高大空间洁净空调系统设计研究

唐万斌

【摘 要】本文主要介绍了某高大空间洁净空调系统设计实例，通过对该工程主要特点进行分析，得出初步设计方案，对全空间洁净设计方案与局部洁净方案进行了比选，通过比选最终采用局部洁净空调方案，该方案在满足工艺洁净等级要求的前提下尽量节约初投资、节约能源。

【关键词】高大洁净空间；气流组织；冷热负荷；系统控制；喷口侧送风

1.引言

近年来，随着科技的发展，陆续建造了一些高大空间的洁净厂房。但高大空间洁净厂房空调系统能耗居高不下，以及房间内气流不均匀等问题越来越引起业内人士的重视。而高大空间的洁净厂房，往往使用上有特定的要求，比如厂房上部可能使用吊车，并不要求全空间净化，主要工作区集中在下部，仅对下层工作区有洁净等级和温湿度要求。以下就本人参与设计的某高大空间洁净厂房在设计中就上述两方面问题的考虑做了详细的论述，希望与大家共同探讨。

2.工程概述

本工程所在地区为北京市房山区，该地区的空调室外计算参数为：

本工程为高大精密设备组装车间，整个车间高度15m，上部为吊车区域，下部7m为设备的组装区域，整个空间为洁净区，洁净度等级为8级。规范《洁净厂房设计规范》GB50073-2001规定，为保证空气洁净度等级的送风量，8级洁净度等级的换气次数为10～15次/h，气流流型非单向流。

洁净室的温湿度范围为：冬季温度20～22℃，夏季温度24～26℃，冬季湿度30～50%，夏季湿度50～70%。

该工程的主要特点是：净化空调区域空间大、房间跨度大、层高高，工艺生产期间设备发热量不大，人员相对较少，空调系统的冷热负荷以建筑物的维护结构产能为主。

净化空调系统的送风气流应以最短的距离，不受污染地直接送到工作区，并且尽量覆盖工作区，使污染物在扩散之前就被携带到回风口，工作区的气流速度应满足生产工艺和卫生要求。

该生产工艺主要是在洁净室的下部7m空间工作，上部主要是吊车活动区，从节省费用和减少投资又满足工艺要求的情况下，使下部7m空间达到8级洁净度要求，使洁净气流先经该操作部位，非操作区降低级别，以排风为主，使吊车局部产生的尘埃不污染及时带走，不影响下部洁净区。

以下就该工程洁净区的空调系统从全空间洁净设计方案和局部洁净设计方案进行分析讨论。

3.方案设计

3.1方案确定

方案一：按照全空间洁净设计方案进行负荷风量计算：

根据洁净区洁净等级8级，参考《洁净厂房设计规范》GB50073-2001和《电子工业洁净厂房设计规范》GB50472-2008规范要求，洁净室的送风量应取：（1）为保证空气洁净度等级的送风量；（2）根据热、湿负荷计算确定的送风量；（3）向洁净室内供给的新鲜空气量；三项中的最大值。

根据洁净等级确定换气次数，按15次/h换气次数计算空调风量，计算送风量为157950m3/h，按排除房间余热计算送风量为66000m3/h，因此，确定该系统送风量157950m3/h，新风量按系统风量10%考虑，新风量15800m3/h，房间维持正压≥5Pa，正压风约10530m3/h，回风量152680m3/h，冷负荷537kW，热负荷1416kW，加湿量1290kg/h。

主要设备选型：根据空调系统送风量，选用2台组合式空调机组ZK80，额定风量80000m3/h，电机功率30kW；根据空调系统冷负荷，选用冷水机组选用2台风冷螺杆式冷水机组LSF425，额定制冷量425kW，输入功率128.8kW。组合式空调机组的选用无冗余设置，冷水机组按单台容量满足系统冷负荷70%考虑。

方案二：按照局部洁净方案进行负荷风量计算：

本工程的主要特点是，净化空调区域空间大、层高较高，根据工程特点，对房间的使用情况进行分析，根据工艺对房间使用情况，主要工作区在7m以下，上部8m主要是吊车活动区域，考虑采用分层设计空调系统，层高在0～8m区域按洁净空调系统设计，层高在8～15m区域按排风设计，保证活动区域洁净度等级及温湿度要求。

根据洁净等级确定换气次数，按15次/h换气次数计算空调风量，计算送风量为84240m3/h，按排除房间余热计算送风量为66000m3/h，因此，确定该系统送风量84240m3/h，8m以上区域按4次/h换气次数计算排风量，排风量19660m3/h。房间维持正压≥5Pa，正压风约5620m3/h，回风量70200m3/h，冷负荷399kW，热负荷564kW，加湿量582kg/h。

主要设备选型：根据空调系统送风量，选用2台组合式空调机组ZK50，额定风量50000m3/h，电机功率18.75kW；根据空调系统冷负荷，选用冷水机组选用2台风冷螺杆式冷水机组LSF280，额定制冷量279kW，输入功率90.7kW。组合式空调机组的选用无冗余设置，冷水机组按单台容量满足系统冷负荷70%考虑；排风系统选用1台中效过滤机组，防止气流倒灌，内配1台4-72№10C型离心风机，功率5.5kW。

方案比选：方案一空调系统送风量157950m3/h，方案二空调系统送风量84240m3/h，仅空调系统风量方案二比方案一减少73710m3/h；方案一空调系统冷负荷537Kw，方案二空调系统冷负荷399kW，方案二比方案一空调系统冷负荷减少138kW；方案一空调系统热负荷1416kW，方案二空调系统热负荷564Kw，方案二比方案一空调系统热负荷减少852kW（约合蒸汽量1400kg/h），方案一空调系统所需加湿量1290kg/h，方案二空调系统所需加湿量582kg/h，方案二比方案一空调系统加湿量减少708kg/h；方案一空调系统机组选用2台ZK80组合式空调机组，方案二空调系统机组选用2台ZK50组合式空调机组；方案一冷水机组选用2台LSF425型风冷螺杆冷水机组，方案二冷水机组选用2台LSF280型风冷螺杆式冷水机组；从以上设备选型看出方案二比方案一主要设备型号减小，输入功率也大幅度减小。

因此采用方案二在确保工艺设备对洁净度要求的前提下设备型号减小，节约了初投资、减少了设备机房占地面积，减少了建筑面积，减少了系统热负荷和湿负荷减少了蒸汽用量，节约了能源，减少了用电功率，减少了后期的运行费用。因此，本工程考虑采用方案二进行洁净空调系统设计。

3.2气流组织

采用洁净分层空调系统使系统的总送风量大为减少。风量减少了，要想得到较好的洁净空调效果，采用合理的气流组织就显得尤为重要，既要保证送风和回风（排风）的均匀性，减少洁净工作区的涡流，又由于厂房跨度大，所以必须增强送风气流的扩散特性，充分发挥送风气流的稀释作用。房间的室温允许波动范围大于±1.0℃，且为高大厂房，宜采用喷口侧向送风方式。因此，本工程采用两侧中部喷口对送风，下部回风，上部排风方式，保证工作区域处于回流区域。

3.3空气处理流程

洁净空调系统的空气处理过程采用一次回风加热冷却的方式，其流程如下图所示：

4.系统控制分析

净化空调系统的主要功能是通过对新风的过滤净化使房间的含尘量满足洁净级别的要求，通过对空气的冷却、加热、加湿、除湿等处理使房间的温湿度满足房间温湿度的要求，通过调节送回（排）风量来满足房间的正压要求。因此，空调系统的合理控制是非常重要的过程。

4.1过滤效率控制

洁净室最重要的是要控制房间的含尘量，使其满足《洁净厂房设计规范》对含尘量的要求，洁净室的含尘量通过空调机组内的过滤器对新风及回风进行过滤，空调机组内的初效过滤器选用过滤效率大于等于50%（人工尘计重效率法）的粗效过滤器，中效过滤器采用过滤效率70%（对粒径大于等于0.5μm微粒）的过滤器，高效过滤器过滤效率99%，对空调机组内初效过滤段和中效过滤段设置压差监测仪表，当终阻力达到初阻力值的两倍时发出报警，提示过滤器更换，使之做到对过滤器的及时更换和清洗，使过滤器不会因堵塞严重而影响其过滤效率和增大系统阻力，从而保证房间的洁净度等级和系统风量。

4.2温度控制

为了保持洁净室内温湿度的要求，需要空调系统来维持房间的温湿度，因房间的温湿度随着外界负荷的变化而变化，要想保证洁净室恒定的温湿度，需要一些自动控制手段来自动调节空调系统，以满足房间恒定的温湿度，因此，在空调系统的回风总管上设置了温度传感器，根据传感器的测定值调整空调机组入口冷热水管道上的电动三通阀，从而调节冷热媒的流量，实现对房间温度的控制。

4.3湿度控制

通过计算该系统并不需要除湿，只需在冬季设置加湿装置，来满足房间湿度要求，本工程采用蒸汽加湿，也是通过自动调节装置来实现洁净室湿度的自动调节，在空调系统的回风总管上设置湿度传感器，根据传感器的测定值调整空调机组入口蒸汽管道上的电动二通阀，调节蒸汽流量，来实现对房间湿度的控制。

4.4压差控制

微尘直接侵入室内主要有以下几种途径：（1）通过房间的缝隙直接渗入；（2）新风过滤器的过滤效率失效而带入室内；（3）操作人员未经净化带入。对于第一种途径就需要使洁净房间内维持一定的正压值，根据《洁净厂房设计规范》的规定，洁净区与非洁净区之间保持不小于5Pa的正压值，洁净区与室外保持不小于10Pa的正压值。洁净房间的正压值是通过净化系统的送风量大于回风量（排风量）来实现的。本工程在典型房间设置压差表，通过调节新风入口阀门及回风入口阀门来实现室内的正压要求。

4.5人员控制

为了防止工作人员进入时带入灰尘，洁净室入口处设置人员闸门，工作人员进入前需经换鞋、更衣、空气吹淋等净化措施后方可进入洁净室。

4.6系统风量控制

为了方便系统风量的调节，使其满足洁净室洁净等级要求，送风机组内风机采用变频风机，以方便对系统送风量的调节，为了监测空调系统送风量、新风量及回风量在空调系统送风总管、新风总管、回风总管上设置流量仪表，随时监测系统的风量，使之满足净化空调系统送风量的要求。

4.7风口选择

由于厂房高度和跨度都很大采用一般的送风口无法实现气流的均匀和房间内洁净度及房间温度的均匀，易造成局部含尘量偏高，满足不了洁净度的要求，由于气流的不均匀，造成局部温湿度不满足洁净室对温湿度的要求，鉴于此种情况，引用成熟的机场、展馆等大空间舒适性空调系统使用喷口送风的方式，本工程考虑采用喷口侧送风方式，由于喷口射流的特点是送风速度高、射程远，射流带动室内空气进行强烈混合，速度逐渐衰减，并在室内形成大的回旋气流，从而使空调区获得较均匀的温度场和速度场。喷口和回风口布置在同一侧，空气以较高的速度、较大的风量集中由设置在空间中部的若干个喷口射出，射流行至一定路程后折回，使整个空调区处于回流区，然后由设在下部的回风口抽走返回空调机组。

以下就采用喷口侧向送风气流分布进行计算分析：

由于采用对喷，则一侧的总送风量取为42120m3/h。

根据参考文献1中对气流组织的基本要求，喷口侧送风的风速宜取4～8m/s，若风速太小不能满足射程的要求，风速过大在喷口处会产生较大的噪声。当空调区内对噪声控制要求不十分严格时，空调区送风风速vs可取最大10m/s，通过计算该工程的送风风速为vs=5.13m/s，满足风速4～8m/s的满足要求。通过计算该工程空调区的气流平均速度对于夏季以降温为主的工艺性空调工程也是满足参考文献1的要求的。通过上述计算采用此种方式布置的喷口侧送风是满足要求的。

为了保证喷口送风的送风速度均匀，每个喷口的风速要接近相等，安装喷口的风管设计成变断面的均匀送风风管，或起静压箱作用的等断面风管。本工程采用等断面的起静压箱作用的风管。

5.结论

对于此类型的高大空间洁净厂房，仅下部区域为工作区，在工作区采用洁净分层空调喷口侧送风方式，在上部非洁净工作区设置为排风区，有效排走吊车轨道产生的尘埃和热量，减少顶棚对工作区辐射的影响，采用此方法有效保证了工作区洁净度的要求和温湿度要求，节约了能源，减少了初投资。

该工程施工图已经完成，施工安装还未进行，因此，对系统的实测还无法实现，对于这种工作区域采用洁净空调系统上部吊车区域采用排风的方式是否如计算中能够完全满足工作场所的洁净等级、温度场分布是否均匀尚无法实际测量。

鉴于以上情况，送风机组内送风机采用变频风机，待工程施工完毕可以根据现场实际测量值对送风量进行调节，使之满足要求。

参考文献：

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2008年5月第二版，2011年12月第二十七次印刷.