包裝材料實驗室暖通空調系統設計分析與應用實踐

劉小赫

南京博森科技有限公司上海分公司 上海 201619

1 項目概況

本工程為上海塔恩包裝材料有限公司實驗室改造項目。該項目位于廠房一樓，樓板高4.6m，建筑主梁底3.6m，建筑次梁底4.1m。項目包括七個功能區，分別為物理實驗室、前處理室、化學分析室、氣相室、緩沖間、空調間及氣瓶間，室內凈面積分別為31.6㎡、10.5㎡、17.8㎡、11.4㎡、8.5㎡、4.8㎡及4.8㎡，實驗室平面布置圖如圖1所示。物理實驗室、前處理室及化學分析室三個功能區的地面均抬高0.15m，要求完工后室內凈高均不低于2.7m。

圖1 實驗室平面布置圖

2 設計參數

2.1 室外計算參數（詳見表1）

表1 室外計算參數

2.2 室內設計參數（詳見表2）

表2 室內設計參數

3 暖通空調系統設計

3.1 恒溫恒濕精密空調

項目中的物理實驗室，因其溫濕度控制精度要求高，必須配置專用的恒溫恒濕精密空調進行控制[1]。

根據中國建筑工業出版社《空氣調節》“空調負荷計算與送風量”，在確定房間內空調負荷、選定空調機的制冷/加熱量時，通常需要考慮如下因素。

a.室內空氣計算參數（濕度基數及精度要求）。

工作區（+0.8m至+2.0m區域）的溫濕度必須常年滿足23℃±1℃、50%±2%RH。

b.圍護結構的得熱量及其形成的負荷（包括建筑外墻、屋頂、外窗等）。

物理實驗室位于廠房內，墻體及屋頂的建筑材料均為凈化保溫彩鋼板，厚度為50mm，彩鋼板內保溫材料為巖棉，巖棉密度為100kg/m3,鋼板基板厚度δ≥0.475 mm。墻體及屋頂總面積為115㎡。根據多層材料構成的圍護結構的傳熱阻R（K.m2/W）為各層材料熱阻的和及 R=δ/λ與K=1/R。

其中：δ為單一均質材料層厚度 m

λ為單一均質材料的導熱系數 W/(m.K)

可計算出凈化保溫彩鋼板的綜合傳熱系數K=1.36W/(㎡.K)。

再根據傳熱學公式：Q=KF⊿t

其中：Q為負荷 W

K為傳熱系數，W/(m2.K)

F為接觸面積，m2

⊿t為接觸面兩端的溫差，K

采用夏季空氣調節室外計算干球溫度34℃及冬季空氣調節室外計算溫度-4℃作為負荷溫度逐時極值，可得到墻體及屋頂計算冷負荷為1.72kW，計算熱負荷為4.22kW。

c.地面的散熱散濕及形成的負荷：物理實驗室現場因已將建筑地面抬高，且鋪設了木地板，此項負荷視為0。

d.室內工藝設備的散熱量及其形成的負荷：物理實驗室內無任何發熱工藝設備，此項負荷視為0。

e.室內照明的得熱量及其形成的負荷：室內配置9盞48W的LED燈，因90%左右的電能會轉化為光能，則發熱量按功率的10%計算，此項冷負荷為0.04kW。

f.室內人體的散熱散濕量及其形成的負荷：人體散熱散濕與性別、年齡、衣著、勞動強度及環境條件（溫濕度）等多種因素有關，且因不同性質的建筑物內成年男子、女子、兒童、老人數量均有不同比例，其中成年男子散熱散濕量最大，為方便計算，室內均以成年男子作為計算依據[2]。常駐工作人員為4人，根據人體散熱/散濕量公式：Q=qnn’。

其中： q為不同溫度條件成年男子散熱散濕量 W

n為室內全部人數

n’為群集系數

可得人體負荷為0.64kW

g.外門開啟形成的負荷：因現場改造條件的局限性，物理實驗室無法配置單獨的緩沖間，而是與其他房間共用，也無法起到常規緩沖間的全部作用。故由緩沖間進入物理實驗室時，門體的開啟會對室內的溫濕度造成波動影響。門體尺寸為900*2400mm，工作人員攜帶實驗物品出入時門體開啟及閉合時長按30s計算。根據負荷計算公式Q=0.278Vcρ⊿t，其中：

V —流入的外界空氣量，m3/h；

c —冷空氣的定壓比熱，=1KJ/（kg ℃）；

ρ —室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3；

⊿t—室內外計算溫度差，℃；

0.278—單位換算系數，1kJ/h=0.278W。

可得計算冷負荷為0.5kW，計算熱負荷為1.2kW

h.室內其他濕源及其形成的負荷：因物理實驗室必須為微正壓設計，且四周均做保溫維護結構，故不考慮門窗縫隙進入的空氣造成的負荷，室內也無任何散濕源，故此項負荷視為0。

以上各項累計得出房間總冷負荷2.9kW，總熱負荷5.42kW。

i.房間送風量的確定：因恒溫恒濕房間內余濕值極小，故熱濕比按∞考慮。取送風溫差為1℃，根據熱平衡公式G=Q/(iN-iO)可得計算送風量為：2636m3/h。

j.新風量的確定：新風量的計算依據幾點：第一、按室內工作人員的數量，以不低于人均0.5m3/min標準計算；第二、滿足室內的正壓要求；第三、房間循環風量的5%選??；第四、用戶的特殊要求。各項計算值取最大作為新風選型標準。本項目中按人員計算得到200m3/h，按正壓計算得到168m3/h，按循環風量的5%計算得到132m3/h。新風量取值為200m3/h。

k.空調制冷量的確定：本項目空調設計為一次回風系統，空調制冷量Q=G（iC-iL）=Gw(iW-iN)+G(iN-iL），空調再熱量W=G（iO-iL）。其中：

G——空調送風量，kg/s

Gw——新風量，kg/s

iW——新風狀態焓，kJ/kg

iN——室內狀態焓，kJ/kg

iL——露點焓，kJ/kg

iO——送風點焓，kJ/kg

計算得到恒溫恒濕空調制冷量15.3kW，加熱量9.2kW。

換氣次數校核：參考《GB50019-2015工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，結合以往的工程經驗，在高精度恒溫恒濕環境系統中，在滿足空氣換氣次數的前提下，再選擇合適的制冷量與加熱量，才是空調系統選型的關鍵所在[3]。換氣次數=循環風量/房間體積，循環風量=換氣次數×房間體積。

根據《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標準大氣條件》GB/T10739-2002中的技術要求規定：室內空氣應每小時循環15-30次，工作區域的空氣流速應不高于18m/min。計算循環風量范圍為1682.7m3/h-3365.4m3/h。

綜合以上計算數據，再向上與恒溫恒濕精密空調機組規格取整，選定實驗室專用風冷直流變頻恒溫恒濕空調機組（制冷量：16kW，風量：3500 m3/h，機外靜壓：400Pa，加熱量：9kW，加濕量：6kg/h，配電功率：19.4kW，數量：1臺）。

3.2 新風空調

本項目新風空調有四個作用：滿足恒溫恒濕實驗室（物理實驗室）內新風換氣要求；滿足緩沖間微正壓要求；滿足因強制排風而產生的補風要求；滿足緩沖間及前處理室夏季最高30℃、冬季最低10℃的要求。新風空調的負荷需按同時滿足上述四個要求的總量設計。

a.新風量。1)物理實驗室所需新風量：200m3/h。2)緩沖間微正壓所需：8.5*3.6*2=61.2m3/h。3)補風所需：緩沖間內有通風柜1臺（最大風量1400m3/h）,前處理室內有通風柜1臺（最大風量1400m3/h）,氣相室內有萬向排氣罩1個（最大風量200m3/h），化學分析室內有萬向排氣罩1個（最大風量200m3/h），原子吸收罩1個（最大風量400m3/h）,計算最大排風量為3600m3/h。除物理實驗室及緩沖間外，其他房間按常壓考慮。

新風總量=200+61.2+3600=3861.2m3/h

b.制冷量。夏季室外空氣由狀態點W X（3 4 ℃，83%RH）減焓降溫處理至XX（30℃，90%RH）（說明：處理后的空氣相對濕度取90%，是因為空調設備的機器露點狀態其相對濕度即為90%）計算所需制冷量為18.7kW。

c.加熱量計算。冬季室外空氣由狀態點WD（-4℃，75%RH）沿等濕線處理至XD（10℃，26.2%RH），計算所需加熱量為18.1kW。

綜合以上計算數據，再向上與新風空調機組規格取整，選定實驗室專用冷凍水型恒溫恒濕空調機組（臥式吊裝，制冷量：20kW，新風量：4000 m3/h，加熱量：20kW，加濕量：6kg/h，數量：1臺）， 配置風冷變頻冷水機組（制冷量：20kW，制熱量：25kW）1臺。

3.3 舒適性空調

化學分析室選擇2匹冷暖空調器；天花機吊裝，不額外占用室內已經很緊張的地面位置。

3.4 恒溫恒濕系統

在高精密恒溫恒濕環境中，在對應的測試狀態條件下，在有效空間及有效測量距離條件下，溫濕度實測值都必須滿足精確度、波動度、均勻度與空間梯度的要求[4]。工程上采用的最有效的氣流組織方式為上送風+底回風。

上送風系統設計為頂送風型恒溫恒濕機組——送風靜壓箱——送風風管——送風風口——全面送風孔板。

但因本項目是改造工程，物理實驗室內地面已抬高150mm且安裝了木地板，同時業主明確要求地面要利舊，無法采用底回風方式，故設計如下回風解決方案：

室內四周設計500mm高度的回風夾道，夾道上方安裝定制的實驗臺家具。設計合適規格及數量的回風口，每個回風口都安裝調節閥，且回風口的位置與實驗臺下部的留空位相對應。在房間內四角位置設計回風柱，與回風管相連接到恒溫恒濕機組，保證了室內回風的均勻性及順暢性。

送回風均采用鍍鋅鋼質矩形風管，風管外表面均做保溫處理。

3.5 強排風系統

現場排風設備包括兩臺排風柜（單臺最大排風量1400m3/h，均排放有機廢氣）、兩臺萬向排氣罩（單臺最大排風量200m3/h）、一臺原子吸收罩（最大排風量400m3/h）。

上述排風設備均僅在需要時開啟。因現場最大總排風量只有3600m3/h，在滿足安全的前提下，出于經濟性考慮，只設計了一套排風系統。將萬向排氣罩及原子吸收罩的排風納入到了排風柜的排風系統中來，在萬向排氣罩及原子吸收罩的出口處安裝調節閥以匹配各自的排風量。在排風柜的出口處安裝電動開關閥，開關閥與排風柜的開關聯動，杜絕排風柜關閉時管路中排風短路。排風機設計變頻調節控制方式，應對系統中經常變化的風量，保證整個排風系統的穩定性及可靠性。排風均采用PP圓形風管，風管外表面均做保溫處理。

3.6 新風補風系統

業主給定的空調間僅夠布置恒溫恒濕空調機組，完全沒有預留新風補風機組的地面安裝位置，加之新風/補風管路分布范圍較廣，需布置在空調間、緩沖間、氣相室、前處理室及化學分析室這五個房間，故設計將新風空調機組吊裝在緩沖間的天花上空位置。為避免冷凝水泄漏隱患，特增設不銹鋼水盤，安裝在新風空調機組底部，設計的接水盤的面積不小于新風空調機組的投影面積。

新風補風均采用鍍鋅鋼質矩形風管，風管外表面均做保溫處理。

3.7 風管系統綜合管線規劃

因為是改造項目，現場已有的舊管線舊設備舊家具很多，雖然會拆除一部分，但是相當一部分（例如消防管路、舊有的隔斷支撐支架等）會保留。加上業主指定了恒溫恒濕空調間、新風入口及排風出口的位置，造成了三套系統的管路存在一定程度的空間交叉沖突可能。

經過現場詳細勘查測量，同時設計時在風管風速允許范圍內盡量減小風管的厚度，將排風風管與新風風管分兩層布置，新風布置在上層，排風布置在下層，在有限可利用的空間內保證所有管路的平滑通暢。

4 項目成果

本項目實驗室通過業主長時間開機運行測試，確認滿足既定的實驗條件；物理實驗室的溫濕度控制參數也于2021年12月22日一次性通過上海市計量測試技術研究院的檢測。本次實驗室的成功建設，充分體現了安全健康、質量可靠、經濟合理、節能環保、精密控制的設計理念，有力保證了使用單位實驗室數據的可信度與公信力。

5 結束語

新建實驗室一切都是可見的，勘察設計施工條件比較好，能夠借鑒參考的圖紙文件也比較齊全；舊實驗室因為管理問題、人事變動原因等，能夠借鑒參考的圖紙文件不能保證齊全或準確，現場勘察時（尤其是本項目實驗室還正在使用當中）有很多東西不可見，一些預埋管線甚至完全不可知。這就需要設計人員要有高度的責任心、良好的專業素養和豐富的工程設計經驗，并在施工過程隨時和項目管理人員、施工班組保持密切聯系和溝通，及時優化調整施工圖紙。在項目竣工驗收之日，也是最新最齊全竣工圖完成之時，為日后實驗室運維和管理帶來極大的便利——安全來自專業的設計與施工。