高大空間潔凈空調系統設計研究

唐萬斌 / 河北省天然氣有限責任公司

高大空間潔凈空調系統設計研究

唐萬斌 / 河北省天然氣有限責任公司

本文主要介紹了某高大空間潔凈空調系統設計實例，通過對該工程主要特點進行分析，得出初步設計方案，對全空間潔凈設計方案與局部潔凈方案進行了比選，通過比選最終采用局部潔凈空調方案，該方案在滿足工藝潔凈等級要求的前提下盡量節約初投資、節約能源。

高大潔凈空間；氣流組織；冷熱負荷；系統控制；噴口側送風

1.引言

近年來，隨著科技的發展，陸續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系統能耗居高不下，以及房間內氣流不均勻等問題越來越引起業內人士的重視。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，主要工作區集中在下部，僅對下層工作區有潔凈等級和溫濕度要求。以下就本人參與設計的某高大空間潔凈廠房在設計中就上述兩方面問題的考慮做了詳細的論述，希望與大家共同探討。

2.工程概述

本工程所在地區為北京市房山區，該地區的空調室外計算參數為：

本工程為高大精密設備組裝車間，整個車間高度15m，上部為吊車區域，下部7m為設備的組裝區域，整個空間為潔凈區，潔凈度等級為8級。規范《潔凈廠房設計規范》GB50073-2001規定，為保證空氣潔凈度等級的送風量，8級潔凈度等級的換氣次數為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％。

該工程的主要特點是：凈化空調區域空間大、房間跨度大、層高高，工藝生產期間設備發熱量不大，人員相對較少，空調系統的冷熱負荷以建筑物的維護結構產能為主。

凈化空調系統的送風氣流應以最短的距離，不受污染地直接送到工作區，并且盡量覆蓋工作區，使污染物在擴散之前就被攜帶到回風口，工作區的氣流速度應滿足生產工藝和衛生要求。

該生產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，從節省費用和減少投資又滿足工藝要求的情況下，使下部7m空間達到8級潔凈度要求，使潔凈氣流先經該操作部位，非操作區降低級別，以排風為主，使吊車局部產生的塵埃不污染及時帶走，不影響下部潔凈區。

以下就該工程潔凈區的空調系統從全空間潔凈設計方案和局部潔凈設計方案進行分析討論。

3.方案設計

3.1方案確定

方案一：按照全空間潔凈設計方案進行負荷風量計算：

根據潔凈區潔凈等級8級，參考《潔凈廠房設計規范》GB50073-2001和《電子工業潔凈廠房設計規范》GB50472-2008規范要求，潔凈室的送風量應取：（1）為保證空氣潔凈度等級的送風量；（2）根據熱、濕負荷計算確定的送風量；（3）向潔凈室內供給的新鮮空氣量；三項中的最大值。

根據潔凈等級確定換氣次數，按15次/h換氣次數計算空調風量，計算送風量為157950m3/h，按排除房間余熱計算送風量為66000m3/h，因此，確定該系統送風量157950m3/h，新風量按系統風量10％考慮，新風量15800m3/h，房間維持正壓≥5Pa，正壓風約10530m3/h，回風量152680m3/h，冷負荷537kW，熱負荷1416kW，加濕量1290kg/h。

主要設備選型：根據空調系統送風量，選用2臺組合式空調機組ZK80，額定風量80000m3/h，電機功率30kW；根據空調系統冷負荷，選用冷水機組選用2臺風冷螺桿式冷水機組LSF425，額定制冷量425kW，輸入功率128.8kW。組合式空調機組的選用無冗余設置，冷水機組按單臺容量滿足系統冷負荷70％考慮。

方案二：按照局部潔凈方案進行負荷風量計算：

本工程的主要特點是，凈化空調區域空間大、層高較高，根據工程特點，對房間的使用情況進行分析，根據工藝對房間使用情況，主要工作區在7m以下，上部8m主要是吊車活動區域，考慮采用分層設計空調系統，層高在0～8m區域按潔凈空調系統設計，層高在8～15m區域按排風設計，保證活動區域潔凈度等級及溫濕度要求。

根據潔凈等級確定換氣次數，按15次/h換氣次數計算空調風量，計算送風量為84240m3/h，按排除房間余熱計算送風量為66000m3/h，因此，確定該系統送風量84240m3/h，8m以上區域按4次/h換氣次數計算排風量，排風量19660m3/h。房間維持正壓≥5Pa，正壓風約5620m3/h，回風量70200m3/h，冷負荷399kW，熱負荷564kW，加濕量582kg/h。

主要設備選型：根據空調系統送風量，選用2臺組合式空調機組ZK50，額定風量50000m3/h，電機功率18.75kW；根據空調系統冷負荷，選用冷水機組選用2臺風冷螺桿式冷水機組LSF280，額定制冷量279kW，輸入功率90.7kW。組合式空調機組的選用無冗余設置，冷水機組按單臺容量滿足系統冷負荷70％考慮；排風系統選用1臺中效過濾機組，防止氣流倒灌，內配1臺4-72№10C型離心風機，功率5.5kW。

方案比選：方案一空調系統送風量157950m3/h，方案二空調系統送風量84240m3/h，僅空調系統風量方案二比方案一減少73710m3/h；方案一空調系統冷負荷537Kw，方案二空調系統冷負荷399kW，方案二比方案一空調系統冷負荷減少138kW；方案一空調系統熱負荷1416kW，方案二空調系統熱負荷564Kw，方案二比方案一空調系統熱負荷減少852kW（約合蒸汽量1400kg/h），方案一空調系統所需加濕量1290kg/h，方案二空調系統所需加濕量582kg/h，方案二比方案一空調系統加濕量減少708kg/h；方案一空調系統機組選用2臺ZK80組合式空調機組，方案二空調系統機組選用2臺ZK50組合式空調機組；方案一冷水機組選用2臺LSF425型風冷螺桿冷水機組，方案二冷水機組選用2臺LSF280型風冷螺桿式冷水機組；從以上設備選型看出方案二比方案一主要設備型號減小，輸入功率也大幅度減小。

因此采用方案二在確保工藝設備對潔凈度要求的前提下設備型號減小，節約了初投資、減少了設備機房占地面積，減少了建筑面積，減少了系統熱負荷和濕負荷減少了蒸汽用量，節約了能源，減少了用電功率，減少了后期的運行費用。因此，本工程考慮采用方案二進行潔凈空調系統設計。

3.2氣流組織

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

3.3空氣處理流程

潔凈空調系統的空氣處理過程采用一次回風加熱冷卻的方式，其流程如下圖所示：

4.系統控制分析

凈化空調系統的主要功能是通過對新風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，通過調節送回（排）風量來滿足房間的正壓要求。因此，空調系統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《潔凈廠房設計規范》對含塵量的要求，潔凈室的含塵量通過空調機組內的過濾器對新風及回風進行過濾，空調機組內的初效過濾器選用過濾效率大于等于50％（人工塵計重效率法）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％，對空調機組內初效過濾段和中效過濾段設置壓差監測儀表，當終阻力達到初阻力值的兩倍時發出報警，提示過濾器更換，使之做到對過濾器的及時更換和清洗，使過濾器不會因堵塞嚴重而影響其過濾效率和增大系統阻力，從而保證房間的潔凈度等級和系統風量。

4.2溫度控制

為了保持潔凈室內溫濕度的要求，需要空調系統來維持房間的溫濕度，因房間的溫濕度隨著外界負荷的變化而變化，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節空調系統，以滿足房間恒定的溫濕度，因此，在空調系統的回風總管上設置了溫度傳感器，根據傳感器的測定值調整空調機組入口冷熱水管道上的電動三通閥，從而調節冷熱媒的流量，實現對房間溫度的控制。

4.3濕度控制

通過計算該系統并不需要除濕，只需在冬季設置加濕裝置，來滿足房間濕度要求，本工程采用蒸汽加濕，也是通過自動調節裝置來實現潔凈室濕度的自動調節，在空調系統的回風總管上設置濕度傳感器，根據傳感器的測定值調整空調機組入口蒸汽管道上的電動二通閥，調節蒸汽流量，來實現對房間濕度的控制。

4.4壓差控制

微塵直接侵入室內主要有以下幾種途徑：（1）通過房間的縫隙直接滲入；（2）新風過濾器的過濾效率失效而帶入室內；（3）操作人員未經凈化帶入。對于第一種途徑就需要使潔凈房間內維持一定的正壓值，根據《潔凈廠房設計規范》的規定，潔凈區與非潔凈區之間保持不小于5Pa的正壓值，潔凈區與室外保持不小于10Pa的正壓值。潔凈房間的正壓值是通過凈化系統的送風量大于回風量（排風量）來實現的。本工程在典型房間設置壓差表，通過調節新風入口閥門及回風入口閥門來實現室內的正壓要求。

4.5人員控制

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

4.6系統風量控制

為了方便系統風量的調節，使其滿足潔凈室潔凈等級要求，送風機組內風機采用變頻風機，以方便對系統送風量的調節，為了監測空調系統送風量、新風量及回風量在空調系統送風總管、新風總管、回風總管上設置流量儀表，隨時監測系統的風量，使之滿足凈化空調系統送風量的要求。

4.7風口選擇

由于廠房高度和跨度都很大采用一般的送風口無法實現氣流的均勻和房間內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，引用成熟的機場、展館等大空間舒適性空調系統使用噴口送風的方式，本工程考慮采用噴口側送風方式，由于噴口射流的特點是送風速度高、射程遠，射流帶動室內空氣進行強烈混合，速度逐漸衰減，并在室內形成大的回旋氣流，從而使空調區獲得較均勻的溫度場和速度場。噴口和回風口布置在同一側，空氣以較高的速度、較大的風量集中由設置在空間中部的若干個噴口射出，射流行至一定路程后折回，使整個空調區處于回流區，然后由設在下部的回風口抽走返回空調機組。

以下就采用噴口側向送風氣流分布進行計算分析：

由于采用對噴，則一側的總送風量取為42120m3/h。

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

落差y=8-2.5=5.5m。計算相對落差和相對射程：

（2）計算阿基米德數Ar：

（3）計算噴口的送風速度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）確定噴口個數n：

每側采取ds=0.26m的圓形噴口43個，噴口的實際送風速度vs：

此處，射流末端的軸心速度vx和氣流平均速度vp：

根據參考文獻1中對氣流組織的基本要求，噴口側送風的風速宜取4～8m/s，若風速太小不能滿足射程的要求，風速過大在噴口處會產生較大的噪聲。當空調區內對噪聲控制要求不十分嚴格時，空調區送風風速vs可取最大10m/s，通過計算該工程的送風風速為vs=5.13m/s，滿足風速4～8m/s的滿足要求。通過計算該工程空調區的氣流平均速度對于夏季以降溫為主的工藝性空調工程也是滿足參考文獻1的要求的。通過上述計算采用此種方式布置的噴口側送風是滿足要求的。

為了保證噴口送風的送風速度均勻，每個噴口的風速要接近相等，安裝噴口的風管設計成變斷面的均勻送風風管，或起靜壓箱作用的等斷面風管。本工程采用等斷面的起靜壓箱作用的風管。

空氣分布圖

5.結論

對于此類型的高大空間潔凈廠房，僅下部區域為工作區，在工作區采用潔凈分層空調噴口側送風方式，在上部非潔凈工作區設置為排風區，有效排走吊車軌道產生的塵埃和熱量，減少頂棚對工作區輻射的影響，采用此方法有效保證了工作區潔凈度的要求和溫濕度要求，節約了能源，減少了初投資。

該工程施工圖已經完成，施工安裝還未進行，因此，對系統的實測還無法實現，對于這種工作區域采用潔凈空調系統上部吊車區域采用排風的方式是否如計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際測量。

鑒于以上情況，送風機組內送風機采用變頻風機，待工程施工完畢可以根據現場實際測量值對送風量進行調節，使之滿足要求。

［1］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版），中國建筑工業出版社，2008年5月第二版，2011年12月第二十七次印刷.