生物医药洁净厂房二次回风空调系统三阀联控探析

施凯

（中国电子系统工程第四建设有限公司，上海 200051）

为了合理控制室内的温湿度，传统的冷却除湿通常采用一次回风系统，即首先把回风和新风混合，然后把混合后的空气通过冷盘管处理到机器露点，再通过加热盘管把处理后的空气温度加热到所需要的送风状态点送至室内。由于该方法存在大量的冷热抵消，不适用于送风温差较小或室内散湿量较小的场所。而二次回风即把一次回风系统中的加热盘管换成二次回风，用室内的回风来代替加热盘管，避免冷热抵消，适用于室内负荷较小，但换气次数较大的洁净空调系统，不过二次回风系统存在机器露点比一次回风系统的机器露点更低，除湿能力差，且一二次回风比例难确定等缺点。有没有一种空调系统把这两种空调系统结合在一起，可以扬长避短，既可以满足室内温湿度控制要求，又能达到节能的目的？本文提出一种新型的二次回风空调机组及其“三阀联控”的控制方式可以同时具有这些优势特点。

1 目前医药洁净厂房空调系统常用的几种形式

因生物医药厂房的空调系统是属于工艺性的空调系统，要满足不同工艺的室内洁净度、温湿度、压差等要求，这就跟工艺类型密切相关。又因为生物医药厂房的生产工艺种类繁多，其对空调系统的要求也大相径庭，所以根据不同的室内环境参数、室内热负荷、室内湿负荷、新风比等需求，以及结合初投资及节能方面的考虑，会采用不同的空调系统。下面列出目前主要采用的三种不同类型的空调处理系统。

1.1 一次回风空调处理系统

为了满足生物医药厂房的洁净等级，其空调系统送风的换气次数往往远大于室内负荷所需的换气次数，这就意味着如果采用一次回风的空调系统，在夏季则会不可避免地发生冷热抵消，尤其对于C级、B级这些洁净区域来说，耗能是非常严重的。但对于小型空调系统、新风比较大或者送风温差较大的空调系统来说，为了不增加空调机组的初投资，还会采用一次回风空调系统。其空调机组的常规配置如图1所示。

图1 一次回风空调机组配置图Fig.1 Configuration diagram of primary return air conditioning unit

1.2 新风集中处理系统

把各个空调系统的新风先通过新风空调机组集中处理到比室内含湿量更低一点的相对应的机器露点，以满足洁净室的湿度要求。处理后新风通过风管送至各循环空调机组，经与回风混合后再通过制冷或者加热处理来满足洁净室的温度要求。这样使洁净空调系统的湿度和温度分别由新风处理机组和空调循环机组来承担，使温度和湿度控制具有独立性及可操作性。新风空调机组的常规配置如图2所示。循环空调机组的常规配置如图3所示。

图2 新风空调机组配置图Fig.2 Configuration diagram of fresh air conditioning unit

图3 循环风空调机组配置图Fig.3 Configuration diagram of circulating air conditioning unit

优点：

（1）虽然增加了一台新风机组，但是其他循环空调机组均减少了很多功能段，从一定程度上来说，节省了设备投资的同时也节省了空调机房面积。

（2）因新风初效过滤器、中效过滤器、新风预冷和加热盘管等均集中在新风空调机组中，大大减少了维护的成本。

（3）节能效果显著，可以避免全部或部分冷热抵消。

缺点：

（1）由于房间内的湿负荷由新风机组来承担，各个循环机组不能独立调节室内的湿度，对于室内湿负荷差别较大或有较大变化的空调系统是不适合的。

（2）另外各个空调系统由于新风而连接在一起，一旦新风机组发生故障的话，所有的循环机组均会受到影响。

（3）当其中一个空调系统需要消毒排风时，如果没有良好措施的话，会影响其他循环机组运行的风 量。

（4）循环空调系统并不是真正独立的空调系统，循环空调系统之间难免会互相牵连，这也是很多使用者有所顾虑的地方。

1.3 双表冷盘管空调处理系统

新风先与室内一次回风混合，再通过空调机组的前表冷盘管处理到比室内含湿量更低一点的相对应的机器露点，以满足洁净室的湿度要求，然后与室内二次回风混合后再通过后表冷盘管制冷或者加热盘管制热处理来满足洁净室的温度要求。当室内发湿量很少，或者新风比较大时，可以省略空调机组一次回风段。这样使洁净空调系统的湿度和温度全部由一台空调机组来承担，温度和湿度控制同样具有独立性可以分别控制，且各个空调系统能够做到真正的独立互不干扰。双表冷盘管空调机组的常规配置如图4所示。

图4 双表冷盘管空调机组配置图Fig.4 Configuration diagram of double cold coils air conditioning unit

优点：

（1）各个空调系统相互独立，运行时互不干扰。

（2）对于室内发湿量大的空调系统有应对措施。

（3）节能效果与新风集中处理方式基本一致，可以避免全部或部分冷热抵消。

缺点：

（1）因一次回风与二次回风的比例很难调节确定，且在初次调试好后固定其比例，故通常为了能够保证除湿效果，设计或者调试时会把一次回风量调整偏大，这样会产生部分不必要的冷热抵消。

（2）当室内发湿量发生变化时，只能通过前表冷的冷冻水量来调节，这样对室内湿负荷的调节能力有限。

（3）因比其他形式的空调系统多增加了一个表冷盘管，初投资的成本也会增加。

2 一种新型的二次回风空调机组介绍

鉴于上述几种空调处理系统的特点，本文先提出一种新型空调机组功能段的配置，可以结合上述几种类型空调系统形式的优点，尽量避免或者减少缺点。具体的空调机组功能段配置如图5所示。

图5 新型的二次回风空调机组配置图Fig.5 Configuration diagram of new type secondary return air conditioning unit

室外新风经过初中效过滤器过滤后先与室内一次回风混合，再通过表冷盘管处理到比室内含湿量更低一点的相对应的机器露点，以满足洁净室的湿度要求，然后与室内二次回风混合后再送入室内，满足洁净室的温度要求。一次回风与二次回风的比例可以通过两个变风量阀门VAV1、VAV2来联动调节，为了使室内房间的压差不变，保证一次回风与二次回风的风量总和不变。一次回风的VAV1是主动阀门，去除室内的湿负荷以及冷负荷均可以通过调节VAV1的开度，同时配合表冷盘管或加热盘管的使用来实现，满足室内温湿度的要求，并且最大程度地避免冷热抵消，达到节能的目的。具体控制分析可见下列四种不同的情况，本次分析只讨论夏季工况下的空气状态。具体夏季工况的空气处理焓湿图参见图6～10。图中各状态点表示如下：

W——室外空气的状态点；

N—— 室内所需要温湿度的设定点，即控制后的室内温湿度状态点；

C1——调整后的一次回风混合后的送风状态点；

L——调整后的表冷盘管后面的机器露点；

O——调整后的加热盘管后面的空气状态点；

C2——调整后的二次回风混合后的送风状态点；

N'——室内偏离的温湿度状态点；

—— 调整前的一次回风混合后的送风状态点；

L'——调整前的表冷盘管后面的机器露点；

—— 调整前的二次回风混合后的送风状态点。

线段C2-N表示调整后的热湿比线，线段C2'-N'表示调整前的热湿比线，热湿比表示房间内热负荷与湿负荷之比，这与采用何种空调形式和控制方式无关，只与室内的热湿负荷的需求量有关，故这两条热湿比线的斜率与长度相同。因表冷盘管前的空气处理过程大致相同，下列焓湿图中只对比表示了空气处理过程中表冷盘管至室内的空气状态。图中细线表示调整前的空气处理过程，粗线表示调整后的空气处理过 程。

在这里本文提出一个“三阀联控”的概念，即通过调节VAV的风量、表冷盘管内水流量、加热盘管内水流量，就可以控制任何偏离状态的室内温湿度，这三者是联动的。其中有一个变化，就会影响室内的温湿度，但是只要设置好控制逻辑，各自就会达到新的平衡，满足室内设定值的要求。

（1）当室内含湿量及温度均小于设定值

如图6所示，当室内N'点的含湿量小于室内N点的设定值时，这说明通过表冷盘管后的空气的机器露点偏低，处理了过多的湿负荷，需要减小表冷盘管的冷冻水流量，使机器露点从L'点向L点转移，从而提高室内空气的湿度，使室内的含湿量控制在N点的设定值范围内；同时，在确保加热盘管关闭的情况下，根据室内温度调节VAV1的风量，使C2点在线段L-N上移动，使室内的温度控制在N点的设定值范围内。

（2）当室内含湿量小于及温度大于室内设定值

如图7所示，当室内N'点的含湿量小于室内N点的设定值时，这说明通过表冷盘管后的空气的机器露点偏低，处理了过多的湿负荷，需要减小表冷盘管的冷冻水流量，使机器露点从L'点向L点转移，从而提高室内空气的湿度，使室内的含湿量控制在N点的设定值范围内；当室内N'点的温度大于室内N点的设定值时，在确保加热盘管关闭的情况下，根据室内温度增大VAV1的风量，使C2点在线段L-N上靠近L点移动，使室内的温度控制在N点的设定值范围内。

图7 含湿量小于及温度大于室内设定值的空气处理焓湿图Fig.7 Psychrometric chart of air treatment with humidity content less than and temperature greater than indoor set value

（3）当室内含湿量及温度均大于设定值

如图8所示，当室内N'点的含湿量大于室内N点的设定值时，这说明通过表冷盘管后的空气的机器露点偏高，需要增大表冷盘管的冷冻水流量，使机器露点从L'点向L点转移，如果当通过表冷盘管的冷冻水流量开到最大时，室内的含湿量还是偏高，这说明目前通过表冷盘管冷却除湿后的新风及一次回风量已经不足以带走室内多余的湿负荷了，这就需要增大VAV1的风量，通过表冷盘管处理更加多的风量，从而提高送风的除湿能力，降低室内空气的湿度，使室内的含湿量控制在N点的设定值范围内，这时C2点在线段O-N上靠近O点移动；同时，根据室内温度需要增大加热盘管的热水流量，使室内的温度控制在N点的设定值范围内。

图8 含湿量及温度均大于室内设定值的空气处理焓湿图Fig.8 Psychrometric chart of air treatment with humidity content and temperature greater than indoor set value

（4）当室内含湿量大于及温度小于室内设定值

如图9、图10所示，当室内N'点的含湿量大于室内N点的设定值时，这说明通过表冷盘管后的空气的机器露点偏高，需要增大表冷盘管的冷冻水流量，使机器露点从L'点向L点转移，从而降低室内的含湿量，在这转移的过程中，如果能使室内的含湿量控制在N点的设定值范围内，这说明通过表冷盘管冷却除湿后的新风及一次回风量可以带走室内多余的湿负荷；这时室内N'点的温度必然小于室内N点的设定值，在确保加热盘管关闭的情况下，先根据室内温度减少VAV1的风量，则C2点在线段O-N上靠近N点移动，使室内的温度控制在N点的设定值范围内，如图9所示。如果此时VAV1关到最小（关闭）还未达到室内温度，这时再增大加热盘管的热水流量，使室内的温度控制在N点的设定值范围内，如图10所示。

图9 含湿量大于及温度小于室内设定值的空气处理焓湿图（无加热）Fig.9 Psychrometric chart of air treatment with humidity content greater than and temperature less than indoor set value（without heating）

图10 含湿量大于及温度小于室内设定值的空气处理焓湿图（有加热）Fig.10 Psychrometric chart of air treatment with humidity content greater than and temperature less than indoor set value（with heating）

综上所述，为了最大程度地避免冷热抵消，“三阀联控”主要的控制逻辑如下：

（1）温度偏高：先关小加热盘管的热水阀，再开大VAV1，连锁关小VAV2；温度偏低：先关小VAV1，连锁开大VAV2，再开大加热盘管的热水阀。

（2）含湿量偏高：先开大表冷盘管的冷水阀，再开大VAV1，连锁关小VAV2；含湿量偏低：先关小VAV1，连锁开大VAV2，再关小表冷盘管的冷水阀。

（3）当出现温度与含湿量同时由VAV1- VAV2控制的信号时，以VAV1开大风量的那个信号为主，另一个信号则自动切换成余下的那个控制方式控制。（如：VAV1收到温度信号是开大，收到含湿量信号是关小，则VAV1是以温度信号为主，继续开大，而含湿量则切换成由表冷盘管控制。）

对于冬季制热季节来说，可以固定VAV1和VAV2的风量，通过加热盘管来控制室内温度，通过加湿器来控制室内湿度，具体控制分析本文不再详 述。

3 一种新型的二次回风空调机组特例

在图5中，如果关闭VAV2，全开VAV1，则与一次回风空调系统完全相同；如果关闭VAV1，全开VAV2，则表示只用处理过的新风来承担室内的温湿度，这种模式只适用于处理过的新风具有的制冷及除湿能力大于室内热湿负荷的情况，且不可避免地有再热产生，其空气焓湿图如图10中粗线所示。

在生物医药洁净厂房中，有些高洁净度房间空调系统的换气次数是远大于室内负荷所需的换气次数的，其处理过的新风就可以完全带走室内的热湿负荷，这些空调系统的新风比，通常小于总风量的50%，这样我们可以把图5所示的空调机组拆分为新风空调机组及回风空调机组两部分，如图11所示。这两部分的空调机组不但干湿分离，可以按需求分开灵活布置，便于维护管理，而且减小了新风空调机组的整体尺寸，大大减少了初投资及机房面积。并且因新风的除湿除热能力足够，不再需要再用一次回风来补充，则可省略了一次回风段及VAV的控 制。

图11 新型的二次回风空调机组拆分配置图Fig.11 Split configuration diagram of new type secondary return air conditioning unit

当然，按实际情况如果不拆分的话，在图5所示的空调机组功能段中，也可以把二次回风段设置在表冷盘管与加热盘管之间，其达到的控制与节能的效果是一样的，但焓湿图上所表示的方式是不同的。

4 变风量阀（VAV）的性能与控制精度

目前市场上变风量阀门的形式主要有两种，一种是叶片型的，另一种是文丘里型的。因文丘里型阀门各方面的特性均要优于叶片型，故建议采用文丘里型变风量阀作为温湿度的控制阀。其主要性能如下：

（1）与压力无关的特性：阀体内具备有机械式压力补偿组件，可快速自动调节补偿风管内的压力变化，以避免不同管道之间相互干扰，进而维持风量控制准确。

（2）风量控制精度高：在不同压力及不同风量的情况下，风量控制精度均能做到小于±5%。

（3）风量调节比高：风量调节比范围依阀体类型不同，最高可达20∶1。

（4）响应速度快：机械部件对管道静压的变化响应时间及对信号指令的响应时间均小于1 s。

那么文丘里阀是否能够满足温湿度控制精度的要求呢？则上述几个特性就显得尤为重要了。因在医药洁净厂房的实际工程中，热湿比线的倾斜度大多接近垂直，可见风量对温度的影响比对湿度的影响大，下面我们只分析VAV阀对室内温度的影响。

（1）压力无关的特性可以使VAV1与VAV2之间的压力互不干扰，维持各自的风量稳定。

（2）VAV的风量控制精度可以控制到小于±5%，我们知道当负荷一定时，送风量与送风温差则成反比，根据这个理论可以把风量的控制精度折算成温度的控制精度，据保守估算，温度可控制在±1℃以内。

（3）高达20∶1的风量调节比足以满足一次回风与两次回风调节比例的需求。

（4）小于1秒的相应速度能够保证当室内负荷变化时，及时调整VAV的风量来控制室内的温度。

通过以上分析，可见用文丘里变风量阀来调节室内温湿度是可行的。

5 结束语

本文根据生物医药洁净厂房的特点，介绍了其适用的几种空调形式，并且对这几种空调形式的优缺点进行了分析比较，然后结合这几种空调形式的特点提出一种新型二次回风空调机组功能段的配置，并且分析讨论了“三阀联控”的控制逻辑。这种空调系统与一次回风空调系统相比，只增加了两个VAV阀门及其控制系统，几乎不增加其他初投资，却具有避免冷热抵消的节能效果；与普通的二次回风空调系统相比，不必需要更低的空调冷冻水；与新风集中处理空调系统及双表冷盘管空调处理系统相比，减少了冷盘管及其对应的冷冻水控制系统，并且能够根据室内负荷变化，以最大程度避免冷热抵消的方式实时调整控制，节能效果更加显著。

这种新型的二次回风空调系统不仅可以适用于生物医药洁净厂房，还可以用在其他工艺性的空调系统中。不过这种空调系统的控制相对复杂，还需要工程实例来检验其实际效果。