某激光實驗裝置凈化空調系統設計

上海建筑設計研究院有限公司 李曉菲 朱學錦

超強超短激光是人類已知的最亮光源，相當于把地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發絲粗細的尺度。所謂“超強”，是激光脈沖峰值功率達到PW級(1015W)；所謂“超短”，是脈沖寬度達到數十fs級(1 fs=10-15s)。如此高能量的激光，能在實驗室里創造出類似于恒星內部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領域有重要研究價值。

1 工程概況

該項目為某超強超短激光實驗裝置，共6層，地上4層，地下2層，總建筑面積9 150 m2。地下2層用戶實驗平臺大廳建筑面積1 100 m2，層高11.2 m，吊頂高度6 m。1層激光器大廳建筑面積1 100 m2，層高10.9 m，吊頂高度7.5 m；3層以上為充電能庫、常規元器件材料庫房等輔助用房。

2 設計參數及負荷計算

2.1 室內設計參數

超強超短的激光在空氣中穿過，遇到細小的顆粒會引起散射，減弱光的強度，使得光不能聚焦為一個小點，而變成一個光斑。因此，激光器大廳和地下室用戶實驗平臺大廳中要求的潔凈度等級均為7級。產生激光所使用的光學晶體對溫度變化敏感，溫度變化使得晶體表面曲率發生變化，進而影響激光的行走路線。空氣中的水蒸氣會腐蝕晶體表面，縮短設備的使用壽命。所以，室內溫度和濕度同樣是需要嚴格控制的。這些環境參數對科學試驗的成敗至關重要，潔凈室具體要求見表1。

表1 潔凈室具體要求

2.2 空調負荷計算

激光器大廳、用戶實驗平臺大廳為大空間實驗室，分別位于地下1、2層及地上1、2層。底部設有浮筑樓板層，四周設置回風空腔，故圍護結構負荷很小。實驗區工藝設備較多，發熱量較大，全年處于制冷工況。室內顯熱負荷主要由照明、人員、圍護結構、風機過濾器機組(fan filter unit，FFU)風機、電再熱盤管、工藝設備散熱組成。同時需考慮工藝冷卻循環水帶走的熱量及新風負荷，最終確定室內負荷。顯熱負荷占比如圖1所示。

圖1 各顯熱負荷占比示意圖

經計算，激光器大廳、用戶實驗平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間、電源隔熱間的夏季總冷負荷為447 kW，激光器大廳、用戶實驗平臺大廳的設備工藝冷卻水負荷約為441 kW。

3 空調冷熱源

風冷冷水機組整體性好、安裝方便、運行可靠，可露天安裝在室外，不占用有效建筑面積。冷水機組+冷卻塔系統穩定性好，冷水機組COP高，但需要設置制冷機房，屋頂需考慮冷卻塔布置位置。由于該項目是獨立單體，建筑面積較小，缺乏安裝冷水機組的機房面積，故采用3臺單臺制冷量為350 kW的風冷冷水機組。考慮潔凈室空調需要24 h連續運行，其中1臺機組作為備用。潔凈室采用干盤管(DC)+風機過濾器機組(FFU)的空調方式，為確保吊頂內的干盤管無冷凝水產生，避免冷凝水泄漏損壞室內設備，采用溫濕度獨立控制系統，干盤管的冷水供/回水溫度為14 ℃/19 ℃。

激光器大廳、用戶實驗平臺大廳的設備工藝冷卻水系統采用2臺單臺制冷量為240 kW的風冷冷水機組冷卻，該機組的出水溫度為14 ℃，回水溫度為19 ℃。經過調研風冷冷水機組的多家廠商資料，風冷冷水機組不能直接制取設備工藝冷卻水所要求的17 ℃供水，故配置2套板式換熱機組進行換熱。

其他區域如超快化學與大分子物理用戶終端實驗室、光電檢測操作間、走道、電梯廳前室等各個功能用房為舒適性空調區域，要求空調使用靈活，故采用熱泵型變制冷劑流量多聯機系統。該系統節能、舒適、運行平穩，占用的建筑空間小，更能滿足用戶個性化的使用要求。

4 凈化空調系統

4.1 凈化空調方式選擇

潔凈室一般采用凈化空調箱或干盤管+風機過濾器機組的凈化空調方式，這2種方式各有優缺點，需根據工藝需求、機房情況等進行選擇。凈化空調箱對室內的空氣進行集中處理，處理后的空氣經風管送入潔凈室。該方式的優點是運轉設備均在獨立機房內，檢修方便、室內噪聲易控制；其缺點是空氣輸送路程較長，空氣輸送能耗較大，管道占用吊頂空間較大，需要一定面積的空調機房。干盤管+風機過濾器機組的方式將大量的風機過濾器機組和干盤管均勻安裝在潔凈室吊頂內，實現室內回風、室內送風。其優點是空氣輸送路程短，空氣輸送能耗較小，節省機房面積；缺點是有一定的噪聲，設備檢修不方便，干盤管有冷凝水泄漏的風險。鑒于該項目機房面積有限，采用轉輪除濕機+干盤管+風機過濾器機組的方式，風機過濾器機組選中擋風量并采用高效直流變速風機，節能的同時可控制室內噪聲，干盤管設置冷凝水盤和冷凝水排放管路，以避免盤管結露產生不利影響。

潔凈區頂部均布風機過濾器機組，處理后的一次風(新風與回風)在回風夾道中與循環風混合，經設置在吊頂上的干盤管處理后進入上部送風靜壓箱，經風機過濾器機組加壓、高效過濾后送入大廳內，回風經側墻下部回風百葉風口(帶粗效過濾器)送至回風夾道。干盤管主要承擔潔凈室內顯熱負荷，潔凈室內的潔凈度由風機過濾器機組保障[1]。凈化空調處理流程見圖2。

圖2 凈化空調處理流程

4.2 新風量的確定及新風處理過程

4.2.1新風量的確定

新風空調系統用于補償潔凈室排風量和維持潔凈室正壓所需的滲透風量，帶走室內濕負荷，保證干盤管處于干工況運行，同時滿足人員衛生需求[2]。共設置2臺雙冷源新風除濕機組對新風進行預處理，風量分別為8 000、7 000 m3/h，1臺負責1層激光器大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間，1臺負責用戶實驗平臺大廳。

4.2.2新風處理過程

激光器大廳、用戶實驗平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間要求室內相對濕度嚴格控制在30%～40%之間，當室內溫度22 ℃時，室內空氣相對濕度為40%，含濕量為6.56 g/kg，露點溫度為7.79 ℃，新風僅采用常規冷水機組進行冷凍除濕難以達到以上濕度要求，需要采用轉輪除濕方式進行除濕。

冷凍除濕法具有除濕效率高、除濕量大、耗電量小的優點，但常溫制冷機組不能進行深度除濕，適用于空氣露點溫度較高的場合。轉輪除濕法具有深度除濕、濕度調節精度高等優點，特別適用于低濕狀態，缺點是需要電熱再生，耗電量大。采用冷凍除濕與轉輪除濕二級聯合除濕可結合2種除濕方法的優點，減小室外新風濕度對室內的干擾，減小室內濕度的波動，同時提高冷凍除濕的機器露點和冷水機組的效率，降低轉輪除濕機組的除濕量，減小再熱量，實現節能運行。

冷凍除濕與轉輪除濕二級聯合除濕系統由雙冷源新風除濕機組和轉輪除濕空調箱組成。雙冷源新風除濕機組為帶有預冷盤管的直膨式冷凍除濕機組，室外新風經過高溫冷水(14 ℃)預冷盤管預冷后，經過低溫蒸發器進一步降溫除濕，在轉輪除濕空調箱中與室內回風進行混合后，經過分子篩轉輪深度除濕升溫，再經過高溫冷水(14 ℃)干盤管進行降溫，最后送入潔凈室回風空腔，實現了室內的濕度控制。新風處理流程如圖3、4所示。在轉輪除濕機組中設置電極加濕器，滿足冬季室內加濕的要求。

圖3 冷凍降溫除濕過程

圖4 轉輪除濕過程

為了延長風機過濾器機組高效過濾器的使用壽命，新風除濕機組設置了粗中效纖維層過濾器和高效濾過濾器。雙冷源新風除濕機組的冷凝器夏季排風溫度在40～50 ℃，將冷凝器排風作為轉輪除濕機組的再生空氣可節約電加熱量，該排風在進入轉輪除濕機組再生段前，經過熱管熱回收器與再生出口排放的高溫空氣進行換熱升溫，進一步減少再生電加熱量，可減少再生空氣的加熱量約50%。

4.3 凈化風量計算

根據GB 50472—2008《電子工業潔凈廠房設計規范》中對潔凈室內送風量的要求，分別計算凈化風量和負荷風量。1層激光器大廳及地下室用戶實驗平臺大廳為7級(萬級)凈化要求，根據GB 50472—2008規定，氣流流型為非單向流，換氣次數為15～25 h-1[3]，由于潔凈室內發熱量較大，故選擇換氣次數為25 h-1。根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定，工藝性空調的送風溫差根據室溫允許波動范圍選取，故選擇送風溫差為2.5 ℃[4]。1層5級(百級)裝配間根據工藝要求，設置獨立凈化空調系統，面風速為0.20 m/s。1層6級(千級)裝配間根據工藝要求，換氣次數為60 h-1，設置獨立凈化空調系統。

4.4 氣流組織

潔凈區頂部均布風機過濾器機組(風機過濾單元)，送風口、回風口的送回風溫度、位置、風速對室內氣流組織、溫度場、速度場影響很大，借助CFD三維氣流組織數值計算仿真模擬技術，可以直觀地表示出各種不同尺寸、位置的風口和不同送風溫度下的溫度場和速度場，分析討論其不同參數下的氣流分布規律、特點及其改進方向，尋求合適的氣流組織形式以滿足節能和工藝性的需要。該項目采用CFD軟件來模擬溫濕度和潔凈度要求較高的激光器大廳和用戶實驗大廳的溫度場和速度場，如圖5、6所示。

圖5 溫度場氣流流型圖

圖6 速度場氣流流型圖

根據CFD模擬來確定風機過濾器機組的臺數、位置及送風風速，確定回風口的位置和數量，同時校核實驗平臺的氣流速度。

5 空調自動控制系統

5.1 溫度控制

采用干盤管與電加熱器相結合的系統控制室內的溫度[5]。在激光器大廳、用戶實驗平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間的四周墻體及中間柱子上設置室內溫度探頭，實時采集室內溫度并與設定值進行比較。通過DDC(直接數字控制系統)控制干盤管回水管上電動三通閥的開度，調節水流量，使潔凈室的溫度保持在控制范圍內。配置電加熱器安裝在吊頂靜壓箱內，電加熱器前后均設置溫度探頭，通過電加熱器前的溫度傳感器控制電加熱器的加熱量，同時檢測電加熱器后的送風溫度，以控制送風溫度精度。

5.2 濕度控制

采用雙冷源新風除濕機組和轉輪除濕機組控制室內的濕度。在激光器大廳、用戶實驗平臺大廳、百級超凈裝配間、千級超凈裝配間的四周墻體及中間柱子上設置室內濕度探頭。雙冷源新風除濕機組和轉輪除濕機組自帶控制系統，能在不同工況下，根據室內濕度調節除濕量及加濕量，滿足潔凈室濕度要求，并留有大樓BA(樓宇設備自控系統)控制接口。

5.3 壓差控制

GB 50472—2008《電子工業潔凈廠房設計規范》中要求潔凈室(區)與周圍的空間應保持一定的靜壓差，目的是為了確保潔凈室(區)的正常工作狀態或在空氣平衡暫時受到破壞時，空氣流只能從空氣潔凈度等級高的房間流向空氣潔凈度等級低的房間，使潔凈室(區)內的空氣潔凈度不會受到非潔凈空氣的干擾。在激光器大廳、用戶實驗平臺大廳內設置壓差傳感器，根據室內外的壓差控制大廳內的排風機變頻運行，同時風管上設置電動調節閥與風機連鎖控制。百級超凈裝配間、千級超凈裝配間設有余壓閥，自動調節室內外的壓差。

6 檢測結果

運行一段時間后檢測，單點溫度波動小于0.1 ℃/d，整個大廳工作面上20多個溫度監控點的均勻度小于0.2 ℃/d，濕度波動度實現了1%/d的指標，潔凈度也達到7級要求。溫濕度檢測記錄如圖7、8所示。

圖7 溫度檢測記錄

圖8 相對濕度檢測記錄

7 結語

該項目目前已建成并投入使用，經檢測各項指標均滿足使用要求。激光器大廳和用戶實驗平臺大廳是該項目最重要的2個科研區域，控制高大空間室內溫濕度波動和潔凈度，關鍵在于控制氣流組織的穩定性。需要在換氣次數較大的情況下，保證工作區具有均勻且較小的氣流速度。在實際工程中還應綜合考慮冷熱源等整體的經濟性和適用性，同時冷凍除濕與轉輪除濕相結合的二級除濕方式還值得繼續研究與探討。