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工业洁净车间冷热源选择
摘要 分析了工业洁净车间的空调需求特点，对冷热源设备形式进行了梳理；分析了除湿和送风温差对冷源品位选择的影响，指出了７℃制冷剂的应用局限性；分析了常规热源在工业洁净车间的适用性，讨论了分区集中式与分散式两种冷热源形式的选择，总结了数据机房的冷源形式，并提出了相应的节能措施。提出了深度除湿对低温冷源需求的解决办法，总结了工业洁净车间的冷热源形式。结合一工程案例，介绍了冷热源方案。
关键词 工业洁净车间 需求特点 设备形式 冷热源品位 应用形式 冷热源形式
微工业洁净工业已成为衡量一个国家的科学技术和经济发展实力的重要标志，发达国家把微工业洁净工业作为战略性产业。2010年我国大规模消费型工业洁净产业销售收入规模达7.8万亿元，增长29.5％。消费型工业洁净产业作为我国国民经济的基础性、战略性产业，已成为国民经济的重要组成部分。
为满足生产环境的要求，空调系统几乎成了工业洁净厂房的必配项。工业洁净厂房空调系统能耗大，冷热源能耗占比很大。为此，探讨工业洁净车间冷热源方案的选择意义明显。
１工业洁净车间空调需求特点
１．１24ｈ不间断运行
为了满足生产任务的需要，工业洁净厂房实行三班倒，厂房２４ｈ有人在岗生产。
１．２舒适性空调兼具工艺性空调
厂房内既有生产区域又有办公管理区，而且生产区域的空调既有以改善工作条件为目的的舒适性空调，又有满足艺对生产（www.iwuchen.com）环境要求的工艺性空调，就笔者接触到的项目而言，舒适性空调的比例占３０％～８０％。
１．３ 空调参数具有多样性
舒适性空调夏季温度≤２８℃，冬季温度≥１８℃。工艺性空调参数具有多样性，主要体现在具体数值与控制精度上，既有长年需要供热的，如老化房，又有常年需要供冷的，如网络机房；既有恒温恒湿空调，又有洁净空调。
１．４ 室内负荷大
工业洁净车间作为工业建筑，目前没有节能规范对其围护结构提出明确的保温要求，围护结构整体保温性能差，围护结构负荷大。工业洁净厂房的照明功率略高于普通办公楼。工艺设备的发热量因工艺不同有一定的差异，但总体来讲，工艺设备发热量较大。除人体负荷含有湿负荷外，室内其他负荷均为显热负荷。劳动强度为极轻劳动［４］，在室内温度22～28℃时，潜热负荷比例不高，室内负荷中显热负荷比例较高。
１．５新风负荷大
新风量根据两项因素确定，一是补偿室内排风量和保持室内正压值所需新风；二是保证每人每小时的最小新风量，一般车间为３０ｍ3／（人?ｈ），洁净室为４０ｍ3／（人?ｈ），办公管理区新风量根据ＧＢ ５０７３６—２０１２《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》选用。相当一部分车间有排风要求，如ＳＭＴ车间（表面组装车间）、印刷车间等，同时层高相对较高，这导致其补充排风维持正压所需新风量大。
２冷热源设备形式
根据产生冷热量的能力总结的冷热源设备形式见表１。应根据实际需要和现场条件，并着重考虑项目所在地的能源结构、能源价格、能源政策（包括能源的季节性供应和使用情况）、节能减排与环境保护要求以及冷热源装置的投资与运行维护费用等因素，综合确定冷热源设备形式。
３冷热源应用形式
３．１冷热源品位的选择
品位的选择应以满足空调末端处理需要为前提，不同品位的冷热源获得的难易程度与能耗水平有很大差别。
３．１．１热源品位的选择
集中空调所用热源，锅炉供回水温度为６０℃／５０℃，热泵的供回水温度为４５℃／４０℃，而工业洁净车间冬季室内温度都在２４℃以下，无论是锅炉还是热泵都可以保证足够的温差，满足要求。
３．１．２冷源品位的选择
冷源品位的选择就末端而言，主要涉及到除湿与送风温差，除湿主要针对恒温恒湿空调，送风温差则主要针对舒适性空调，除湿需要更低的冷水温度。
３．１．２．１除湿对冷源品位的要求
冷水的进口温度应比空气的出口干球温度至少低３．５℃，除湿后的状态点设为L 点，对应的出风干球温度为tL，除湿后的相对湿度为９０％或９５％，是一个相对确定的值，则ｔＬ主要取决于除湿后所要达到的含湿量dL，所需的冷水温度为tL-3.5℃。
影响所需冷水温度的因素有：室内状态点的含湿量、承担湿负荷的处理风量以及室内的湿负荷。在其他因素不变的情况下，风量越大，ｄＬ也就越大，冷水的进口温度也可以越高。
工业洁净车间恒温恒湿空调中常采用温湿度独立控制系统处理新风控制湿度，处理回风控制温度，下面将着重对该种情况进行分析。
新风量≥人员所需新风量，洁净室的人员新风量为４０ｍ３／（人?ｈ），其他区域的人员新风量为３０ｍ３／（人?ｈ），劳动强度为极轻劳动。空调参数多样性主要体现在基准数值与控制精度上，但总体来讲，夏季温度在２０～２８℃之间，相对湿度在４５％～７０％之间，其中５０％最为常用，此处暂将相对湿度统一取为５０％，计算不同室内温度下，满足除湿要求所需要的冷水温度。
ｄＬ的计算公式见式（１）。
(1)
式中ｄＬ为除湿后的含湿量，ｇ／ｋｇ；ｄＮ为室内状态点Ｎ的含湿量，ｇ／ｋｇ；ｎ 为人数；ｄ 为单位人员散湿量，ｇ／（人?ｓ）；ｇ 为单位人员新风量，ｋｇ／（人?ｓ）。
按人员新风量４０，３０ｍ3／（人?ｈ）计算出ｄＬ，取除湿后相对湿度为９０％，查出室内参数为２０～２８℃，５０％时除湿所需的冷水温度如表２所示。冷水的供水温度通常为７℃，由以上数据可知，７℃的供水温度可以满足大部分情况下的除湿要求，但并不能满足所有情况下的除湿要求，对于室内温湿度低于２４ ℃，５０％，人员新风量为３０ｍ3／（人?ｈ）的情况，应该采用温度更低的冷源或换为其他除湿方式。
３．１．２．２送风温差对冷源品位的影响
舒适性空调在工业洁净车间占３０％～８０％，且具有负荷大、以显热为主、控制精度要求低的特点，送风温差与送风量成反比，送风量则影响风机功率、风管及附件尺寸以及安装空间大小。
送风温差的最大值受末端冷水进口温度的制约，冷水进口温度影响制冷机组的效率，冷水进口温度升高或降低１℃，机组能耗将升高或降低３％～４％。露点送风的温差最大，工业洁净厂房热湿比大（１５０００ｋＪ／ｋｇ以上），当室内状态点参数为２６℃，５５％，最大送风温差为１０℃时，假定冷水与表冷器出风温差一定，则冷水进口温度变化１℃，出风温度也变化１℃，送风温差的变化幅度为１０％以上，送风量、风机功率也变化１０％以上。这说明对于工业洁净车间冷水进口温度对风系统能耗影响明显大于对制冷机组能耗的影响，因此不能片面为了提高制冷机组能效而任意提高末端
设备冷水温度，应同时考虑对风系统的影响。
目前，部分项目对车间舒适性空调也采用温湿度独立控制系统，回风采用高温冷水（１６℃）进行处理，结果送风温差只有６℃，回风量增加了６７％，整个风系统非常庞大，管路布置非常困难。为此，对于车间舒适性空调，由于其控制精度要求低，不建议采用温湿度独立控制系统。
３．２分区集中式与厂房分散式的选择
工业洁净车间有多栋厂房，几乎每栋厂房都有空调需求，冷热源的设置形式有２种：一是每栋厂房各设１个冷热源机房；二是多栋厂房共用１个冷热源机房即分区集中式，２种设置形式在应用中均占有一定的比例。分区集中式有区域供冷的思想，但是其在一定程度上能避免区域供冷目前所存在的问题。其一，不同厂房虽属不同事业部，但是均属同一家公司，而且土建与机电设计由同一设计院完成，在总体优化时协调难度相对较小，厂房间的计量收费问题也相对容易解决；其二，厂房间的布置间距在满足规范的前提下相对较小，这有利于降低管道冷损失和输送能耗。集中冷热源具有明显的优势比如系统调节性能强、能效高、集中管理专业化程度高、建筑空间利用率高和美观性好，随着流量分配调节技术与冷热量计量技术的进步，分区集中式的分配调节与计量已不再是大的问题。虽然两种形式在应用中均占有一定的比例，但笔者更倾向于分区集中式。
３．３数据机房冷源方案的选择
工业洁净车间中，常遇到数据机房，其空调具有很大的特殊性：显热负荷大、热湿比近于无穷大、全年制冷运行、人员数量少，部分项目甚至封闭循环运行。为此，数据机房的冷源系统应独立设置。总结起来数据机房有３种基本冷源方案：风冷直接膨胀式系统、水冷直接膨胀式系统、冷水型系统，在此基础上又衍生出了双冷源系统即直接膨胀式与冷水型相结合的系统。直接膨胀式主要用于小型数据机房，冷水型空调系统适用于大型数据机房。
空调系统的能耗占整个数据机房能耗的４０％以上，全年供冷运行造成了年能耗高。部分过渡季节时段与冬季，在小型数据机房中采用显热型新风换气机，将室外空气作为冷源对室内空气进行冷却，是一种较为节能的措施，此时应注意接管方式，应让室外低温空气在新风换气机内吸热后直接排至室外而不进入室内，室内回风进入新风换气机被新风冷却后依然送入室内。对于大型数据机房的冷水型空调系统，部分过渡季节时段与冬季采用闭式冷却塔或开式冷却塔＋板式换热器进行免费供冷也是一种行之有效的方法，这种方式目前已在很多项目中得到了运用。
３．４深度除湿冷源的选择
洁净室与恒温恒湿车间对温湿度有严格的控制要求，夏季存在除湿的需求，除湿方式主要有３种：转轮除湿、溶液除湿、冷却除湿，对于它们在温湿度独立控制系统的应用形式，文献［９］作了比较详尽的分析讨论，工业洁净车间中应用得最多的是冷冻除湿。７℃的冷水并不能满足所有情况的除湿要求，当需要更低温的冷源时，有２种解决方式：一是采用低温冷水机＋盐水或有机化合溶液的载冷剂；二是采用制冷剂直接膨胀冷却除湿；冷源品位可按３．１节中的方法进行确定。
制冷剂直接膨胀冷却除湿在工业洁净车间中有一定的应用，其冷却方式为风冷，蒸发器作为室内部分置于空气处理机组内，将除蒸发器以外的其他部分作为室外机置于室外。工业洁净厂房一般为多层厂房，单层面积较大，这使得蒸发器与室外机之间的管路过长，制冷量衰减严重，品位也有一定的下降，在最热月份，常出现除湿效果不理想的情况。鉴于此，将风冷改为水冷则更为合适，直接膨胀式系统性能更稳定，除湿效果也更易保证，此时直接膨胀式系统的冷却水存在２种方式：第１种是用冷却塔提供冷却水；第２种是将用于回风处理的高温冷水作为直接膨胀式系统的冷却水。２种方式的系统节能性还有待分析，但从工程适应性的角度来讲，第２种方式的管路更简单，如图１所示。
３．５工业洁净车间冷热源的形式
综合前面的分析，工业洁净车间冷热源形式适合采用分区集中大系统＋特殊独立小系统的形式。分区集中大系统承担区域内各厂房舒适性空调负荷与特殊空调的低品位负荷，供回水温度采用７℃／１２℃，６℃／１３℃或者其他更合适的温度，通过板式换热器转换为高温冷水，可满足温湿度独立控制系统的显热处理要求，虽然存在一定的品质浪费，但是能很好满足厂区整体需求。特殊独立小系统指常年需要供冷的如网络机房以及温湿度独立控制系统的深度除湿部分，这部分应单设系统独立供应。
４工程案例介绍
某工业洁净车间位于重庆，占地面积１３４万ｍ2，建筑面积８５万ｍ2，共有３０栋工业洁净厂房，每４～６栋划分为１个区，每个区设１个集中冷热源站。冷水机组为水冷离心式机组，机组采用１０ｋＶ供电，水系统为二级泵变流量系统，７℃／１２℃的供回水温度，采用静态平衡阀平衡各厂房间的压差。冬季利用开式冷却塔＋板式换热器，为需供冷的区域供冷。空调热源与工艺用蒸汽统筹考虑，采用蒸汽锅炉，厂房内设板式换热器将蒸汽换成热水。
温湿度独立控制系统的显热负荷由经板式换热器换热得到的高温冷水承担；对于除湿负荷，当７℃冷水能满足要求时，直接由７℃冷水承担，当不能满足要求时，由风冷直接膨胀式冷却系统承担。普通舒适性空调冷负荷全部直接由７℃的冷水承担。数据机房冷源采用风冷直接膨胀式系统＋显热型新风换气机，冬季采用显热型新风换气机提取室外冷量，其余时间由风冷直接膨胀式系统供冷。
５结论
１）工业洁净车间具有２４ｈ连续运行、舒适性空调兼工艺性空调、空调参数具有多样性、室内负荷大显热比例高、新风负荷大的空调需求特点。
２）冷热源品位的选择应以满足末端处理需要为前提，冷源品位的确定要考虑除湿和送风温差的需求，７℃的冷水在深度除湿时有其应用的局限性，常用的锅炉和热泵均可以满足工业洁净车间对热源的需求。
３）对于工业洁净车间，冷水进口温度对风系统能耗影响明显大于对制冷机组能耗的影响，因此不能片面为了提高制
冷机组能效而任意提高末端设备制冷剂温度，应同时考虑对风系统的影响。
４）显热型新风换气机与冷却塔可以作数据机房的冬季冷源，但应注意应用方式。
５）分区集中大系统＋特殊独立小系统的冷热源形式可以很好地适应工业洁净车间的空调需求特点。
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医院空气净化管理规范WS/T368-2012
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上一条：集成电路无尘车间设计的要点下一条：工业洁净车间空调净化系统节能改造实例