洁净室空气热湿处理能耗分析

王秀山

(山西大学，山西 太原 030000)

0 引言

山西大学兴建光电科研楼时，我们把建筑节能放在首位，始终坚持功能第一、质量第一、造价最低、能耗最小的原则，并从设计阶段就会同技术人员全方位考虑各专业的设计方案，把节能工作落(实)到了实处。该科研楼有15间实验室需要建造洁净室，最高级别为百级，最低级别为千级。通过计算空调负荷和送风量，发现洁净室特别是100级洁净室净化空调系统的送风量大，送风焓差小，所以单位送风量承担的冷负荷很小。而光学实验又要求洁净室内须保持较低的相对湿度，因此，只能提高送风温度来满足这一要求。为了使洁净室达到100级、1000级的洁净环境，应使净化空调系统的送风温度提高(即送回风温差减小)，送风状态的相对湿度减小，才能达到洁净室的要求。因此，在设计初期就否定了“一次回风经表冷器直接露点送风的全空气系统”方案，因为用露点送风会使室内相对湿度增加，无法满足低湿要求。为此，以百级洁净室为例，对符合要求的方案如一次回风加再热系统和二次回风系统进行分析比较，通过分析比较其空气热湿处理过程、设备的配置、耗冷量的大小，最后确定得出净化空调的最佳的方案。并且通过技术手段，使其中一间含有百级、千级两个级别的洁净室合用一个系统，节省了机房面积和吊顶夹层的空间，降低了初投资，简化了运行操作。

1 工程概况

山西大学量子光学科研楼共有实验室16间，其中15间实验室设置洁净室，这15间实验室，每间均由准备室、实验间及洁净室构成，洁净室要求较低的相对湿度。准备室及实验间对空气洁净度无要求，所以设置舒适空调系统来满足温湿度要求。洁净室内散湿量较小，实验人员2人～3人，最多6人～7人。除一间洁净室洁净度要求100级外，其他洁净室洁净度均为1000级。各实验室要求系统能单独控制，用电能单独计量，故设置分散式洁净空调系统。空调系统的冷、热媒均由冷、热源机房统一制备供给。夏季冷媒为7℃/12℃冷冻水，冬季热媒为60℃/50℃热水。洁净实验室位于－1层～2层，－1层，1层各有6间1000级的洁净室;2层有两间1000级洁净室，1间百级、千级两个级别的洁净室。冷热源机房位于－1层，1层，2层的空调机房位于楼层的西端。

2 能耗分析

1)方案1:一次回风加再热系统的热湿处理过程。当风机置于表冷器前时，如图1所示。空气热湿处理过程为:回风与新风混合到C点后经过风机加压到D点，然后进入表冷器冷却去湿到达机器露点L点。控制冷水阀开度调节供冷量，使表冷器出风状态跟踪室内空气湿度，达到湿度控制目的;空气继而进入再热段，若有热水或蒸汽，再热段可用再热盘管，控制热水(或蒸汽)阀开度调节再热量，使出风状态跟踪室内空气温度，达到温度控制目的。在夏季，无热水和蒸汽，只能用电加热器加热空气，使送风温度达到要求的O点。空气热湿处理过程如图3所示。图1～图5中W为室外空气状态点;N为室内空气状态点;C为新回风混合点;D为送风机出口空气状态点;L为机器露点(表冷器出风状态点);O为送风状态点。

图1 风机置于表冷器前

当风机置于表冷器后时，如图2所示。

图2 风机置于表冷器后

空气热湿处理过程为:回风与新风混合到C点后，经过表冷器冷却去湿达到机器露点L点，控制冷水阀开度调节供冷量，使表冷器出风状态跟踪室内空气湿度，达到湿度控制目的。空气经送风机加压到D点，然后进入再热段，若有热水或蒸汽，再热段可用再热盘管，控制热水(或蒸汽)阀开度调节再热量，使出风状态跟踪室内空气温度，达到温度控制目的。在夏季，无热水和蒸汽，可用电加热器加热空气，使送风温度达到要求的O点，空气热湿处理过程如图4所示。

由上图可见，风机置于表冷器前时(见图1，图3)，风机温升(tD－tC)使表冷器处理空气的焓差增大，再热量也较大，冷热抵消现象严重。即把空气先从D点冷却到机器露点L点，再通过空气加热器或电加热器加热到送风状态O点，能耗很大。而当风机置于表冷器后时(见图2，图4)，风机的发热量可被用作再热的一部分(图4中的LD部分即hD－hL)，再热量减小，即由图3的(hO－hL)减小为图4的(hO－hD)，表冷器处理的焓差也变小，比图1的方案节能。因此，对于一次回风加再热系统，选择风机置于表冷器后的方案(见图2)，以此方案与二次回风系统做经济性比较。

2)方案2:二次回风系统。把系统的回风分成两部分，一部分回风与新风混合到C点，然后进入表冷器冷却去湿达到机器露点L点，控制冷水阀开度调节供冷量，使表冷器出风状态跟踪室内空气湿度，达到湿度控制目的。出表冷器的空气再与另一部分回风(二次回风)混合到O点，控制二次回风阀，调节二次回风比，使出风状态(O点)跟踪室内空气温度达到温度控制目的。在空气热湿处理过程中利用回风中的热量来代替再热量，没有冷热抵消现象，非常节能。在单风机系统中，为引入二次回风，风机须置于表冷器的下游，表冷器和二次回风引入口位于机组的负压区内。百级洁净室二次回风系统空气处理过程的焓湿图如图5所示。

图3 一次回风加再热系统（风机置于表冷器前）

图4 一次回风加再热系统（风机置于表冷器后）

图5 二次回风系统

两种方案的比较:

1)方案1(如图2，图4所示)。

室内与室外空气混合到C点后，先冷却再加热，除风机温升带来的热量可利用外，还需要把空气从D点加热到O点才能满足送风温度的要求。否则，室内湿度达不到要求。这样的方案出现冷热抵消现象，能耗巨大。但温湿度控制比较简单，只要控制冷水阀的开度，即可调节洁净室的相对湿度，调节热水阀的开度或电加热器即可控制洁净室的温度。

2)方案2(如图5所示)。

一部分回风与室外空气混合到C点后，经表冷器冷却到L点，然后再与另一部分回风混合到送风状态O点，没有再热量，充分利用回风中的热量来满足送风温度的要求，节能效果明显。但温湿度控制比较复杂，既要控制冷水阀，又要控制二次风阀，调节起来比较困难。

3 方案的确定

1)方案1，一次回风加再热方案，由于再热量增加了系统的供冷量，增加了系统的能耗，尽管控制比较简单，但由于能耗大，与当前兴建绿色节能建筑的理念相悖。

2)方案2，二次回风方案，充分利用了回风的热量，不设置再加热器，空调机组紧凑，尽管二次回风量的调节比较复杂，但完全可以通过技术手段来解决。

根据上述分析比较，结合百级洁净室湿负荷小(热湿比大)的特点，二次回风系统是最佳的方案，所以光电实验楼的100级、1000级洁净室净化空调全部采用二次回风系统。位于光电楼2层的100级洁净室的邻室洁净度为1000级，这两个洁净室服务于一个课题组，若分成两个独立的二次回风系统，不仅造价高，运行管理复杂，而且吊顶夹层空间也不能满足风管的敷设要求，若能合为一个二次回风系统，节能效果更加明显。

百级洁净室采用单向流气流组织方案，按断面风速计算送风量;而千级洁净室属于非单向流洁净室，按换气次数计算送风量。规范要求把二者分开设置系统，在工程中大家也是这么做的。能否通过技术措施把百级和千级洁净室合为一个系统，分析如下。

百级洁净室与千级洁净室合用一个系统即共用一个组合式空调机组，采用同一个送风参数送风。通常，百级洁净室的送风量比千级洁净室的送风量大很多，根据式(1)可知:在百级与千级洁净室冷负荷相差不太大的情况下(该实验室的100级、1000级洁净室的冷、热负荷相差都不大)，因系统采用同一送风参数，送风焓差不变(也即送风温差不变)，送风量越大，在夏季送风带走的热量就越多。所以送风量大的百级洁净室在夏季会出现过冷现象;类推，送风量大的百级洁净室在冬季会出现过热现象。

式中:QH——消除室内余热的送风量，m3/h;

CL——洁净室的冷负荷，kW;

ρ——空气密度，kg/m3;

Δh——送风焓差，kJ/kg。

由上述分析可见，不采取技术措施直接把百级与千级洁净室合为一个系统，百级洁净室会出现夏季过冷、冬季过热的现象，不能满足洁净室温度要求。在该工程设计中由于百级、千级洁净室的系统均较小，而吊顶夹层空间、机房面积又有限，在此情况下采用如下技术措施来弥补百级洁净室夏季过冷、冬季过热的缺陷。

在吊顶夹层中增设空气循环机组，百级洁净室的热湿负荷由集中空调机组承担，洁净度由空气循环机组与集中空调机组共同承担。

［1］冯树根.空气洁净技术与工程应用［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］黄 翔.空调工程［M］.北京:机械工业出版社，2006.