工业洁净厂房分层空调净化系统设计

工业洁净厂房分层空调净化系统设计

万海生

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司深圳分公司广东深圳518040

摘要：合理的空调系统设计关系到厂房的能源损耗，因此，结合建筑特点及使用功能，制定合理的空调净化系统的重要性。本文根据工程案例，介绍了空调系统的冷源、水系统、净化空调系统、节能设计等方面，供同行借鉴参考。

关键词：洁净厂房；空调冷热源；换气次数；分层净化

一、项目概况

某电子测试试验厂房总建筑面积为67035m2建筑的占地面积为34207m2。由科研楼和生产厂房两大部分组成，1号为戊类多层工业建筑，2到4号为高层戊类工业建筑，分区示意见图1。

测试区是净化厂房的核心区域之一，主要服务于洁净环境中的大型设备组装、测试。鉴于该区域产品装配、竖向起吊和产品检测等工艺需求，采用钢筋混凝土双支柱，屋顶钢网架结构形式，屋架下弦高度为23.6m，双支柱间距为1.6m，且两柱之间设斜拉杆作为柱间支撑。墙壁及顶板采用100mm厚的金属夹芯净化壁板，地面为防静电自流平地面。厂房平面示意见图2。

二、洁净厂房特征

（一）厂房空间特征

产品在高大净化空调环境中进行工作所占有效空间相对较小，对于这类型的高大空间往往不需要全室净化。

（二）使用时间的特征

根据工艺条件，本厂房在工作班次相对集中，常常表现出明显的周期性及不均衡性。

（三）净化负荷特征

对洁净工程而言，净化负荷来自于上、下两部分，其负荷指的是悬浮于空气中的粒径不同的颗粒物，这些颗粒物分别来自以下几个方面：

1.室外新风携带进来。

2.生产过程中工序周转时由产品及使用工具、仪器、设备带入的及生产过程中产品自身产生的。

3.操作人员在操作过程中散发出来的。厂房内除吊车尘源来自于上部外，其他尘源主要产生于厂房的下部空间，其中尤以人体散发居多。人体散发的灰尘往往集中在产品周围，假定集中于一个柱网间距空间内，则此空间含尘浓度会迅速增加，直接会影响到厂房的洁净度。

4.地面产尘量。地面产尘量一般按1.4x104个/m2/min（0.5μm）计算。

三、空调冷、热源及空调水系统

（一）空调冷、热源设置

根据园区现有条件和工艺使用要求，本工程空调系统的冷媒由区域能源中心三联供和厂房内独立低温冷源共同保证。区域能源中心可提供设计参数为7℃~13℃的冷冻水，最大耗冷量10600KW，供冷量及系统定压均由区域能源中心保证，在厂房入口间内预留增压水泵。同时，厂房内设置独立低温冷源，该冷源提供最大耗冷量为3100KW的5℃~10℃冷冻水和最大再热量为2960KW的45℃~40℃热水。制冷主机选用1042KW（5℃~10℃）/1337.2KW（45℃~40℃）带热回收风冷螺杆冷热水机组3台，冷媒采用R407C制冷剂，且具备同时制冷、热及单独制冷、热的功能；并设置系统定压及水处理设备。

（二）空调水系统

区域能源中心提供的冷冻水通过厂房内入口间增压泵后，经分、集水器送至各用冷区水系统管道回路为两管制异程式，系统各分支点根据需要设置平衡阀。

本工程独立冷源系统采用一次泵变流量系统，冷冻水泵、热水循环水泵各设置4台，三用一备。热回收风冷螺杆冷热水机组制备的5℃冷水和45℃热水分别经分水器送至各用冷区，10℃冷回水和40℃热回水汇于各自的集水器经水处理后返回机组，总供、回水管之间的旁通阀采用压差控制，水系统管道回路为四管制异程式，系统各分支点根据需要设置平衡阀。

四、净化空调系统

（一）室内、外环境参数

本工程位于天津滨海新区，天津属于寒冷地区。夏季空调干球温度33.9℃，夏季空调湿球温度26.8℃，夏季通风相对湿度63%；冬季空调干球温度-9.6℃，冬季通风相对湿度56%。

厂房内装配测试净化区分为I区和II区，空调区域参数见表1所示。

（二）洁净厂房空调方案的选择

我国现行的《洁净厂房设计规范》（GB50073-2013）所规定的的空调换气次数仅适用于层高小于4m的洁净室，对于层高大等于4m的高大厂房的气流组织及换气次数暂无明确规定。在项目前期，我院与清华大学建筑学院合作，利用CFD模拟对装配测试净化区上侧喷口侧送、下侧回风的分层净化空调的换气次数进行了分析，发现人体、设备尘源相对集中的区域其粒子浓度场和温度场明显较高。尽管换气次数达到9次/时净化区的洁净度已远高于大空间的设计要求，但根据净化区人体尘源相对集中、设备使用时间周期不均衡性等特点，随着送风量的大幅降低会引发局部区域洁净度和温度超标的风险。因此，合理地确定送风量是满足高大净化区洁净度和温度综合效值的关键。

装配测试区上层非净化区域为静置状态；净化区域（h=12m）内根据环境的净化要求，采用上侧喷口侧送、下侧回风的分层净化空调系统。本工程对12m以下的工作区域采用换气次数为12次/h——其中，根据厂房内的冷、热负荷计算确定洁净变频空调处理机组以8次/h的换气次数承担净化区的热、湿负荷；高余压自净器以4次/h的换气次数保证净化区的洁净级别。如果以整个建筑空间来计算，平均换气次数为6次/h。装配测试净化区空调系统计算数据见表2所示。

（三）分层净化空调系统

根据工艺要求，装配测试I、II区（8级）干球温度选定23℃，露点温度为12℃，相对湿度取50%。该区域净化空调系统设计了新风处理机组和混合处理机组，机组内分别设置了初效、中效、亚高效及高效四级过滤器，来保证工艺洁净度的要求。依据规范冷媒的进口温度应低于空气的出口干球温度至少3.5℃，考虑输送管路的温升等综合因素，现区域能源中心提可提供9℃～15℃的冷冻水，露点送风理论温度t1=12.5℃已高于房间露点温度，无法满足工艺参数要求。谓此，本系统新风由新风机组经区域冷源（9℃~15℃）和独立低温冷源（5℃~10℃）两级处理来满足室内的温度要求。首先，新风经区域冷源表冷处理至17

℃左右；然后，经独立低温冷源将其露点温度处理至10.5℃上下；最终，处理后的新风与洁净区回风混合，再经区域冷源自由冷却至送风状态点以保证室内温、湿度要求。同时，为避免出现湿度失调的情况，本系统还利用独立冷源热回收机组中的热水作为系统控湿的备用手段，以确保洁净区的空气品质。净化空调系统焓湿见图3，表3为各状态点参数。

净化空调系统的送风机采用变频风机，全年定新风比运行。洁净区辅以高余压自净器满足净化级别的要求。气流组织采用为上侧喷口侧送，下侧百叶风口侧回的形式，在不同高度上布置两层送风口，利用喷口侧送风形成的气流来覆盖净化区域。分层净化空调系统原理见图4。

五、结束语

通过对洁净厂房温度和粒子浓度进行CFD数据模拟可知，当本工程净化区换气次数选定为12次/h下，比规范中的设计工况（15次/h）风系统能源可节省20%以上；但高大洁净厂房的洁净度仍高于设计要求，说明现有设计方案存在较大的节能潜力。如果无限降低系统送风量，则无法有效保证洁净区的温度。因此，设定合理的洁净空调系统送风量是满足高大洁净厂房洁净度和温度的关键所在，可通过调整洁净机组变频送风机实现洁净区风量调节等现场测试，确定系统合理的送风量，进一步探究高大洁净厂房的换气次数，安全有效地实现减少投资和增大节能的经济环保目标。

参考文献：

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[2]许钟麟著，空气洁净技术原理（第三版）[M].北京：科学出版社，2003

[3]洁净厂房设计规范GB50073-2013.[S]北京：中国计划出版社，2013

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[5]李兆坚，张小航，宋道宏，吴飞.高大洁净厂房空调换气次数对洁净度的影响测试分析.[C]国防系统委员会第三届年会论文集.2010，06

[6]董秀芳，肖武，赵彬.高大洁净厂房分层净化CFD模拟与节能性分析.[J]暖通空调，2013，04