蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)藥廠房中的應(yīng)用
——以烏魯木齊某醫(yī)藥廠房為例

熊 瑞

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的不斷深入，空調(diào)行業(yè)也積極響應(yīng)國家的號召，涌現(xiàn)出了很多節(jié)能空調(diào)技術(shù)。醫(yī)藥潔凈廠房因為送風(fēng)量大，室內(nèi)溫度要求比舒適性空調(diào)低，能耗很大，有資料顯示，醫(yī)藥潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的能耗比占整個廠區(qū)動力運行能耗的60%[1]，如何實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能越來越成為醫(yī)藥廠房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重點。我國疆域遼闊，不同地區(qū)氣候差異很大，在氣候比較干燥的西部和北部地區(qū)如新疆、青海、西藏、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江等區(qū)域利用蒸發(fā)冷技術(shù)[2]被證明是可行的，并且節(jié)能效果明顯，因此，在夏季干熱地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計過程中，選擇什么樣的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，本文就此進行探討。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的原理

蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用的是水蒸發(fā)吸熱的原理，獲得冷風(fēng)或冷水的技術(shù)。空氣的冷卻處理可采用直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻或直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的二級或三級冷卻方式。直接蒸發(fā)時，使用循環(huán)水噴淋空氣，使之加濕。在加濕過程中存在顯熱和潛熱交換，由于顯熱和潛熱交換量相等，空氣的比焓值在處理前后是相同的。整個處理過程是等焓加濕的過程。等焓加濕過程可以處理的極限溫度是空氣的濕球溫度。其原理圖和焓濕圖如圖1所示。

間接蒸發(fā)時，當(dāng)冷媒（冷水）的溫度足夠高，使得空氣冷卻器空氣側(cè)傳熱面的溫度高于空氣的露點溫度但低于空氣的濕球溫度時，空氣在冷卻過程中的含濕量不變，即為等濕冷卻過程。間接蒸發(fā)冷卻通常與直接蒸發(fā)冷卻配合使用，間接—直接蒸發(fā)冷卻原理圖和焓濕圖如圖2所示。其中W為室外狀態(tài)點，N為室內(nèi)狀態(tài)點，W1為間接蒸發(fā)出風(fēng)狀態(tài)點，O為理論送風(fēng)狀態(tài)點。

2 藥廠蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 廠房概況

以烏魯木齊某藥廠綜合制劑車間為例進行蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，該廠房房間功能主要包括D、C級凈化區(qū)，更衣室、技術(shù)間、外包裝間舒適空調(diào)區(qū)，CNC走廊，輔助功能用房等區(qū)域。D、C級溫濕度參照GB 50457—2019《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計，D級區(qū)設(shè)計溫度為24℃，相對濕度55%；C級區(qū)設(shè)計溫度為22℃，相對濕度55%，舒適性空調(diào)設(shè)計溫度為26℃，相對濕度35%～75%，CNC走廊設(shè)計溫度為28℃，相對濕度35%～75%。D、C級凈化區(qū)因送風(fēng)量較大，且要保證室內(nèi)一定的潔凈級別，另外也避免頻繁的更換高效過濾器，采用組合式空調(diào)機組送風(fēng)，冷源常用常規(guī)的電制冷壓縮機，供回水溫度為7/12℃。舒適性空調(diào)區(qū)和CNC走廊采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，下面以其中一個包裝區(qū)和CNC走廊為例進行蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)計計算。

2.2 外包裝區(qū)蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

外包裝區(qū)建筑面積為1 219m2，建設(shè)方提供的此區(qū)域人員數(shù)為60人，經(jīng)計算該區(qū)域夏季冷負(fù)荷為80kW，人體散濕量根據(jù)公式（1）[3]：

式中：ψ——群集系數(shù)；n——計算時刻空調(diào)區(qū)內(nèi)的總?cè)藬?shù)；g——一名成年男子小時散濕量。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》群集系數(shù)φ取值0.9，26℃時中度勞動條件下，一名成年男子的散濕量為240g/h，帶入式（1）計算得人體散濕量為12.96kg/h。該區(qū)域散濕量主要為人員散濕量，房間其余散濕量不考慮，房間的熱濕比ε為22222。

人體潛熱冷負(fù)荷根據(jù)公式（2）計算[3]：

式中：Qx——人體散濕形成的潛熱冷負(fù)荷（W）；n——計算時刻空調(diào)區(qū)內(nèi)的總?cè)藬?shù)；qx——一名成年男子小時潛熱散熱量（W）。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》群集系數(shù)ψ取值0.9，26℃時中度勞動條件下，一名成年男子的潛熱散熱量為161W，帶入式（2）計算得人體潛熱散熱量為8 700W，即8.7kW。外包裝區(qū)的顯熱冷負(fù)荷=夏季總冷負(fù)荷——人體潛熱散熱量，計算得外包裝區(qū)顯熱冷負(fù)荷為71.3kW。

采用直接蒸發(fā)冷卻時的送風(fēng)溫度按公式（3）計算[4]：

式中：to——蒸發(fā)式冷氣機降溫處理后的出風(fēng)溫度（℃）；tw——進風(fēng)空氣干球溫度（℃）；tws——進風(fēng)空氣濕球溫度（℃）；η——蒸發(fā)式冷氣機效率，根據(jù)廠家提供的樣本或經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，宜取65%～85%。

過室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點N作ε=22 222kJ/kg的熱濕比線與ψ=90%的等相對濕度線的交點O即為理論送風(fēng)狀態(tài)點。查焓-濕圖得ho=55.4kJ/kg，hn=62.6kJ/kg，送風(fēng)量按公式（4）計算：

式中L——送風(fēng)量（m3/h）；Q——冷負(fù)荷（kW）；ρ——空氣密度，取1.2kg/m3；hn——室內(nèi)狀態(tài)點空氣焓值（kJ/kg）；ho——送風(fēng)狀態(tài)點空氣焓值（kJ/kg）；按公式（4）計算的送風(fēng)量為29 709m3/h。查焓-濕圖得烏魯木齊夏季室外空調(diào)計算干球溫度tw=33.5℃，濕球溫度tws=18.2℃，焓值hw=55.8kJ/kg，蒸發(fā)式冷氣機效率取80%計算，直接蒸發(fā)冷卻后的出風(fēng)溫度to1=21.26℃。過室外狀態(tài)點作hw=55.8kJ/kg的等含濕量線與to1=21.26℃的等溫線的交點即為實際送風(fēng)狀態(tài)點O1?？照{(diào)機組實際消除的顯熱冷負(fù)荷根據(jù)公式（5）計算：

式中：Q——顯熱冷負(fù)荷（kW）；m——空氣質(zhì)量流量（kg/s）；t2——空氣處理終狀態(tài)點（℃）；t1——空氣初始狀態(tài)點（℃）。

當(dāng)實際送風(fēng)狀態(tài)點為O1時，消除的顯熱冷負(fù)荷Q為47.4kW，小于室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷71.3kW，固采用直接蒸發(fā)冷卻不能滿足室內(nèi)溫度的要求，需要采用間接-直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，間接蒸發(fā)冷卻的效率一般不大于70%[5]，選擇間接蒸發(fā)冷卻的效率為60%進行計算，采用間接蒸發(fā)冷卻時的送風(fēng)溫度按公式（6）計算[4]：

式中tw1——間接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)段的干球溫度（℃）；tw——間接蒸發(fā)冷卻器進風(fēng)干球溫度（℃）；tws——間接蒸發(fā)冷卻器二次進風(fēng)濕球溫度（℃）；η——間接蒸發(fā)冷卻器效率，一般取值不大于70%。

本項目間接蒸發(fā)冷卻器效率按60%計算，間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣進風(fēng)為室外新風(fēng)，計算得到的間接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)干球溫度為tw1=24.3℃。直接蒸發(fā)冷卻器的效率還是按80%計算，按公式（3）計算得到的直接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)干球溫度為17.1℃，焓-濕圖過程如圖3所示。其中W-O1為直接蒸發(fā)冷卻過程，W-W1-O2為直接-間接蒸發(fā)冷卻過程。通過焓-濕圖過程可以看出室內(nèi)最終狀態(tài)點為N2點，N2點的溫度為26℃，相對濕度為50.6%，基本滿足舒適性空調(diào)溫濕度要求。

2.3 走廊蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

CNC走廊為環(huán)形走廊，走廊寬度2.4m，吊頂高度2.8m，長度180m，總面積為432㎡，根據(jù)建設(shè)方提供的此區(qū)域人員數(shù)量大概為100人，因該廠房為生產(chǎn)區(qū)，平時走廊人員活動數(shù)量不多，所以走廊由于人員產(chǎn)生的濕負(fù)荷基本上可以忽略不計，而圍護結(jié)構(gòu)、照明、設(shè)備等的散濕量也可以忽略不計，為簡化計算，本次設(shè)計時，不考慮走廊的濕負(fù)荷。

經(jīng)計算走廊的冷負(fù)荷為20kW，熱濕比按∞考慮，采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，3.2接計算的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為21.26℃，過送風(fēng)狀態(tài)點O1做等濕線與t=28℃的等溫線的交點即為室內(nèi)實際狀態(tài)點，焓-濕圖過程如圖4所示。查焓-濕圖得O1點的焓值ho1=55.8kJ/kg，N1為室內(nèi)實際狀態(tài)點，焓值為hN1=62.8kJ/kg，相對濕度ψN1=50.7%消除20kW的冷負(fù)荷所需的送風(fēng)量L=8572m3/h，走廊換氣次數(shù)為7.1次/h，溫濕度和換氣次數(shù)均滿足舒適性空調(diào)需求，所以CNC走廊可以采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。

3 結(jié)語

以實際案例介紹了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計過程，得出的結(jié)論為蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)非常適用，尤其是對于大空間，相對濕度不嚴(yán)格的區(qū)域采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)基本上能達(dá)到舒適性空調(diào)所需的人員溫濕度要求，可以節(jié)約空調(diào)能耗。

本項目蒸發(fā)冷卻器二次風(fēng)采用的是室外新風(fēng)，潔凈廠區(qū)有大量排風(fēng)，排風(fēng)的濕球溫度比室外空氣濕球溫度低，在有條件的情況下，蒸發(fā)冷卻器二次風(fēng)采用凈化區(qū)排風(fēng)可以得到更低的送風(fēng)溫度，從而可以在溫濕度更嚴(yán)格的區(qū)域使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。另外像藥廠的提取車間，有很多房間需要崗位送風(fēng)，也很適合采用蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)。