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无尘车间一次回风处理过程及DDC控制、节能分析
无尘车间一次回风处理过程及DDC控制、节能分析
摘要：本文以千级无尘车间为例，分析了洁净空调送风量、送风温差以及送风状态点的确定方法，介绍了DDC自动控制系统在无尘车间空气处理过程中的应用，分析了在高热少湿型无尘车间中常用的一次回风空气处理方式，与传统一次回风空气处理过程相比较，在无尘车间空气处理过程中应用合适的一次回风空气处理方式，可节省再热量及等量的冷量，同时应用DDC自动控制系统，可实现变水量运行，精确控制空调温湿度，节能效果显著。
关键词：送风量，一次回风，DDC自动控制，变水量，节能
在无尘车间的设计过程中，其送风量一般按换气次数确定，对于百级以上无尘车间，其要求严格，为洁净单向流，一般不按换气次数确定，其送风量为：送风口有效面积*出风口风速（风速一般为0.25m/s~0.3 m/s，考虑衰减，一般取0.4 m/s ~0.45 m/s）。千级无尘车间：50～60次/h，万级无尘车间：15～25次/h，十万级无尘车间：10～15次/h[1]（对于高热型电子厂房应还要按消除余热去计算送风量，两者取较大值）。其送风状态点较之舒适性空调难确定。现以某电子厂无尘车间夏季一次回风系统为例，设计参数见下表：
无尘车间设计参数表1
|
房间 |
净化等级 |
室外参数 |
室内设计参数 |
|||
|
干球温度 |
湿球温度 |
干球温度 |
相对湿度 |
|||
|
|
|
m3/h |
oC |
oC |
oC |
% |
|
1 |
千级 |
55 |
35.7 |
28.5 |
24 |
55 |
|
2 |
万级 |
25 |
35.7 |
28.5 |
24 |
55 |
|
3 |
十万级 |
15 |
35.7 |
28.5 |
24 |
55 |
风量负荷计算见下表：热湿比的定义为空气的焓变化和湿量变化之比ε=Q/W Q为室内计算的热负荷W为室内计算是湿负荷
无尘车间风量负荷计算 表2
|
房间 |
面积 |
层高 |
换气次数 |
人员 |
送风量 |
余热量 (热负荷) |
余湿量 |
热湿比 |
新风量 |
回风量 |
|
|
m2 |
m |
m3/h |
个 |
m3/h |
kw |
kg/s |
ε |
m3/h |
m3/h |
|
1 |
142 |
3 |
55 |
22 |
23430 |
40 |
0.00127 |
31621 |
2343 |
21087 |
|
2 |
136 |
3 |
25 |
18 |
10200 |
24 |
0.00104 |
23188 |
1020 |
9180 |
|
3 |
136 |
3 |
15 |
16 |
6120 |
20 |
0.00092 |
21739 |
612 |
5508 |
备注：新风量取10%
空气处理过程：采用一次回风处理方式，室外新风与回风混合后处理至露点L，经再热后至送风状态点O，由O点沿热湿比线吸收室内余热余湿后，达到室内状态点。处理过程如下图所示：
图1：无尘车间一次回风空气处理焓湿图
由于洁净空调是根据送风量来确定送风温差（送风温差较小），故一般不能采用露点送风。
各状态点确定（以千级无尘车间为例）：
Δh=Q/G
Δh：室内状态点同送风状态点的焓差（in-io）；
Q：室内余热；
G：房间送风量；
室内状态点焓值in为：50.26kJ/kg，Q：40 kw，G：23430 m3/h（7.81kg/s），可得：
Δh=40/7.81
=5.12kJ/kg
即可求出送风状态点的焓值io=45.14 kJ/kg，过io作等焓线与热湿比线（对于高热型电子厂房，室内散湿量极少，主要散湿源为人体散湿，热湿比线近似于垂直，所以对回风的处理不能是除湿过程）的交点即可得送风状态点O。L点：连接室内点N与送风状态点O，并延长与95%等相对湿度线相交，即得L点。M点：根据新回风混合，混合比等于新回风之反比，即NM/MW=新风量/回风量，即得M点。各状点参数见下表：
各状态点参数 表3
|
状态点 |
干球温度 |
湿球温度 |
露点温度 |
相对湿度 |
含湿量 |
焓 |
|
|
oC |
oC |
oC |
% |
g/kg |
kJ/kg |
|
N |
24 |
17.8 |
14.4 |
55 |
10.22 |
50.26 |
|
W |
35.7 |
28.5 |
26.4 |
58.8 |
21.83 |
92.08 |
|
M |
25.2 |
19.1 |
16.1 |
56.9 |
11.38 |
54.44 |
|
L |
15.2 |
14.7 |
14.4 |
95 |
10.22 |
41.2 |
|
O |
19 |
16.1 |
14.4 |
74.6 |
10.22 |
45.14 |
由图可知：
室内负荷：Q1=G*（in-io）
=7.81*5.12
=40kw
新风负荷：Q2=Gw*（iw-in）=G*（iw-in）
=0.781*41.82
=32.7kw
再热量： Q3=G*（io-il）
=7.81*3.94
=30.77kw
总负荷：Q= G*（iw-il）=Q1+Q2+Q3
=40+32.7+30.77
= 103.5kw
同理可计算其他几间无尘车间的冷量同再热量。
无尘车间一次回风冷量同再热量 表4
|
房间 |
面积 |
级别 |
送风量 |
余热量 |
新风量 |
新风负荷 |
回风量 |
总负荷 |
再热量 |
|
|
m2 |
|
m3/h |
kw |
m3/h |
kw |
m3/h |
kw |
kw |
|
1 |
142 |
千级 |
23430 |
40 |
2343 |
32.7 |
21087 |
72.7 |
30.77 |
|
2 |
136 |
万级 |
10200 |
24 |
1020 |
14.2 |
9180 |
38.2 |
6.8 |
|
3 |
136 |
十万级 |
6120 |
30 |
620 |
8.6 |
5508 |
28.6 |
/ |
对于上述十万级无尘车间，若按规范所要求的换气次数去确定其送风量，进而计算确定送风状态点，可发现，由于送风量过小，在焓湿图上找不这一状态点，此时送风量必须按消除室内余热来计算（此情况下可采用露点送风，不须再热）。
上述十万级洁净送风量：
G=Q/in-il
=30/(50.26-41.2)
=3.31kg/s（9933m3/h）
新风负荷： Gw=0.331*（92.08-50.26）
=13.84kw
观察分析可知，在一次回风系统中须再热，浪费能源，同时由于冷热抵消，还要多消耗等量的冷量，不符合节能原则。
由于现阶段，自动控制技术越来越成熟|参考：无尘室http://www.iwuchen.com/，大部分工程公司都采用PI控制器或DDC控制器来控制空调的温湿度（控制冷冻水流量），控制原理如下图所示：
图2：DDC自动控制原理图
控制原理：
安装在回风管内的温度传感器T检测的温度送至DDC与设定的点相比较，用比例积分控制，输出相应的电压控制电动调节阀M的开度，从而精确调节冻冻水流量，使送风温度保持在所需要的范围内。
同理，安装在回风管内的湿度传感器H所检测的湿度送往DDC与设定值相比较，用比例积分控制输出相应的电压信号，控制表冷器电动调节阀或加湿器的电动调节阀的开度，控制除湿量或加湿量，使送风相对湿度保持在所要求的范围内。
由于DDC根据回风所反馈的温湿度自动控制冷水的流量同加湿用蒸汽量，控制精确，故现对DDC的使用已走进了一个误区：对于一次回风系统不使用再热，完全依赖DDC的自动控制，即室内多少负荷，通过DDC控制电动阀，给冷盘管多少冷冻水量，或相当一部分人认为，用DDC控制冷冻水量，便处理过的空气直接达到送风状态点，省去再热量同等量的冷量。通过分析可知，仅用DDC控制不能使空气状态直接达到送风状态点。结合焓湿图，详细分析如下：
方案1:从焓湿图可看出：从M点到O点是一个降温除湿过程，但O点不是露点，且线段MO上任一点都不存在露点，故从M点直接处理至O点是不可能实现的。
方案2：从焓湿图可看出：从M点到L点是等湿过程（即提供的冷冻水温度高于其露点，即干盘管），从L点到O点为等焓除湿过程，这一个过程难以实现。
方案3：从焓湿图可看出：新风集中处理至露点L（承担部分室负荷），室内回风处理至L’点（等湿过程），处理过的新风同回风的混合点刚好在送风状态点O上：L’O/OL=新风量/回风量。
此种空气处理方式，新风由新风机组集中处理，再与处理过的回风混合至送风状态点，省去再热量，适用于多 图5：方案3空气处理焓湿图 个回风机组集中布置。
对于此种空气处理方式，回风机组同新风机组对冷冻水水温要求不同，由于冷水机组的冷冻水供回水温度通常为7oC-12oC，故新风机组直接引自冷水机组冷冻水即可，而回风机组所用冷冻水则须经换热器换热。回风处理状态点可由DDC控制系统精确控制。各状态点参数如下表所示：
一次回风各状态点参数 表5
|
状态点 |
干球温度 |
湿球温度 |
露点温度 |
相对湿度 |
含湿量 |
焓 |
|
|
oC |
oC |
oC |
% |
g/kg |
kJ/kg |
|
N |
24 |
17.8 |
14.4 |
55 |
10.22 |
50.26 |
|
W |
35.7 |
28.5 |
26.4 |
58.8 |
21.83 |
92.08 |
|
L’ |
19.5 |
16.3 |
14.4 |
72.6 |
10.22 |
45.58 |
|
L |
15.2 |
14.7 |
14.4 |
95 |
10.22 |
41.2 |
|
O |
19 |
16.1 |
14.4 |
74.6 |
10.22 |
45.14 |
由图可知：
新风负荷：Q1=Gw*（iw-il）
=0.781*50.88
=39.7kw
回风负荷：Q2=(G-Gw)*（in-il’）
=7.03*4.68
=32.9kw
总冷负荷：Q=Q1+Q2
=39.7+32.9
=72.9kw
同理可计算其他无尘车间新风负荷同回风负荷：
无尘车间新风负荷、回风负荷 表6
|
房间 |
面积 |
送风量 |
新风量 |
新风负荷 |
回风量 |
回风负荷 |
总负荷 |
|
|
m2 |
m3/h |
m3/h |
kw |
m3/h |
kw |
kw |
|
1 |
142 |
23430 |
2343 |
39.7 |
21087 |
32.9 |
72.6 |
|
2 |
136 |
10200 |
1020 |
17.3 |
9180 |
20.87 |
38.17 |
备注：上述十万级无尘车间采用图1所示空气处理方式（露点送风）。
两种空气处理方式能量消耗对比如下表所示：
两种空气处理方式能量消耗 表7
|
房间 |
面积 |
再热式一次回风 |
非再热式 |
节省冷量 |
节省量 |
节省再热量 |
||
|
冷量 |
再热量 |
总冷量 |
冷量 |
|||||
|
|
m2 |
kw |
kw |
kw |
kw |
kw |
% |
kw |
|
1 |
142 |
72.7 |
30.77 |
103.47 |
72.6 |
30.77 |
29.7 |
30.77 |
|
2 |
136 |
38.2 |
6.8 |
45 |
38.17 |
6.8 |
15.1 |
6.8 |
通过观察可知：总冷负荷与再热式一次回风系统的室内负荷+新风负荷的总和相等，即用些种空气处理方式省掉了再热量,同时还有相应等量的冷量,节能效益相当可观.
DDC控制原理图：
图6：方案3DDC自动控制原理图
当室内余热增大时，温度传感器所反馈的温度值大于DDC系统的设定值，DDC通过所反馈的信号去控制电动调节阀的开度，增大冷冻水流量从而提高送风温差，才能消除室内余热，即送风状态点O下移。相应的回风处理状态点L’也下移。L’O/OL=新风量/回风量。
同理，当室内余热减少时，调节过程与室内余热量增大时相反。
从焓湿图上可看出此种空气处理方式有一个特点：热湿比大，回风处理为等湿处理。此种空气处理方式对于低热高湿型无尘车间是否也可行呢？我们可从焓湿图上加以分析：
从焓湿图可看出：新风集中处理至露点L（承担部分室负荷），室内回风处理至L’点，为降温除湿过程，L’点为非露点，故这一过程不可能实现。
综上分析，此种一次回风空气处理方式仅适用于高热少湿型无尘车间。对于低热高湿型无尘车间不能仅依靠DDC控制，必须采用再热，才得到相适的送风状态点，为节约能源，建议采用采用二次回风方式（空气调节教材上已有详细叙述，故在此不再赘述）。
结论：通过以上分析对比可以看出，针对高热少湿型无尘车间，采用合适的空气处理方式，可以达到节能目的，洁净级别越高，节能效果越明显。但对于低级别无尘车间节能效果不大，在实际建设中，从节能和投资的角度综合考虑，采用常规一次回风（图示所示空气处理方式）更为合算。
参考文献
[1] GB 50073-2001洁净厂房设计规范.
kg/s 为单位时间内通过介质的质量
m3/h为单位时间内通过介质的体积
我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1.293kg/m3
通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3。
公式m=p*v P设为密度,1kg/s=1.205*3600m3/h=4338m3/h
上一条：制药厂无尘车间压差控制三大步骤分析下一条：制药企业洁净技术与常见问题浅谈