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        蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)藥廠房中的應(yīng)用
        ——以烏魯木齊某醫(yī)藥廠房為例

        2022-11-24 02:49:26
        科技視界 2022年23期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        熊 瑞

        (中國醫(yī)藥集團(tuán)聯(lián)合工程有限公司,湖北 武漢 430077)

        0 引言

        隨著節(jié)能減排政策的不斷深入,空調(diào)行業(yè)也積極響應(yīng)國家的號召,涌現(xiàn)出了很多節(jié)能空調(diào)技術(shù)。醫(yī)藥潔凈廠房因?yàn)樗惋L(fēng)量大,室內(nèi)溫度要求比舒適性空調(diào)低,能耗很大,有資料顯示,醫(yī)藥潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的能耗比占整個(gè)廠區(qū)動(dòng)力運(yùn)行能耗的60%[1],如何實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能越來越成為醫(yī)藥廠房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。我國疆域遼闊,不同地區(qū)氣候差異很大,在氣候比較干燥的西部和北部地區(qū)如新疆、青海、西藏、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江等區(qū)域利用蒸發(fā)冷技術(shù)[2]被證明是可行的,并且節(jié)能效果明顯,因此,在夏季干熱地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中,選擇什么樣的蒸發(fā)冷卻技術(shù),本文就此進(jìn)行探討。

        1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的原理

        蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用的是水蒸發(fā)吸熱的原理,獲得冷風(fēng)或冷水的技術(shù)??諝獾睦鋮s處理可采用直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻或直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的二級或三級冷卻方式。直接蒸發(fā)時(shí),使用循環(huán)水噴淋空氣,使之加濕。在加濕過程中存在顯熱和潛熱交換,由于顯熱和潛熱交換量相等,空氣的比焓值在處理前后是相同的。整個(gè)處理過程是等焓加濕的過程。等焓加濕過程可以處理的極限溫度是空氣的濕球溫度。其原理圖和焓濕圖如圖1所示。

        間接蒸發(fā)時(shí),當(dāng)冷媒(冷水)的溫度足夠高,使得空氣冷卻器空氣側(cè)傳熱面的溫度高于空氣的露點(diǎn)溫度但低于空氣的濕球溫度時(shí),空氣在冷卻過程中的含濕量不變,即為等濕冷卻過程。間接蒸發(fā)冷卻通常與直接蒸發(fā)冷卻配合使用,間接—直接蒸發(fā)冷卻原理圖和焓濕圖如圖2所示。其中W為室外狀態(tài)點(diǎn),N為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn),W1為間接蒸發(fā)出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn),O為理論送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

        2 藥廠蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 廠房概況

        以烏魯木齊某藥廠綜合制劑車間為例進(jìn)行蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì),該廠房房間功能主要包括D、C級凈化區(qū),更衣室、技術(shù)間、外包裝間舒適空調(diào)區(qū),CNC走廊,輔助功能用房等區(qū)域。D、C級溫濕度參照GB 50457—2019《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì),D級區(qū)設(shè)計(jì)溫度為24℃,相對濕度55%;C級區(qū)設(shè)計(jì)溫度為22℃,相對濕度55%,舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為26℃,相對濕度35%~75%,CNC走廊設(shè)計(jì)溫度為28℃,相對濕度35%~75%。D、C級凈化區(qū)因送風(fēng)量較大,且要保證室內(nèi)一定的潔凈級別,另外也避免頻繁的更換高效過濾器,采用組合式空調(diào)機(jī)組送風(fēng),冷源常用常規(guī)的電制冷壓縮機(jī),供回水溫度為7/12℃。舒適性空調(diào)區(qū)和CNC走廊采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng),下面以其中一個(gè)包裝區(qū)和CNC走廊為例進(jìn)行蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算。

        2.2 外包裝區(qū)蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        外包裝區(qū)建筑面積為1 219m2,建設(shè)方提供的此區(qū)域人員數(shù)為60人,經(jīng)計(jì)算該區(qū)域夏季冷負(fù)荷為80kW,人體散濕量根據(jù)公式(1)[3]:

        式中:ψ——群集系數(shù);n——計(jì)算時(shí)刻空調(diào)區(qū)內(nèi)的總?cè)藬?shù);g——一名成年男子小時(shí)散濕量。

        根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》群集系數(shù)φ取值0.9,26℃時(shí)中度勞動(dòng)條件下,一名成年男子的散濕量為240g/h,帶入式(1)計(jì)算得人體散濕量為12.96kg/h。該區(qū)域散濕量主要為人員散濕量,房間其余散濕量不考慮,房間的熱濕比ε為22222。

        人體潛熱冷負(fù)荷根據(jù)公式(2)計(jì)算[3]:

        式中:Qx——人體散濕形成的潛熱冷負(fù)荷(W);n——計(jì)算時(shí)刻空調(diào)區(qū)內(nèi)的總?cè)藬?shù);qx——一名成年男子小時(shí)潛熱散熱量(W)。

        根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》群集系數(shù)ψ取值0.9,26℃時(shí)中度勞動(dòng)條件下,一名成年男子的潛熱散熱量為161W,帶入式(2)計(jì)算得人體潛熱散熱量為8 700W,即8.7kW。外包裝區(qū)的顯熱冷負(fù)荷=夏季總冷負(fù)荷——人體潛熱散熱量,計(jì)算得外包裝區(qū)顯熱冷負(fù)荷為71.3kW。

        采用直接蒸發(fā)冷卻時(shí)的送風(fēng)溫度按公式(3)計(jì)算[4]:

        式中:to——蒸發(fā)式冷氣機(jī)降溫處理后的出風(fēng)溫度(℃);tw——進(jìn)風(fēng)空氣干球溫度(℃);tws——進(jìn)風(fēng)空氣濕球溫度(℃);η——蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率,根據(jù)廠家提供的樣本或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取,宜取65%~85%。

        過室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)N作ε=22 222kJ/kg的熱濕比線與ψ=90%的等相對濕度線的交點(diǎn)O即為理論送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。查焓-濕圖得ho=55.4kJ/kg,hn=62.6kJ/kg,送風(fēng)量按公式(4)計(jì)算:

        式中L——送風(fēng)量(m3/h);Q——冷負(fù)荷(kW);ρ——空氣密度,取1.2kg/m3;hn——室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值(kJ/kg);ho——送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值(kJ/kg);按公式(4)計(jì)算的送風(fēng)量為29 709m3/h。查焓-濕圖得烏魯木齊夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度tw=33.5℃,濕球溫度tws=18.2℃,焓值hw=55.8kJ/kg,蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率取80%計(jì)算,直接蒸發(fā)冷卻后的出風(fēng)溫度to1=21.26℃。過室外狀態(tài)點(diǎn)作hw=55.8kJ/kg的等含濕量線與to1=21.26℃的等溫線的交點(diǎn)即為實(shí)際送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O1??照{(diào)機(jī)組實(shí)際消除的顯熱冷負(fù)荷根據(jù)公式(5)計(jì)算:

        式中:Q——顯熱冷負(fù)荷(kW);m——空氣質(zhì)量流量(kg/s);t2——空氣處理終狀態(tài)點(diǎn)(℃);t1——空氣初始狀態(tài)點(diǎn)(℃)。

        當(dāng)實(shí)際送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為O1時(shí),消除的顯熱冷負(fù)荷Q為47.4kW,小于室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷71.3kW,固采用直接蒸發(fā)冷卻不能滿足室內(nèi)溫度的要求,需要采用間接-直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),間接蒸發(fā)冷卻的效率一般不大于70%[5],選擇間接蒸發(fā)冷卻的效率為60%進(jìn)行計(jì)算,采用間接蒸發(fā)冷卻時(shí)的送風(fēng)溫度按公式(6)計(jì)算[4]:

        式中tw1——間接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)段的干球溫度(℃);tw——間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)風(fēng)干球溫度(℃);tws——間接蒸發(fā)冷卻器二次進(jìn)風(fēng)濕球溫度(℃);η——間接蒸發(fā)冷卻器效率,一般取值不大于70%。

        本項(xiàng)目間接蒸發(fā)冷卻器效率按60%計(jì)算,間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣進(jìn)風(fēng)為室外新風(fēng),計(jì)算得到的間接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)干球溫度為tw1=24.3℃。直接蒸發(fā)冷卻器的效率還是按80%計(jì)算,按公式(3)計(jì)算得到的直接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)干球溫度為17.1℃,焓-濕圖過程如圖3所示。其中W-O1為直接蒸發(fā)冷卻過程,W-W1-O2為直接-間接蒸發(fā)冷卻過程。通過焓-濕圖過程可以看出室內(nèi)最終狀態(tài)點(diǎn)為N2點(diǎn),N2點(diǎn)的溫度為26℃,相對濕度為50.6%,基本滿足舒適性空調(diào)溫濕度要求。

        2.3 走廊蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        CNC走廊為環(huán)形走廊,走廊寬度2.4m,吊頂高度2.8m,長度180m,總面積為432㎡,根據(jù)建設(shè)方提供的此區(qū)域人員數(shù)量大概為100人,因該廠房為生產(chǎn)區(qū),平時(shí)走廊人員活動(dòng)數(shù)量不多,所以走廊由于人員產(chǎn)生的濕負(fù)荷基本上可以忽略不計(jì),而圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、設(shè)備等的散濕量也可以忽略不計(jì),為簡化計(jì)算,本次設(shè)計(jì)時(shí),不考慮走廊的濕負(fù)荷。

        經(jīng)計(jì)算走廊的冷負(fù)荷為20kW,熱濕比按∞考慮,采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng),3.2接計(jì)算的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為21.26℃,過送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O1做等濕線與t=28℃的等溫線的交點(diǎn)即為室內(nèi)實(shí)際狀態(tài)點(diǎn),焓-濕圖過程如圖4所示。查焓-濕圖得O1點(diǎn)的焓值ho1=55.8kJ/kg,N1為室內(nèi)實(shí)際狀態(tài)點(diǎn),焓值為hN1=62.8kJ/kg,相對濕度ψN1=50.7%消除20kW的冷負(fù)荷所需的送風(fēng)量L=8572m3/h,走廊換氣次數(shù)為7.1次/h,溫濕度和換氣次數(shù)均滿足舒適性空調(diào)需求,所以CNC走廊可以采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。

        3 結(jié)語

        以實(shí)際案例介紹了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,得出的結(jié)論為蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)非常適用,尤其是對于大空間,相對濕度不嚴(yán)格的區(qū)域采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)基本上能達(dá)到舒適性空調(diào)所需的人員溫濕度要求,可以節(jié)約空調(diào)能耗。

        本項(xiàng)目蒸發(fā)冷卻器二次風(fēng)采用的是室外新風(fēng),潔凈廠區(qū)有大量排風(fēng),排風(fēng)的濕球溫度比室外空氣濕球溫度低,在有條件的情況下,蒸發(fā)冷卻器二次風(fēng)采用凈化區(qū)排風(fēng)可以得到更低的送風(fēng)溫度,從而可以在溫濕度更嚴(yán)格的區(qū)域使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。另外像藥廠的提取車間,有很多房間需要崗位送風(fēng),也很適合采用蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)。

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