温湿度独立控制在高大洁净厂房中的应用

dudu121

【摘要】 介绍了高大洁净厂房净化空调系统设计方案,分别设置新风处理机组和循环处理机组,利用两级冷源分段降温除湿,不但避免了传统空调再热造成的冷热抵消,而且实现了空调区域温湿度独立控制。 [url=]更多[/url][url=]还原[/url]


               
1 项目工程概况
1.1 项目建筑概况
某总装测试试验中心厂房位于天津滨海新区，总建筑面积为67035 m2，建筑总占地面积为34207 m2。该建筑由科研楼和生产厂房两部分组成，其中生产厂房由若干工艺车间组成，装配测试净化区作为较大的核心区域之一，主要服务于洁净环境中的大型设备组装、测试。
装配测试净化区为工艺性生产车间，属于高大洁净厂房，根据产品装配、竖向起吊和产品检测的工艺需求，采用钢筋混凝土双支柱，屋顶钢网架结构形式，屋架下弦高度为23.6 m，双支柱间距为1.6 m，且两柱之间设斜拉杆作为柱间支撑。墙壁及顶板采用100 mm 厚的金属夹芯净化壁板，地面为防静电自流平地面。本厂房装配测试净化区分为I区和II区，空调区域参数见表1所示。

1.2 净化空调系统
我国现行的《洁净厂房设计规范》（GB50073-2013）所规定的空调换气次数仅适用于层高小于4 m 的洁净室，对于层高大等于4 m 的高大厂房的气流组织及换气次数暂无明确规定。在项目前期，利用CFD模拟对装配测试净化区上侧喷口侧送、下侧回风的分层净化空调换气次数进行了分析，发现人体、设备尘源相对集中的区域其粒子浓度场和温度场明显较高。尽管换气次数达到9次/h净化区的洁净度已远高于大空间的设计要求，但根据净化区人体尘源相对集中、设备使用时间周期不均衡性等特点，随着送风量的大幅降低会引发局部区域洁净度和温度超标的风险[1-2]。因此，合理地确定送风量是满足高大净化区洁净度和温度综合效值的关键。
装配测试I、II区上层非净化区域为静置状态；净化区域（h=12 m）内根据环境的净化要求，采用上侧喷口侧送、下侧回风的分层净化空调系统。本工程对12 m 以下的工作区域采用换气次数为12 次/h 为其中，根据厂房内的冷、热负荷计算确定洁净变频空调处理机组以8次/h的换气次数承担净化区的热、湿负荷；高余压自净器以4次/h的换气次数保证净化区的洁净级别。如果以整个建筑空间来计算，平均换气次数为6次/h。装配测试净化区空调系统计算数据见表2所示。

表2 净化区空调系统计算表

新风换气次数是高大厂房净化空调的一个重要设计参数，是减少高大洁净厂房空调投资费用和运行能耗的关键环节。我国现行规范[3]推荐2~4次/h的新风量偏大较多，应尽量减少新风换气次数，实现降低投资节能运行的目的。本工程净化区工艺要求的正压值为5 Pa，通过缝隙法计算可得到新风量为1次/h；同时参考大型洁净厂房新风换气次数的模拟和测试结果可知，对于洁净度为8级的高大洁净厂房新风量可以减少到1 次/h[3]。本次装配测试I、II 区设计综合考虑净化区正压风量和人员所需新风量的需求，新风量取1次/时进行计算。洁净变频空调处理机组风量计算数据见表3所示。

表3 洁净空调处理机组风量计算表
2 净化空调系统处理方案分析
2.1 厂区冷、热源现状
现有园区区域能源中心三联供提供冷源，设计参数为7/13 ℃，考虑输送管路的温升等综合因素，实际供到本建筑的冷媒参数：夏季为9/15 ℃的冷冻水、冬季加热热媒为85/60 ℃热水。根据工艺使用要求和洁净区（8 级）空调参数，本设计基准参数按照tn=23 ℃、φ=50%、tl=12 ℃考虑。依据规范[4]冷媒的进口温度应低于空气的出口干球温度至少3.5 ℃，现区域能源中心可提供9/15 ℃的冷冻水，露点送风理论温度tl=12.5 ℃已高于房间露点温度，无法满足工艺参数要求。因此，若仅依靠能源中心的冷源进行冷冻除湿难以满足洁净空调区域的工艺要求。
2.2 净化空调系统除湿方案
根据分析可知，本项目在区域能源中心提供的一次冷媒（9~15 ℃冷冻水）无法满足洁净空调区域工艺参数要求的情况下，需对系统进行除湿处理。针对本项目空调系统夏季常用的冷冻除湿和转轮除湿进行分析。
2.2.1 集中提供低温冷冻水除湿（方案一）
本建筑单独设置5~10 ℃的水冷冷水机组，供有湿度要求的洁净区使用。本工程洁净空调区域采用全空气系统，利用5~10 ℃冷冻水表冷后状态点的露点温度约为tl=10.5 ℃，因此系统最大送风温差可达到12.5 ℃；但是洁净空调处理风量不宜过小，综合考虑净化区换气次数等因素，洁净空调系统送风温差设计温度取6 ℃，通过电加热来满足设计要求。集中冷源空气处理i-d见图1，表4为各状态点参数。

图1 集中冷源空气处理
表4 各状态点参数
装配测试净化区采用一次回风系统，夏季送风温差为6 ℃，送风处理量G 为658660 m3/h，新风量为157803 m3/h。根据集中冷源空气处理i-d 图1 和各状态点参数表4，可知：净化区耗冷量为Q0Q0=1.1ρG(hC-hL)/3600 （1）式中：ρ 为空气密度，可取1.2kg/m3；G 为送风处理量，m3/h；hC为回风混合点焓值，kJ/kg·干空气；hL为冷却后状态点焓值，kJ/kg·干空气。代入数据可得，净化区耗冷量为5069 kW。空调机组再热量为QrQr=1.1cρG(tS-tL) （2）式中：c 为空气的比热容，一般取1.01kJ/(kg·℃)；tS 为送风状态点干球温度，℃；tL 为冷却后状态点干球温度，℃。代入数据可得，净化区再热量为1073 kW。根据计算可知，装配测试净化区需增设3 台5~10 ℃水冷冷水机组（Q=467 Rt/ 台）及水泵、冷却塔等制冷设备，预计耗电量需增加1250 kW。
2.2.2 新风单独设置低温冷源除湿（方案二）
本建筑净化区空调系统为了充分利用园区现有冷源，可采用温、湿度独立控制方案，利用区域能源中心集中冷源（9~15 ℃）将新风一次处理至tx=17.2 ℃；并在建筑内增设5～10 ℃低温制冷系统，将新风进行二次冷处理，再与室内回风混合后送至净化区。新风不仅承担新风负荷，而且负担所有的湿负荷；洁净空调循环机组在保证净化区洁净级别的同时，负责消除净化区的余热。通过两套独立的空调控制系统实现温、湿度独立控制。低温冷源独立处理新风i-d见图2，表5为各状态点参数。

空调系统送风处理量G 为658660 m3/h，新风量为157803 m3/h。
采用方案二，根据低温冷源独立处理新风i-d 图2和各状态点参数见表5，可知：区域冷源预冷所承担的新风冷负荷为Q1Q1=1.1ρGX(hW-hL1)/3600 （3）式中：GX为新风量，m3/h；hW为室外状态点焓值，kJ/kg·干空气；hL1为新风预冷点焓值，kJ/kg·干空气。代入数据可得，新风冷负荷为2373 kW。独立低温冷源对新风二次除湿所承担的冷负荷为Q2Q2=1.1ρGX(hL1-hL2)/3600 （4）式中：hL1为新风预冷点焓值，kJ/kg·干空气；hL2为新风二次除湿点焓值，kJ/kg·干空气。代入数据可得，新风二次除湿冷负荷为846 kW。新风与洁净区回风混合后采用区域冷源等湿冷却所承担的冷负荷为Q3Q3=1.1ρG(hC-hS)/3600 （5）式中：hL1为回风混合点焓值，kJ/kg·干空气；hL2为送风状态点焓值，kJ/kg·干空气。代入数据可得，再冷负荷为677 kW。由上可得，采用方案二时，洁净空调系统区域冷源耗冷量为3050 kW，新增独立低温冷源耗冷量为846 kW，系统总耗冷量为3896 kW。根据计算可知，装配测试净化区需增加5~10 ℃带热回收风冷螺杆冷热水机组（Q=954kW/台）1台及水泵等制冷设备，预计耗电量需增加360kW。
2.2.3 转轮除湿
转轮为无机材料，性能相对稳定、使用寿命长；吸湿面积大、除湿量大；适用温度范围较宽，易实现自动化[5]。但是转轮除湿机再生过程需要高压蒸汽或电加热。目前开发区无高压蒸汽提供，只能采用电加热再生，由于再生加热耗电量相当大，因此其经济性较差。装配测试净化区的新风首先经区域冷源预冷，并经转轮除湿机处理后，再与净化区回风混合，由区域冷源干表冷至送风状态点，以保证室内温、湿度要求。转轮除湿空气处理i-d见图3，表6为各状态点参数。

采用方案三，空调系统送风处理量G 为658660 m3/h，新风量为157803 m3/h，转轮除湿再生风量为所处理新风量的1/3，约为52601 m3/h。根据转轮除湿空气处理i-d图3和各状态点参数见表6，可知：区域冷源预冷所承担的新风冷负荷与方案二相等均为2373 kW。转轮除湿点与洁净区回风混合后采用区域冷源再冷所承担的冷负荷为冷负荷为Q4Q4=1.1ρG(hL1-hL2)/3600 （6）式中：hL1为回风混合点焓值，kJ/kg·干空气；hL2为送风状态点焓值，kJ/kg·干空气。代入数据可得，再冷负荷为1796 kW。由上可得，采用方案三时，洁净空调系统区域冷源总耗冷量为4169 kW。再生加热量QZ和再生加热器功率N分别为QZ=1.1LZρZc(t3-tW)/3600 （7）式中：LZ为再生风量，m3/h；ρZ为再生空气在加热前的密度，可取1.15 kg/m3；t3为实际再生温度，℃；tW为室外干球温度，℃。代入数据可得，再生加热量为1617 kW。N=QZ/0.9 （8）式中：QZ为再生加热量，kW。代入数据可得，再生加热器功率为1796 kW。根据计算可知，装配测试净化区需增配15套整体式转轮除湿机（L=12000 m3/套）。
3 除湿方案综合分析
装配测试净化区洁净空调系统为满足洁净级别和室内温湿度要求，需要巨大的循环风量和较高的系统负荷。所以，减少净化空调系统的能耗是实现高大洁净厂房节能设计的关键所在。根据前文分析，现对三种除湿方案进行耗量分析，见表7。
实际工程中，在满足技术要求的同时，不可忽视项目的经济效益。不但需替业主控制设备初投资费用，而且还要考虑后期运行能耗及费用，实现合理的节能效益比。
根据上述计算数据，增选相关制冷、除湿设备及核算初投资；并依据当地大型工业用电收费标准（0.71元/kWh），预设空调系统每年运行周期为6~9 月，每天运行时长为8 h，空调设备的寿命周期按20年计算，估算增加设备的运行费用。现对三种除湿方案进行经济比选，见表7。

表7 除湿方案分析表
根据以上分析比选，本工程净化空调系统采用新风单独设置低温冷源的除湿方案（方案二），分层净化空调系统原理见图4。该处理方案既可满足洁净空调区域的温、湿度要求，又可有效地避免一次回风处理过程中存在冷、热抵消的问题，并且为满足洁净区湿度要求而增加的初投资荷和运行费用最小。

图4 分层净化空调系统原理
4 结论
本工程针对净化空调系统采用温湿度独立控制的理念，分别设置新风处理机组和循环处理机组，利用两级冷源分段降温除湿，不但可以避免以往为保证某个低温区域设计要求而将冷媒温度整体调低所造成能源冗余的现象，而且可以实现空调区域温度精细化管理的要求，同时达到了满足工艺要求和节能运行之间的平衡，为降低高大洁净厂房等工业项目能源消耗提供了实践经验。