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(jié)能放在首位，始終堅持功能第一、質(zhì)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(shù)人員全方位考慮各專業(yè)的設計方案，把節(jié)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(diào)負荷和送風量，發(fā)現(xiàn)潔凈室特別是100級潔凈室凈化空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)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?jié)崈羰疫_到100級、1000級的潔凈環(huán)境，應使凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風溫度提高(即送回風溫差減小)，送風狀態(tài)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(jīng)表冷器直接露點送風的全空氣系統(tǒng)”方案，因為用露點送風會使室內(nèi)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(tǒng)和二次回風系統(tǒng)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(diào)的最佳的方案。并且通過技術(shù)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(tǒng)，節(jié)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(gòu)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(diào)系統(tǒng)來滿足溫濕度要求。潔凈室內(nèi)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(tǒng)能單獨控制，用電能單獨計量，故設置分散式潔凈空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的冷、熱媒均由冷、熱源機房統(tǒng)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(diào)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(tǒng)的熱濕處理過程。當風機置于表冷器前時，如圖1所示?？諝鉄釢裉幚磉^程為:回風與新風混合到C點后經(jīng)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?？刂评渌y開度調(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風狀態(tài)跟蹤室內(nèi)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(diào)節(jié)再熱量，使出風狀態(tài)跟蹤室內(nèi)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?？諝鉄釢裉幚磉^程如圖3所示。圖1～圖5中W為室外空氣狀態(tài)點;N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點;C為新回風混合點;D為送風機出口空氣狀態(tài)點;L為機器露點(表冷器出風狀態(tài)點);O為送風狀態(tài)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(jīng)過表冷器冷卻去濕達到機器露點L點，控制冷水閥開度調(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風狀態(tài)跟蹤室內(nèi)空氣濕度，達到濕度控制目的?？諝饨?jīng)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(diào)節(jié)再熱量，使出風狀態(tài)跟蹤室內(nèi)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(xiàn)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(tài)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(fā)熱量可被用作再熱的一部分(圖4中的LD部分即hD－h(huán)L)，再熱量減小，即由圖3的(hO－h(huán)L)減小為圖4的(hO－h(huán)D)，表冷器處理的焓差也變小，比圖1的方案節(jié)能。因此，對于一次回風加再熱系統(tǒng)，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(tǒng)做經(jīng)濟性比較。

2)方案2:二次回風系統(tǒng)。把系統(tǒng)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(diào)節(jié)供冷量，使表冷器出風狀態(tài)跟蹤室內(nèi)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(diào)節(jié)二次回風比，使出風狀態(tài)(O點)跟蹤室內(nèi)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(xiàn)象，非常節(jié)能。在單風機系統(tǒng)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(qū)內(nèi)。百級潔凈室二次回風系統(tǒng)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(tǒng)（風機置于表冷器前）

圖4 一次回風加再熱系統(tǒng)（風機置于表冷器后）

圖5 二次回風系統(tǒng)

兩種方案的比較:

1)方案1(如圖2，圖4所示)。

室內(nèi)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(nèi)濕度達不到要求。這樣的方案出現(xiàn)冷熱抵消現(xiàn)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(diào)節(jié)潔凈室的相對濕度，調(diào)節(jié)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(jīng)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(tài)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(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)的供冷量，增加了系統(tǒng)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(jié)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(diào)機組緊湊，盡管二次回風量的調(diào)節(jié)比較復雜，但完全可以通過技術(shù)手段來解決。

根據(jù)上述分析比較，結(jié)合百級潔凈室濕負荷小(熱濕比大)的特點，二次回風系統(tǒng)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(diào)全部采用二次回風系統(tǒng)。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(tǒng)，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(tǒng)，節(jié)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(shù)計算送風量。規(guī)范要求把二者分開設置系統(tǒng)，在工程中大家也是這么做的。能否通過技術(shù)措施把百級和千級潔凈室合為一個系統(tǒng)，分析如下。

百級潔凈室與千級潔凈室合用一個系統(tǒng)即共用一個組合式空調(diào)機組，采用同一個送風參數(shù)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(jù)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(tǒng)采用同一送風參數(shù)，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(xiàn)過冷現(xiàn)象;類推，送風量大的百級潔凈室在冬季會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

式中:QH——消除室內(nèi)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(shù)措施直接把百級與千級潔凈室合為一個系統(tǒng)，百級潔凈室會出現(xiàn)夏季過冷、冬季過熱的現(xiàn)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(tǒng)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(shù)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(huán)機組，百級潔凈室的熱濕負荷由集中空調(diào)機組承擔，潔凈度由空氣循環(huán)機組與集中空調(diào)機組共同承擔。

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

［2］黃 翔.空調(diào)工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.