許范圍內(nèi)盡量減小風(fēng)管的厚度，將排風(fēng)風(fēng)管與新風(fēng)風(fēng)管分兩層布置，新風(fēng)布置在上層，排風(fēng)布置在下層，在有限可利用的空間內(nèi)保證所有管路的平滑通暢。

4 項(xiàng)目成果

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室通過(guò)業(yè)主長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)運(yùn)行測(cè)試，確認(rèn)滿足既定的實(shí)驗(yàn)條件；物理實(shí)驗(yàn)室的溫濕度控制參數(shù)也于2021年12月22日一次性通過(guò)上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的檢測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)室的成功建設(shè)，充分體現(xiàn)了安全健康、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保、精密控制的設(shè)計(jì)理念，有力保證了使用單位實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的可信度與公信力。

5 結(jié)束語(yǔ)

新建實(shí)驗(yàn)室一切都是可見(jiàn)的，勘察設(shè)計(jì)施工條件比較好，能夠借鑒參考的圖紙文件也比較齊全；舊實(shí)驗(yàn)室因?yàn)楣芾韱?wèn)題、人事變動(dòng)原因等，能夠借鑒參考的圖紙文件不能保證齊全或準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)（尤其是本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室還正在使用當(dāng)中）有很多東西不可見(jiàn)，一些預(yù)埋管線甚至完全不可知。這就需要設(shè)計(jì)人員要有高度的責(zé)任心、良好的專業(yè)素養(yǎng)和豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并在施工過(guò)程隨時(shí)和項(xiàng)目管理人員、施工班組保持密切聯(lián)系和溝通，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整施工圖紙。在項(xiàng)目竣工驗(yàn)收之日，也是最新最齊全竣工圖完成之時(shí)，為日后實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維和管理帶來(lái)極大的便利——安全來(lái)自專業(yè)的設(shè)計(jì)與施工。