包装材料实验室暖通空调系统设计分析与应用实践

刘小赫

南京博森科技有限公司上海分公司 上海 201619

1 项目概况

本工程为上海塔恩包装材料有限公司实验室改造项目。该项目位于厂房一楼，楼板高4.6m，建筑主梁底3.6m，建筑次梁底4.1m。项目包括七个功能区，分别为物理实验室、前处理室、化学分析室、气相室、缓冲间、空调间及气瓶间，室内净面积分别为31.6㎡、10.5㎡、17.8㎡、11.4㎡、8.5㎡、4.8㎡及4.8㎡，实验室平面布置图如图1所示。物理实验室、前处理室及化学分析室三个功能区的地面均抬高0.15m，要求完工后室内净高均不低于2.7m。

图1 实验室平面布置图

2 设计参数

2.1 室外计算参数（详见表1）

表1 室外计算参数

2.2 室内设计参数（详见表2）

表2 室内设计参数

3 暖通空调系统设计

3.1 恒温恒湿精密空调

项目中的物理实验室，因其温湿度控制精度要求高，必须配置专用的恒温恒湿精密空调进行控制[1]。

根据中国建筑工业出版社《空气调节》“空调负荷计算与送风量”，在确定房间内空调负荷、选定空调机的制冷/加热量时，通常需要考虑如下因素。

a.室内空气计算参数（湿度基数及精度要求）。

工作区（+0.8m至+2.0m区域）的温湿度必须常年满足23℃±1℃、50%±2%RH。

b.围护结构的得热量及其形成的负荷（包括建筑外墙、屋顶、外窗等）。

物理实验室位于厂房内，墙体及屋顶的建筑材料均为净化保温彩钢板，厚度为50mm，彩钢板内保温材料为岩棉，岩棉密度为100kg/m3,钢板基板厚度δ≥0.475 mm。墙体及屋顶总面积为115㎡。根据多层材料构成的围护结构的传热阻R（K.m2/W）为各层材料热阻的和及 R=δ/λ与K=1/R。

其中：δ为单一均质材料层厚度 m

λ为单一均质材料的导热系数 W/(m.K)

可计算出净化保温彩钢板的综合传热系数K=1.36W/(㎡.K)。

再根据传热学公式：Q=KF⊿t

其中：Q为负荷 W

K为传热系数，W/(m2.K)

F为接触面积，m2

⊿t为接触面两端的温差，K

采用夏季空气调节室外计算干球温度34℃及冬季空气调节室外计算温度-4℃作为负荷温度逐时极值，可得到墙体及屋顶计算冷负荷为1.72kW，计算热负荷为4.22kW。

c.地面的散热散湿及形成的负荷：物理实验室现场因已将建筑地面抬高，且铺设了木地板，此项负荷视为0。

d.室内工艺设备的散热量及其形成的负荷：物理实验室内无任何发热工艺设备，此项负荷视为0。

e.室内照明的得热量及其形成的负荷：室内配置9盏48W的LED灯，因90%左右的电能会转化为光能，则发热量按功率的10%计算，此项冷负荷为0.04kW。

f.室内人体的散热散湿量及其形成的负荷：人体散热散湿与性别、年龄、衣着、劳动强度及环境条件（温湿度）等多种因素有关，且因不同性质的建筑物内成年男子、女子、儿童、老人数量均有不同比例，其中成年男子散热散湿量最大，为方便计算，室内均以成年男子作为计算依据[2]。常驻工作人员为4人，根据人体散热/散湿量公式：Q=qnn’。

其中： q为不同温度条件成年男子散热散湿量 W

n为室内全部人数

n’为群集系数

可得人体负荷为0.64kW

g.外门开启形成的负荷：因现场改造条件的局限性，物理实验室无法配置单独的缓冲间，而是与其他房间共用，也无法起到常规缓冲间的全部作用。故由缓冲间进入物理实验室时，门体的开启会对室内的温湿度造成波动影响。门体尺寸为900*2400mm，工作人员携带实验物品出入时门体开启及闭合时长按30s计算。根据负荷计算公式Q=0.278Vcρ⊿t，其中：

V —流入的外界空气量，m3/h；

c —冷空气的定压比热，=1KJ/（kg ℃）；

ρ —室外计算温度下的空气密度，kg/m3；

⊿t—室内外计算温度差，℃；

0.278—单位换算系数，1kJ/h=0.278W。

可得计算冷负荷为0.5kW，计算热负荷为1.2kW

h.室内其他湿源及其形成的负荷：因物理实验室必须为微正压设计，且四周均做保温维护结构，故不考虑门窗缝隙进入的空气造成的负荷，室内也无任何散湿源，故此项负荷视为0。

以上各项累计得出房间总冷负荷2.9kW，总热负荷5.42kW。

i.房间送风量的确定：因恒温恒湿房间内余湿值极小，故热湿比按∞考虑。取送风温差为1℃，根据热平衡公式G=Q/(iN-iO)可得计算送风量为：2636m3/h。

j.新风量的确定：新风量的计算依据几点：第一、按室内工作人员的数量，以不低于人均0.5m3/min标准计算；第二、满足室内的正压要求；第三、房间循环风量的5%选取；第四、用户的特殊要求。各项计算值取最大作为新风选型标准。本项目中按人员计算得到200m3/h，按正压计算得到168m3/h，按循环风量的5%计算得到132m3/h。新风量取值为200m3/h。

k.空调制冷量的确定：本项目空调设计为一次回风系统，空调制冷量Q=G（iC-iL）=Gw(iW-iN)+G(iN-iL），空调再热量W=G（iO-iL）。其中：

G——空调送风量，kg/s

Gw——新风量，kg/s

iW——新风状态焓，kJ/kg

iN——室内状态焓，kJ/kg

iL——露点焓，kJ/kg

iO——送风点焓，kJ/kg

计算得到恒温恒湿空调制冷量15.3kW，加热量9.2kW。

换气次数校核：参考《GB50019-2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》，结合以往的工程经验，在高精度恒温恒湿环境系统中，在满足空气换气次数的前提下，再选择合适的制冷量与加热量，才是空调系统选型的关键所在[3]。换气次数=循环风量/房间体积，循环风量=换气次数×房间体积。

根据《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》GB/T10739-2002中的技术要求规定：室内空气应每小时循环15-30次，工作区域的空气流速应不高于18m/min。计算循环风量范围为1682.7m3/h-3365.4m3/h。

综合以上计算数据，再向上与恒温恒湿精密空调机组规格取整，选定实验室专用风冷直流变频恒温恒湿空调机组（制冷量：16kW，风量：3500 m3/h，机外静压：400Pa，加热量：9kW，加湿量：6kg/h，配电功率：19.4kW，数量：1台）。

3.2 新风空调

本项目新风空调有四个作用：满足恒温恒湿实验室（物理实验室）内新风换气要求；满足缓冲间微正压要求；满足因强制排风而产生的补风要求；满足缓冲间及前处理室夏季最高30℃、冬季最低10℃的要求。新风空调的负荷需按同时满足上述四个要求的总量设计。

a.新风量。1)物理实验室所需新风量：200m3/h。2)缓冲间微正压所需：8.5*3.6*2=61.2m3/h。3)补风所需：缓冲间内有通风柜1台（最大风量1400m3/h）,前处理室内有通风柜1台（最大风量1400m³/h）,气相室内有万向排气罩1个（最大风量200m3/h），化学分析室内有万向排气罩1个（最大风量200m3/h），原子吸收罩1个（最大风量400m3/h）,计算最大排风量为3600m3/h。除物理实验室及缓冲间外，其他房间按常压考虑。

新风总量=200+61.2+3600=3861.2m3/h

b.制冷量。夏季室外空气由状态点W X（3 4 ℃，83%RH）减焓降温处理至XX（30℃，90%RH）（说明：处理后的空气相对湿度取90%，是因为空调设备的机器露点状态其相对湿度即为90%）计算所需制冷量为18.7kW。

c.加热量计算。冬季室外空气由状态点WD（-4℃，75%RH）沿等湿线处理至XD（10℃，26.2%RH），计算所需加热量为18.1kW。

综合以上计算数据，再向上与新风空调机组规格取整，选定实验室专用冷冻水型恒温恒湿空调机组（卧式吊装，制冷量：20kW，新风量：4000 m3/h，加热量：20kW，加湿量：6kg/h，数量：1台）， 配置风冷变频冷水机组（制冷量：20kW，制热量：25kW）1台。

3.3 舒适性空调

化学分析室选择2匹冷暖空调器；天花机吊装，不额外占用室内已经很紧张的地面位置。

3.4 恒温恒湿系统

在高精密恒温恒湿环境中，在对应的测试状态条件下，在有效空间及有效测量距离条件下，温湿度实测值都必须满足精确度、波动度、均匀度与空间梯度的要求[4]。工程上采用的最有效的气流组织方式为上送风+底回风。

上送风系统设计为顶送风型恒温恒湿机组——送风静压箱——送风风管——送风风口——全面送风孔板。

但因本项目是改造工程，物理实验室内地面已抬高150mm且安装了木地板，同时业主明确要求地面要利旧，无法采用底回风方式，故设计如下回风解决方案：

室内四周设计500mm高度的回风夹道，夹道上方安装定制的实验台家具。设计合适规格及数量的回风口，每个回风口都安装调节阀，且回风口的位置与实验台下部的留空位相对应。在房间内四角位置设计回风柱，与回风管相连接到恒温恒湿机组，保证了室内回风的均匀性及顺畅性。

送回风均采用镀锌钢质矩形风管，风管外表面均做保温处理。

3.5 强排风系统

现场排风设备包括两台排风柜（单台最大排风量1400m3/h，均排放有机废气）、两台万向排气罩（单台最大排风量200m3/h）、一台原子吸收罩（最大排风量400m3/h）。

上述排风设备均仅在需要时开启。因现场最大总排风量只有3600m3/h，在满足安全的前提下，出于经济性考虑，只设计了一套排风系统。将万向排气罩及原子吸收罩的排风纳入到了排风柜的排风系统中来，在万向排气罩及原子吸收罩的出口处安装调节阀以匹配各自的排风量。在排风柜的出口处安装电动开关阀，开关阀与排风柜的开关联动，杜绝排风柜关闭时管路中排风短路。排风机设计变频调节控制方式，应对系统中经常变化的风量，保证整个排风系统的稳定性及可靠性。排风均采用PP圆形风管，风管外表面均做保温处理。

3.6 新风补风系统

业主给定的空调间仅够布置恒温恒湿空调机组，完全没有预留新风补风机组的地面安装位置，加之新风/补风管路分布范围较广，需布置在空调间、缓冲间、气相室、前处理室及化学分析室这五个房间，故设计将新风空调机组吊装在缓冲间的天花上空位置。为避免冷凝水泄漏隐患，特增设不锈钢水盘，安装在新风空调机组底部，设计的接水盘的面积不小于新风空调机组的投影面积。

新风补风均采用镀锌钢质矩形风管，风管外表面均做保温处理。

3.7 风管系统综合管线规划

因为是改造项目，现场已有的旧管线旧设备旧家具很多，虽然会拆除一部分，但是相当一部分（例如消防管路、旧有的隔断支撑支架等）会保留。加上业主指定了恒温恒湿空调间、新风入口及排风出口的位置，造成了三套系统的管路存在一定程度的空间交叉冲突可能。

经过现场详细勘查测量，同时设计时在风管风速允许范围内尽量减小风管的厚度，将排风风管与新风风管分两层布置，新风布置在上层，排风布置在下层，在有限可利用的空间内保证所有管路的平滑通畅。

4 项目成果

本项目实验室通过业主长时间开机运行测试，确认满足既定的实验条件；物理实验室的温湿度控制参数也于2021年12月22日一次性通过上海市计量测试技术研究院的检测。本次实验室的成功建设，充分体现了安全健康、质量可靠、经济合理、节能环保、精密控制的设计理念，有力保证了使用单位实验室数据的可信度与公信力。

5 结束语

新建实验室一切都是可见的，勘察设计施工条件比较好，能够借鉴参考的图纸文件也比较齐全；旧实验室因为管理问题、人事变动原因等，能够借鉴参考的图纸文件不能保证齐全或准确，现场勘察时（尤其是本项目实验室还正在使用当中）有很多东西不可见，一些预埋管线甚至完全不可知。这就需要设计人员要有高度的责任心、良好的专业素养和丰富的工程设计经验，并在施工过程随时和项目管理人员、施工班组保持密切联系和沟通，及时优化调整施工图纸。在项目竣工验收之日，也是最新最齐全竣工图完成之时，为日后实验室运维和管理带来极大的便利——安全来自专业的设计与施工。