淺談現代化潔凈室空調系統的節能設計

　【摘要】在潔凈室設計中，空調系統的設計決定著潔凈室的運行費用。本文對千級潔凈室的節能設計進行了說明，重點介紹了空調系統設計的兩種方案―“一次回風系統”和“二次回風系統”，針對千級潔凈室“高潔凈、大風量、小熱量”的特點，選定“二次回風系統”，不但降低了設備初投資，還大大節約了運行費用。 

　　【關鍵詞】節能；大風量；小熱量；二次回風系統 

　　0.引言 

　　秉承國家“大力倡導節約能源，強調可持續發展”的方針和用戶的節能要求，積極尋求在潔凈室“耗能大戶”―空調系統上的節能新途徑，針對千級潔凈室“高潔凈、大風量、小熱量”的特點，選定“二次回風空調系統”，不但降低了設備初投資，還大大節約了運行費用。 

　　1.千級潔凈室工程設計 

　　1.1潔凈室技術簡介 

　　潔凈室就是為保持室內要求的潔凈度等級，采用空氣過濾、溫濕度調節等措施所盡力創造的室內空間，是空氣潔凈技術創造潔凈微環境的最重要、最具代表性的措施。 

　　1.2千級潔凈室設計 

　　1.2.1潔凈室主要參數計算 

　　潔凈室的主要性能指標有：潔凈度、溫濕度、照度、噪聲等。 

　　（1）潔凈度計算。 

　　送風量（換氣次數）是潔凈度的量化指標，每一種潔凈度級別均對應著不同的換氣次數。按照《潔凈廠房設計規范》，1000級潔凈室的換氣次數可取n=50～60次/h，100000級潔凈室的換氣次數可取n=10～15次/h。 

　　送風量V=∑（A*n）=（28*2.5*60+35*2.5*15）*105%=6000m3/h 

　　新風量VW 

　　新風的冷（熱）濕負荷很大，最大可占到整個潔凈室的1/2以上，為節約能源，就要盡可能地減小新風量。按照GB50073-2001《潔凈廠房設計規范》，當室內人數為10人時，滿足人員衛生要求新風量為：VW1=40m3/h.人*10=400m3/h 

　　為滿足對非潔凈室最小壓差10Pa要求，新風量為：VW2=（28+35）*2.5*2=315m3/h 

　　綜合以上條件，則：VW=Max（VW1，VW2）=400m3/h 

　　（2）溫濕度計算。 

　　空調系統是實現潔凈室溫濕度控制的保證，設計合理的空調系統不但可以精確控制潔凈室的溫濕度，還能最大限度的節約能源。空調系統有“一次回風系統”和“二次回風系統”兩種方案，針對千級潔凈室“高潔凈、大風量、小熱量”的特點，通過計算對比，認為二次回風系統比一次回風系統更加節能，并在本工程中采用。 

　　1.2.2潔凈室主要施工圖紙設計 

　　潔凈室是集建筑裝飾（與大氣相對隔斷的密閉裝修）、凈化空調、電氣自控、工藝管道等多種專業技術于一體的產物， 本潔凈室施工圖紙主要包括建筑裝飾、凈化空調、兩大部分。 

　　千級潔凈室設計為亂流形式，帶風量擴散板的高效過濾器送風口均勻布置在潔凈室的頂部，潔凈室側墻下部布置帶初效濾料的鋁合金百葉回風口，使氣流的擴散作用更加明顯，有利于將污染粒子快速帶出潔凈室。 

　　為盡快排除清洗過程中散發的有害氣體，在輔助間設置了1套排風量為3000m3/h的帶排風清洗工作臺。由于清洗工作臺并不是連續使用，為節約能源，設計了1個輔助間排、送風聯鎖系統，系統由電動密閉風閥、初中高三級過濾器、送風機、管道組成送風系統，高效過濾器布置在輔助間排風工作臺的正上方，與設在清洗工作臺下部的排風口一起快速排出有害氣體。送風機與排風機同時啟停，既保證了排風時室內相對非潔凈區的正壓，又節約了能源。 

　　1.3潔凈室空調系統節能途徑 

　　總結以上措施，千級潔凈室的節能途徑有以下三條： 

　　（1）確定合適新風量。 

　　（2）輔助間排、送風聯鎖系統設置。 

　　（3）合理選擇潔凈室凈化空調系統方案，采用二次回風空調系統。 

　　2.潔凈室空調系統節能設計 

　　2.1設計參數 

　　2.1.1室外設計參數 

　　按照《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》取值（天津市）： 

　　冬季空調室外計算干球溫度：-9.4℃冬季空調室外計算相對濕度：73%。 

　　夏季空調室外計算干球溫度：33.9℃季空調室外計算濕球溫度：26.9℃。 

　　2.1.2潔凈室余熱、余濕計算 

　　表1千級潔凈室余熱、余濕計算 

　　2.2潔凈室一次回風凈化空調系統 

　　2.2.1潔凈室一次回風凈化空調原理圖 

　　圖1千級潔凈室一次回風凈化空調原理圖 

　　新風經初效過濾后進入到組合式凈化空調機組的混風段，與從潔凈室內回收的空氣一起經過換熱器的加熱（冷卻除濕）處理后，依次通過殺菌段、電加熱段、風機段、均流消聲段、中效過濾段，通過潔凈風管送入潔凈室。 

　　2.2.2潔凈室一次回風各狀態點確定 

　　（1）一次回風熱濕處理過程為： 

　　其中：W―室外狀態點（新風）N―室內狀態點（回風）C―混合狀態點。 

　　L―機器露點 O―送風狀態點 ε―潔凈室熱濕比，ε=Δi/Δd=10.5/1.8*3600=21000KJ/Kg。 

　　（2）潔凈室一次回風各狀態點參數計算，結果見表2： 

　　表2一次回風系統狀態點參數 

　　1）狀態點C的計算： 

　　根據熱平衡方程，i×V=i×V+i×V 

　　式中， iC、VC為狀態點C的焓值和體積流量，單位分別為KJ/Kg和m3/h， 

　　VN=V-VW=5600m3/h， iW、iN已知， 

　　則狀態點C的焓值為：iC=57.8KJ/Kg 

　　根據濕平衡方程，d×V=d×V+d×V 

　　式中，dC為狀態點C的含濕量，單位為g/Kg，dW、dN已知，則狀態點C的含濕量為：dC=12.5g/Kg。 

　　2）狀態點O的計算： 

　　根據熱平衡方程，Δi=m*(iN-iO) 

　　式中，Δi為潔凈室內余熱量，單位為Kw，m為潔凈室內送風的質量流量，單位為Kg/s，iN已知，則狀態點O的焓值為：iO=50.6KJ/Kg。 

　　根據濕平衡方程，Δd=m*(dN-dO) 

　　式中， Δd為潔凈室內余濕量，單位為Kg/h，m為潔凈室內送風的質量流量，單位為Kg/s，dN已知，則狀態點O的含濕量為：dO=11.8g/Kg。 

　　2.2.3一次回風系統制冷機組冷負荷QC及再熱量QH計算 

　　QC=m*(iC -iL)=21.2Kw QH= m*(iO-iL)=6.8Kw 

　　2.3潔凈室二次回風凈化空調系統 

　　2.3.1潔凈室二次回風凈化空調原理圖，即千級潔凈室凈化空調原理圖。 

　　圖2千級潔凈室凈化空調原理圖 

　　新風經初效過濾后進入到組合式凈化空調機組的混風段，從潔凈室內回收的空氣分成兩部分―一次回風和二次回風，新風與一次回風經過換熱器的加熱（冷卻除濕）處理后，與二次回風一起加濕（必要時）后依次通過殺菌段、電加熱段、風機段、均流消聲段、中效過濾段，通過潔凈風管送入潔凈室。 

　　2.3.2潔凈室二次回風各狀態點確定 

　　（1）二次回風熱濕處理過程為： 

　　其中：W―室外狀態點（新風）N1―室內一次回風狀態點（回風） 

　　N2―室內二次回風狀態點（回風）C―一次混合狀態點 

　　L―機器露點O―送風狀態點ε―潔凈室熱濕比，為21000KJ/Kg。 

　　（2）潔凈室二次回風各狀態點參數計算，結果見表3： 

　　表3二次回風系統狀態點參數 

　　1）一、二次回風量VN1、VN2的計算： 

　　根據熱平衡和風量平衡方程，（VW+VN1）*iL+VN2*iN2=V*iOV=VN1+VN2+VW。 

　　式中，V、VW、iL、iN2、iO均為已知，則VN1=2912.5m3/h，VN2=2987.5 m3/h。 

　　2）狀態點C的計算： 

　　根據熱平衡和風量平衡方程， 

　　VC=VW+VN1i×V=i×WN1+i×V 

　　式中，VW、VN1、iW、iN1均為已知，則狀態點C的焓值為：iC=59.4KJ/Kg。 

　　根據濕平衡方程d×V=d×VW+d×V 

　　式中，VW、VN1、dW、dN1均為已知，則狀態點C的含濕量為：dC= 12.9g/Kg 

　　2.3.3二次回風系統制冷機組冷負荷QC及再熱量QH計算 

　　QC=mC*(iC-iL)=14.5KwQH=0 

　　2.4兩個系統耗能量對比 

　　2.4.1運行費用對比 

　　表4兩個系統耗能量對比 

　　在凈化空調系統中，為精確控溫，通常使用電加熱作為再熱，而直膨式制冷機的能效比為2.5～3.0（此處取2.8），因此千級潔凈室二次回風空調系統相比一次回風空調系統的節能量為（換算成電能）： 

　　6.8+（21.2-14.5）/2.8=9.2kw 

　　按全年空調運行（夏季工況）120天，每天工作8小時計，則節電量為8832度， 

　　按電費1元/度計算，則節約運行費用為8832元。對比實際工程中空調設備投資8萬元，則每年運行費用節約率為11.04%。 

　　2.4.2設備初投資對比 

　　表5兩個系統設備初投資對比 

　　根據上表，一次回風系統與二次回風系統設備初投資差值為： 

　　（300+9600+38000）-（850+80+450+4500+6400+31500）=3400元 

　　即二次回風系統比一次回風系統設備初投資節約3400元。對比實際工程中空調設備投資8萬元，則設備初投資費用節約率為4.25%。 

　　3.結論 

　　針對千級潔凈室“高潔凈、大風量、小熱量”的特點，在空調夏季運行工況，一次回風系統存在“冷凍除濕至露點――再升溫至舒適溫度送入潔凈室”的能源反復消耗，而二次回風系統只用潔凈室本身的二次回風來加熱冷卻后的空氣，不再額外消耗能源，因此更加節能。而且由于二次回風系統的制冷機組和表冷器相對變小，抵消管道、閥門和自控元件的增加部分，設備初投資還低于一次回風系統。 

　　“二次回風系統”已在千級潔凈室項目中采用，經工程實際檢測，其潔凈度和溫濕度均滿足要求。