潔凈室空氣熱濕處理能耗分析

王秀山

(山西大學，山西 太原 030000)

0 引言

山西大學興建光電科研樓時，我們把建筑節能放在首位，始終堅持功能第一、質量第一、造價最低、能耗最小的原則，并從設計階段就會同技術人員全方位考慮各專業的設計方案，把節能工作落(實)到了實處。該科研樓有15間實驗室需要建造潔凈室，最高級別為百級，最低級別為千級。通過計算空調負荷和送風量，發現潔凈室特別是100級潔凈室凈化空調系統的送風量大，送風焓差小，所以單位送風量承擔的冷負荷很小。而光學實驗又要求潔凈室內須保持較低的相對濕度，因此，只能提高送風溫度來滿足這一要求。為了使潔凈室達到100級、1000級的潔凈環境，應使凈化空調系統的送風溫度提高(即送回風溫差減小)，送風狀態的相對濕度減小，才能達到潔凈室的要求。因此，在設計初期就否定了“一次回風經表冷器直接露點送風的全空氣系統”方案，因為用露點送風會使室內相對濕度增加，無法滿足低濕要求。為此，以百級潔凈室為例，對符合要求的方案如一次回風加再熱系統和二次回風系統進行分析比較，通過分析比較其空氣熱濕處理過程、設備的配置、耗冷量的大小，最后確定得出凈化空調的最佳的方案。并且通過技術手段，使其中一間含有百級、千級兩個級別的潔凈室合用一個系統，節省了機房面積和吊頂夾層的空間，降低了初投資，簡化了運行操作。

1 工程概況

山西大學量子光學科研樓共有實驗室16間，其中15間實驗室設置潔凈室，這15間實驗室，每間均由準備室、實驗間及潔凈室構成，潔凈室要求較低的相對濕度。準備室及實驗間對空氣潔凈度無要求，所以設置舒適空調系統來滿足溫濕度要求。潔凈室內散濕量較小，實驗人員2人～3人，最多6人～7人。除一間潔凈室潔凈度要求100級外，其他潔凈室潔凈度均為1000級。各實驗室要求系統能單獨控制，用電能單獨計量，故設置分散式潔凈空調系統。空調系統的冷、熱媒均由冷、熱源機房統一制備供給。夏季冷媒為7℃/12℃冷凍水，冬季熱媒為60℃/50℃熱水。潔凈實驗室位于－1層～2層，－1層，1層各有6間1000級的潔凈室;2層有兩間1000級潔凈室，1間百級、千級兩個級別的潔凈室。冷熱源機房位于－1層，1層，2層的空調機房位于樓層的西端。

2 能耗分析

1)方案1:一次回風加再熱系統的熱濕處理過程。當風機置于表冷器前時，如圖1所示。空氣熱濕處理過程為:回風與新風混合到C點后經過風機加壓到D點，然后進入表冷器冷卻去濕到達機器露點L點。控制冷水閥開度調節供冷量，使表冷器出風狀態跟蹤室內空氣濕度，達到濕度控制目的;空氣繼而進入再熱段，若有熱水或蒸汽，再熱段可用再熱盤管，控制熱水(或蒸汽)閥開度調節再熱量，使出風狀態跟蹤室內空氣溫度，達到溫度控制目的。在夏季，無熱水和蒸汽，只能用電加熱器加熱空氣，使送風溫度達到要求的O點。空氣熱濕處理過程如圖3所示。圖1～圖5中W為室外空氣狀態點;N為室內空氣狀態點;C為新回風混合點;D為送風機出口空氣狀態點;L為機器露點(表冷器出風狀態點);O為送風狀態點。

圖1 風機置于表冷器前

當風機置于表冷器后時，如圖2所示。

圖2 風機置于表冷器后

空氣熱濕處理過程為:回風與新風混合到C點后，經過表冷器冷卻去濕達到機器露點L點，控制冷水閥開度調節供冷量，使表冷器出風狀態跟蹤室內空氣濕度，達到濕度控制目的。空氣經送風機加壓到D點，然后進入再熱段，若有熱水或蒸汽，再熱段可用再熱盤管，控制熱水(或蒸汽)閥開度調節再熱量，使出風狀態跟蹤室內空氣溫度，達到溫度控制目的。在夏季，無熱水和蒸汽，可用電加熱器加熱空氣，使送風溫度達到要求的O點，空氣熱濕處理過程如圖4所示。

由上圖可見，風機置于表冷器前時(見圖1，圖3)，風機溫升(tD－tC)使表冷器處理空氣的焓差增大，再熱量也較大，冷熱抵消現象嚴重。即把空氣先從D點冷卻到機器露點L點，再通過空氣加熱器或電加熱器加熱到送風狀態O點，能耗很大。而當風機置于表冷器后時(見圖2，圖4)，風機的發熱量可被用作再熱的一部分(圖4中的LD部分即hD－hL)，再熱量減小，即由圖3的(hO－hL)減小為圖4的(hO－hD)，表冷器處理的焓差也變小，比圖1的方案節能。因此，對于一次回風加再熱系統，選擇風機置于表冷器后的方案(見圖2)，以此方案與二次回風系統做經濟性比較。

2)方案2:二次回風系統。把系統的回風分成兩部分，一部分回風與新風混合到C點，然后進入表冷器冷卻去濕達到機器露點L點，控制冷水閥開度調節供冷量，使表冷器出風狀態跟蹤室內空氣濕度，達到濕度控制目的。出表冷器的空氣再與另一部分回風(二次回風)混合到O點，控制二次回風閥，調節二次回風比，使出風狀態(O點)跟蹤室內空氣溫度達到溫度控制目的。在空氣熱濕處理過程中利用回風中的熱量來代替再熱量，沒有冷熱抵消現象，非常節能。在單風機系統中，為引入二次回風，風機須置于表冷器的下游，表冷器和二次回風引入口位于機組的負壓區內。百級潔凈室二次回風系統空氣處理過程的焓濕圖如圖5所示。

圖3 一次回風加再熱系統（風機置于表冷器前）

圖4 一次回風加再熱系統（風機置于表冷器后）

圖5 二次回風系統

兩種方案的比較:

1)方案1(如圖2，圖4所示)。

室內與室外空氣混合到C點后，先冷卻再加熱，除風機溫升帶來的熱量可利用外，還需要把空氣從D點加熱到O點才能滿足送風溫度的要求。否則，室內濕度達不到要求。這樣的方案出現冷熱抵消現象，能耗巨大。但溫濕度控制比較簡單，只要控制冷水閥的開度，即可調節潔凈室的相對濕度，調節熱水閥的開度或電加熱器即可控制潔凈室的溫度。

2)方案2(如圖5所示)。

一部分回風與室外空氣混合到C點后，經表冷器冷卻到L點，然后再與另一部分回風混合到送風狀態O點，沒有再熱量，充分利用回風中的熱量來滿足送風溫度的要求，節能效果明顯。但溫濕度控制比較復雜，既要控制冷水閥，又要控制二次風閥，調節起來比較困難。

3 方案的確定

1)方案1，一次回風加再熱方案，由于再熱量增加了系統的供冷量，增加了系統的能耗，盡管控制比較簡單，但由于能耗大，與當前興建綠色節能建筑的理念相悖。

2)方案2，二次回風方案，充分利用了回風的熱量，不設置再加熱器，空調機組緊湊，盡管二次回風量的調節比較復雜，但完全可以通過技術手段來解決。

根據上述分析比較，結合百級潔凈室濕負荷小(熱濕比大)的特點，二次回風系統是最佳的方案，所以光電實驗樓的100級、1000級潔凈室凈化空調全部采用二次回風系統。位于光電樓2層的100級潔凈室的鄰室潔凈度為1000級，這兩個潔凈室服務于一個課題組，若分成兩個獨立的二次回風系統，不僅造價高，運行管理復雜，而且吊頂夾層空間也不能滿足風管的敷設要求，若能合為一個二次回風系統，節能效果更加明顯。

百級潔凈室采用單向流氣流組織方案，按斷面風速計算送風量;而千級潔凈室屬于非單向流潔凈室，按換氣次數計算送風量。規范要求把二者分開設置系統，在工程中大家也是這么做的。能否通過技術措施把百級和千級潔凈室合為一個系統，分析如下。

百級潔凈室與千級潔凈室合用一個系統即共用一個組合式空調機組，采用同一個送風參數送風。通常，百級潔凈室的送風量比千級潔凈室的送風量大很多，根據式(1)可知:在百級與千級潔凈室冷負荷相差不太大的情況下(該實驗室的100級、1000級潔凈室的冷、熱負荷相差都不大)，因系統采用同一送風參數，送風焓差不變(也即送風溫差不變)，送風量越大，在夏季送風帶走的熱量就越多。所以送風量大的百級潔凈室在夏季會出現過冷現象;類推，送風量大的百級潔凈室在冬季會出現過熱現象。

式中:QH——消除室內余熱的送風量，m3/h;

CL——潔凈室的冷負荷，kW;

ρ——空氣密度，kg/m3;

Δh——送風焓差，kJ/kg。

由上述分析可見，不采取技術措施直接把百級與千級潔凈室合為一個系統，百級潔凈室會出現夏季過冷、冬季過熱的現象，不能滿足潔凈室溫度要求。在該工程設計中由于百級、千級潔凈室的系統均較小，而吊頂夾層空間、機房面積又有限，在此情況下采用如下技術措施來彌補百級潔凈室夏季過冷、冬季過熱的缺陷。

在吊頂夾層中增設空氣循環機組，百級潔凈室的熱濕負荷由集中空調機組承擔，潔凈度由空氣循環機組與集中空調機組共同承擔。

［1］馮樹根.空氣潔凈技術與工程應用［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］黃 翔.空調工程［M］.北京:機械工業出版社，2006.