潔凈室空氣熱濕處理能耗分析

王秀山

(山西大學(xué)，山西 太原 030000)

0 引言

山西大學(xué)興建光電科研樓時(shí)，我們把建筑節(jié)能放在首位，始終堅(jiān)持功能第一、質(zhì)量第一、造價(jià)最低、能耗最小的原則，并從設(shè)計(jì)階段就會(huì)同技術(shù)人員全方位考慮各專業(yè)的設(shè)計(jì)方案，把節(jié)能工作落(實(shí))到了實(shí)處。該科研樓有15間實(shí)驗(yàn)室需要建造潔凈室，最高級(jí)別為百級(jí)，最低級(jí)別為千級(jí)。通過計(jì)算空調(diào)負(fù)荷和送風(fēng)量，發(fā)現(xiàn)潔凈室特別是100級(jí)潔凈室凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量大，送風(fēng)焓差小，所以單位送風(fēng)量承擔(dān)的冷負(fù)荷很小。而光學(xué)實(shí)驗(yàn)又要求潔凈室內(nèi)須保持較低的相對(duì)濕度，因此，只能提高送風(fēng)溫度來滿足這一要求。為了使?jié)崈羰疫_(dá)到100級(jí)、1000級(jí)的潔凈環(huán)境，應(yīng)使凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度提高(即送回風(fēng)溫差減小)，送風(fēng)狀態(tài)的相對(duì)濕度減小，才能達(dá)到潔凈室的要求。因此，在設(shè)計(jì)初期就否定了“一次回風(fēng)經(jīng)表冷器直接露點(diǎn)送風(fēng)的全空氣系統(tǒng)”方案，因?yàn)橛寐饵c(diǎn)送風(fēng)會(huì)使室內(nèi)相對(duì)濕度增加，無法滿足低濕要求。為此，以百級(jí)潔凈室為例，對(duì)符合要求的方案如一次回風(fēng)加再熱系統(tǒng)和二次回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，通過分析比較其空氣熱濕處理過程、設(shè)備的配置、耗冷量的大小，最后確定得出凈化空調(diào)的最佳的方案。并且通過技術(shù)手段，使其中一間含有百級(jí)、千級(jí)兩個(gè)級(jí)別的潔凈室合用一個(gè)系統(tǒng)，節(jié)省了機(jī)房面積和吊頂夾層的空間，降低了初投資，簡(jiǎn)化了運(yùn)行操作。

1 工程概況

山西大學(xué)量子光學(xué)科研樓共有實(shí)驗(yàn)室16間，其中15間實(shí)驗(yàn)室設(shè)置潔凈室，這15間實(shí)驗(yàn)室，每間均由準(zhǔn)備室、實(shí)驗(yàn)間及潔凈室構(gòu)成，潔凈室要求較低的相對(duì)濕度。準(zhǔn)備室及實(shí)驗(yàn)間對(duì)空氣潔凈度無要求，所以設(shè)置舒適空調(diào)系統(tǒng)來滿足溫濕度要求。潔凈室內(nèi)散濕量較小，實(shí)驗(yàn)人員2人～3人，最多6人～7人。除一間潔凈室潔凈度要求100級(jí)外，其他潔凈室潔凈度均為1000級(jí)。各實(shí)驗(yàn)室要求系統(tǒng)能單獨(dú)控制，用電能單獨(dú)計(jì)量，故設(shè)置分散式潔凈空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱媒均由冷、熱源機(jī)房統(tǒng)一制備供給。夏季冷媒為7℃/12℃冷凍水，冬季熱媒為60℃/50℃熱水。潔凈實(shí)驗(yàn)室位于－1層～2層，－1層，1層各有6間1000級(jí)的潔凈室;2層有兩間1000級(jí)潔凈室，1間百級(jí)、千級(jí)兩個(gè)級(jí)別的潔凈室。冷熱源機(jī)房位于－1層，1層，2層的空調(diào)機(jī)房位于樓層的西端。

2 能耗分析

1)方案1:一次回風(fēng)加再熱系統(tǒng)的熱濕處理過程。當(dāng)風(fēng)機(jī)置于表冷器前時(shí)，如圖1所示。空氣熱濕處理過程為:回風(fēng)與新風(fēng)混合到C點(diǎn)后經(jīng)過風(fēng)機(jī)加壓到D點(diǎn)，然后進(jìn)入表冷器冷卻去濕到達(dá)機(jī)器露點(diǎn)L點(diǎn)。控制冷水閥開度調(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風(fēng)狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣濕度，達(dá)到濕度控制目的;空氣繼而進(jìn)入再熱段，若有熱水或蒸汽，再熱段可用再熱盤管，控制熱水(或蒸汽)閥開度調(diào)節(jié)再熱量，使出風(fēng)狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣溫度，達(dá)到溫度控制目的。在夏季，無熱水和蒸汽，只能用電加熱器加熱空氣，使送風(fēng)溫度達(dá)到要求的O點(diǎn)。空氣熱濕處理過程如圖3所示。圖1～圖5中W為室外空氣狀態(tài)點(diǎn);N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn);C為新回風(fēng)混合點(diǎn);D為送風(fēng)機(jī)出口空氣狀態(tài)點(diǎn);L為機(jī)器露點(diǎn)(表冷器出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn));O為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖1 風(fēng)機(jī)置于表冷器前

當(dāng)風(fēng)機(jī)置于表冷器后時(shí)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)置于表冷器后

空氣熱濕處理過程為:回風(fēng)與新風(fēng)混合到C點(diǎn)后，經(jīng)過表冷器冷卻去濕達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)L點(diǎn)，控制冷水閥開度調(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風(fēng)狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣濕度，達(dá)到濕度控制目的。空氣經(jīng)送風(fēng)機(jī)加壓到D點(diǎn)，然后進(jìn)入再熱段，若有熱水或蒸汽，再熱段可用再熱盤管，控制熱水(或蒸汽)閥開度調(diào)節(jié)再熱量，使出風(fēng)狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣溫度，達(dá)到溫度控制目的。在夏季，無熱水和蒸汽，可用電加熱器加熱空氣，使送風(fēng)溫度達(dá)到要求的O點(diǎn)，空氣熱濕處理過程如圖4所示。

由上圖可見，風(fēng)機(jī)置于表冷器前時(shí)(見圖1，圖3)，風(fēng)機(jī)溫升(tD－tC)使表冷器處理空氣的焓差增大，再熱量也較大，冷熱抵消現(xiàn)象嚴(yán)重。即把空氣先從D點(diǎn)冷卻到機(jī)器露點(diǎn)L點(diǎn)，再通過空氣加熱器或電加熱器加熱到送風(fēng)狀態(tài)O點(diǎn)，能耗很大。而當(dāng)風(fēng)機(jī)置于表冷器后時(shí)(見圖2，圖4)，風(fēng)機(jī)的發(fā)熱量可被用作再熱的一部分(圖4中的LD部分即hD－h(huán)L)，再熱量減小，即由圖3的(hO－h(huán)L)減小為圖4的(hO－h(huán)D)，表冷器處理的焓差也變小，比圖1的方案節(jié)能。因此，對(duì)于一次回風(fēng)加再熱系統(tǒng)，選擇風(fēng)機(jī)置于表冷器后的方案(見圖2)，以此方案與二次回風(fēng)系統(tǒng)做經(jīng)濟(jì)性比較。

2)方案2:二次回風(fēng)系統(tǒng)。把系統(tǒng)的回風(fēng)分成兩部分，一部分回風(fēng)與新風(fēng)混合到C點(diǎn)，然后進(jìn)入表冷器冷卻去濕達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)L點(diǎn)，控制冷水閥開度調(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風(fēng)狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣濕度，達(dá)到濕度控制目的。出表冷器的空氣再與另一部分回風(fēng)(二次回風(fēng))混合到O點(diǎn)，控制二次回風(fēng)閥，調(diào)節(jié)二次回風(fēng)比，使出風(fēng)狀態(tài)(O點(diǎn))跟蹤室內(nèi)空氣溫度達(dá)到溫度控制目的。在空氣熱濕處理過程中利用回風(fēng)中的熱量來代替再熱量，沒有冷熱抵消現(xiàn)象，非常節(jié)能。在單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，為引入二次回風(fēng)，風(fēng)機(jī)須置于表冷器的下游，表冷器和二次回風(fēng)引入口位于機(jī)組的負(fù)壓區(qū)內(nèi)。百級(jí)潔凈室二次回風(fēng)系統(tǒng)空氣處理過程的焓濕圖如圖5所示。

圖3 一次回風(fēng)加再熱系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)置于表冷器前）

圖4 一次回風(fēng)加再熱系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)置于表冷器后）

圖5 二次回風(fēng)系統(tǒng)

兩種方案的比較:

1)方案1(如圖2，圖4所示)。

室內(nèi)與室外空氣混合到C點(diǎn)后，先冷卻再加熱，除風(fēng)機(jī)溫升帶來的熱量可利用外，還需要把空氣從D點(diǎn)加熱到O點(diǎn)才能滿足送風(fēng)溫度的要求。否則，室內(nèi)濕度達(dá)不到要求。這樣的方案出現(xiàn)冷熱抵消現(xiàn)象，能耗巨大。但溫濕度控制比較簡(jiǎn)單，只要控制冷水閥的開度，即可調(diào)節(jié)潔凈室的相對(duì)濕度，調(diào)節(jié)熱水閥的開度或電加熱器即可控制潔凈室的溫度。

2)方案2(如圖5所示)。

一部分回風(fēng)與室外空氣混合到C點(diǎn)后，經(jīng)表冷器冷卻到L點(diǎn)，然后再與另一部分回風(fēng)混合到送風(fēng)狀態(tài)O點(diǎn)，沒有再熱量，充分利用回風(fēng)中的熱量來滿足送風(fēng)溫度的要求，節(jié)能效果明顯。但溫濕度控制比較復(fù)雜，既要控制冷水閥，又要控制二次風(fēng)閥，調(diào)節(jié)起來比較困難。

3 方案的確定

1)方案1，一次回風(fēng)加再熱方案，由于再熱量增加了系統(tǒng)的供冷量，增加了系統(tǒng)的能耗，盡管控制比較簡(jiǎn)單，但由于能耗大，與當(dāng)前興建綠色節(jié)能建筑的理念相悖。

2)方案2，二次回風(fēng)方案，充分利用了回風(fēng)的熱量，不設(shè)置再加熱器，空調(diào)機(jī)組緊湊，盡管二次回風(fēng)量的調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，但完全可以通過技術(shù)手段來解決。

根據(jù)上述分析比較，結(jié)合百級(jí)潔凈室濕負(fù)荷小(熱濕比大)的特點(diǎn)，二次回風(fēng)系統(tǒng)是最佳的方案，所以光電實(shí)驗(yàn)樓的100級(jí)、1000級(jí)潔凈室凈化空調(diào)全部采用二次回風(fēng)系統(tǒng)。位于光電樓2層的100級(jí)潔凈室的鄰室潔凈度為1000級(jí)，這兩個(gè)潔凈室服務(wù)于一個(gè)課題組，若分成兩個(gè)獨(dú)立的二次回風(fēng)系統(tǒng)，不僅造價(jià)高，運(yùn)行管理復(fù)雜，而且吊頂夾層空間也不能滿足風(fēng)管的敷設(shè)要求，若能合為一個(gè)二次回風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)能效果更加明顯。

百級(jí)潔凈室采用單向流氣流組織方案，按斷面風(fēng)速計(jì)算送風(fēng)量;而千級(jí)潔凈室屬于非單向流潔凈室，按換氣次數(shù)計(jì)算送風(fēng)量。規(guī)范要求把二者分開設(shè)置系統(tǒng)，在工程中大家也是這么做的。能否通過技術(shù)措施把百級(jí)和千級(jí)潔凈室合為一個(gè)系統(tǒng)，分析如下。

百級(jí)潔凈室與千級(jí)潔凈室合用一個(gè)系統(tǒng)即共用一個(gè)組合式空調(diào)機(jī)組，采用同一個(gè)送風(fēng)參數(shù)送風(fēng)。通常，百級(jí)潔凈室的送風(fēng)量比千級(jí)潔凈室的送風(fēng)量大很多，根據(jù)式(1)可知:在百級(jí)與千級(jí)潔凈室冷負(fù)荷相差不太大的情況下(該實(shí)驗(yàn)室的100級(jí)、1000級(jí)潔凈室的冷、熱負(fù)荷相差都不大)，因系統(tǒng)采用同一送風(fēng)參數(shù)，送風(fēng)焓差不變(也即送風(fēng)溫差不變)，送風(fēng)量越大，在夏季送風(fēng)帶走的熱量就越多。所以送風(fēng)量大的百級(jí)潔凈室在夏季會(huì)出現(xiàn)過冷現(xiàn)象;類推，送風(fēng)量大的百級(jí)潔凈室在冬季會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

式中:QH——消除室內(nèi)余熱的送風(fēng)量，m3/h;

CL——潔凈室的冷負(fù)荷，kW;

ρ——空氣密度，kg/m3;

Δh——送風(fēng)焓差，kJ/kg。

由上述分析可見，不采取技術(shù)措施直接把百級(jí)與千級(jí)潔凈室合為一個(gè)系統(tǒng)，百級(jí)潔凈室會(huì)出現(xiàn)夏季過冷、冬季過熱的現(xiàn)象，不能滿足潔凈室溫度要求。在該工程設(shè)計(jì)中由于百級(jí)、千級(jí)潔凈室的系統(tǒng)均較小，而吊頂夾層空間、機(jī)房面積又有限，在此情況下采用如下技術(shù)措施來彌補(bǔ)百級(jí)潔凈室夏季過冷、冬季過熱的缺陷。

在吊頂夾層中增設(shè)空氣循環(huán)機(jī)組，百級(jí)潔凈室的熱濕負(fù)荷由集中空調(diào)機(jī)組承擔(dān)，潔凈度由空氣循環(huán)機(jī)組與集中空調(diào)機(jī)組共同承擔(dān)。

［1］馮樹根.空氣潔凈技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］黃 翔.空調(diào)工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.