潔凈廠房空調設計實踐及存在的問題

潔凈廠房空調設計存在較多常見的具體問題, 現介紹一下我們工程實踐的一些經驗。

一、合理確定室內的溫、濕度參數

除工藝有特殊要求, 明確規定溫、濕度參數外, 潔凈空調系統與普通空調系統同樣面臨合理確定室內空調溫、濕度參數的問題, 而這一點常常在設計時被忽略。國外實踐證明, 對潔凈室這種特殊工作條件,室內熱環境對人的生理、心理影響直接關系到工作效率, 間接影響產品的質量和成品率。

普通空調系統中的各類公共建筑, 其室內參數的選取主要決定于熱舒適和空氣品質。在此前提下,夏季一般盡可能在允許范圍內選用較高的室溫和較大的相對濕度, 冬季則相反。對于普通空調系統, 這樣選取參數的結果, 不僅可以減少經圍護結構的傳熱負荷及占總負荷比例很大的新風負荷, 而且由于夏季送風的機器露點溫度相應提高, 使得夏季對空氣冷卻設備及對冷凍水供水溫度的要求都相應降低; 冬季所耗供熱量及加濕量也相應減少。在很多情況下, 還可能因加大了送風燴差而減少了送風量。因此,對于這類建筑空調系統, 可明顯降低初投資和節約經常運行的能耗。

　　而對于潔凈空調系統卻略有不同, 一般來說, 為便于維持室內潔凈度, 潔凈室一般很少有外圍護結構, 經圍護結構傳遞的冷、熱負荷不多。而人員、燈光及工藝設備產熱所致的負荷量基本上與室內參數無關。同時, 絕大多數情況下, 送風量決定于潔凈級別的需要, 也與室內設計參數無關。唯一受影響大的是新風負荷量, 除排風量較大的潔凈室外, 新風負荷通常所占總負荷的份額不大, 新風量全年也是固定的。

正因為與普通空調系統存在著這種差別, 同時必須考慮到潔凈室工作人員身著與潔凈級別相配套的潔凈工作服。高級別工業潔凈室或無菌室一般是內外兩層潔凈服, 按ISO一77 30 標準測算, 潔凈室服裝的熱阻R 在0.12m²·k/w 至0.16m²·k/w范圍, 相當于美國學者A.P.Gagge

所提出的衣服熱阻單位0.8一1.0clo。

在潔凈室中, 同樣應依據人體熱舒適方程和PMV( Predicted Mean vote 預期平均評價) 和PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) 指標來評價熱環境, 其出發點不僅是熱舒適, 而歸根結底是為了保證潔凈室人員高效率的工作狀態, 這一點對于需要進行的各種精細、準確、快速操作的高級別工業潔凈室尤為重要。

按ISO一7730 標準中評價熱環境的指標, 應綜合考慮人體活動程度、衣著情況、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流動速度和空氣濕度等六個因素。與普通空調房間不同, 由于潔凈室換氣次數大, 空氣流速一般都較高, 平均輻射溫度更接近于室內溫度, 同時大部分潔凈室工藝允許的相對濕度范圍又較窄。

潔凈室人員的能量代謝率一般在70一一l00w/ m²的范圍, 相當于1.2 到1.7met( metablic rate= 某活動強度時的能量代謝率與靜坐時的能量代謝率之比)

根據上述條件測算, 并對一些潔凈室進行了調查, 提出了如下建議, 除工藝有特殊要求外, 對較低級別的潔凈室如制藥、食品、化妝品等行業, 全年溫、濕度宜控制在23 士4 ℃ 及50 土15% 范圍內, 冬、夏季設計工況分別選取范圍內偏低和偏高值。較高級別潔凈室, 在工藝無特殊要求的情況下, 全年溫、濕度宜在23土2 ℃ 及50 土10 范圍內。高級別潔凈室, 宜在23 土1℃ 及50 士5% 范圍內。如圖1 所示。

由于滿足潔凈要求的通風量一般遠大于普通空調系統滿足熱、濕負荷所需送風量, 因此送回風溫差一般都很小, 并隨著潔凈級別的增高而減小。高級別潔凈室往往只有1一2 ℃ , 甚至送回風溫差不足1℃ ,室內溫、濕度控制在允許的溫度波動范圍內一般不成問題, 當然若有室內集中熱源, 采取必要的排熱、隔熱措施也是必要的。

從圖1可以看到, 所推薦的潔凈室溫、濕度設計值范圍與著名的熱舒適及室內空氣品質專家, 丹麥的Fanger 教授在美國堪薩斯州立大學通過實驗所得到的舒適區域( 其適用條件是身著0.6一0.8clo服裝坐著的人), 以及ANS I/ A SHR AE 55一1992 所推薦的熱舒適區域( 適用于身著0.6一0.8clo服裝坐著但活動量稍大的人)。兩塊舒適區重疊部位被認為是較為理想的室內熱舒適區域。

也可以看到所推薦的低級別潔凈室的溫、濕度區范圍, 特別是溫度的上、下限方面, 超出了美國所推薦的舒適區。主要出于節能方面的考慮, 其中也考慮到中國人的飲食習慣、攝人熱量、新陳代謝機能與美國人不同的因素, 而高級別潔凈室的室內溫、濕度推薦范圍, 則基本上在最佳熱舒適區域內。

二、潔凈空調系統的設計問題

絕大多數情況下, 由于潔凈室滿足潔凈度要求所需通風量遠大于滿足溫、濕度要求所需通風量。因此潔凈室空氣處理系統( A HU )通常都是二次回風系統, 僅新風和小部分回風進人空調裝置進行熱、濕處理, 隨后與大部分循環風即二次回風混合, 經過濾后進人空氣輸配系統。在一些低級別潔凈室設計中普遍存在的問題有如下幾點:

1、某些設計單位的作法是按潔凈室不同級別的送風量的要求, 統計所需風量。以此為主要依據選定空調機組, 所需冷、熱負荷量的計算結果僅作為選取空調機組的參考。一般情況, 按風量選取的機組型號, 其相應配置的冷、熱盤管在空調標準工況下的供冷、供熱量遠多于所需量; 因此認為所選機組是符合要求的。至于所需送風狀態參數, 認為反正可通過水溫、水量及一、二次回風量調節來滿足。因此所選空調機組各功能段斷面尺寸是一致的。實際上, 除二次回風及風機段、中效過濾及出風段應滿足總風量要求外, 其它的大部分功能段: 新、回風段、粗效過濾、表冷、加熱、加濕段等處理的風量往往僅是總風量的1/3 至1/ 2, 斷面尺寸可大大縮小, 這不僅可節省建筑面積及空間, 而且冷、熱交換設備也將處于效率較高的經濟流速下。

較為合理的潔凈空調機組, 應為橫斷面不同的兩部分組成。前段以需要進行熱、濕處理的空氣量為準, 后段以總送風量為準。前后兩段在送風機的進風箱處連接, 一般風阻很小, 且不影響風機效率。

目前普遍存在的另一問題是風機出風口與中效過濾器段緊緊相鄰, 而出風機風口未設有效的均流裝置, 因而出風口迎面的過濾器的過風量大, 箱體斷面四角甚至可能有回流現象發生, 影響了過濾設備的整體效率。

2、合理的設計程序應是

( ⅰ) 根據室內參數及室內熱、濕負荷, 確定經空調熱、濕處理后應達到的機器露點。當一套空調凈化系統供應多個房間時, 以主要房間的熱、濕負荷, 或能兼顧多個房間室內參數的熱、濕負荷比以及是否設置二次加熱等因素, 來確定機器露點。由于潔凈室送風與室內燴差小, 各房間溫、濕度較易控制在允許范圍, 一般采用二次回風, 無須設二次加熱或冷卻。

(ⅱ) 根據全熱負荷或濕負荷及滿足凈化要求的送風量, 確定二次混合狀態點, 忽略風機溫升, 此點即送風狀態點。對于風機溫升可以有兩種處理方法, 一是將風機熱負荷計為室內負荷, 一是根據預測的風機溫升相應調整機器露點, 由于凈化空調機組克服各級過濾器阻力所需機外靜壓值較大, 風機配用電機功率較大, 風機溫升應予以考慮。

(ⅲ) 因機器露點、室內狀態點及送風參數點已定, 經空調機組處理的風量( G_A), 通常是新風量( G₀) 與一次回風量( G₁)之和。根據所需空調處理風量與新風量即可確定一次回風量。

G₁ = G_A ― G₀

例外的情況可能發生, 譬如G_A =G₀, 則表明新風量較大, 無一次回風; 此時, 二次回風與一次回風合二為一, 需將新風從室外參數點直接處理到機器露點。如果G₁< G₀, 則表明排風量很大, 需補給的新風量很多, 所確定的送風參數點滿足不了新風量的要求。此時, 如果在室內溫、濕度允許范圍內, 調低室溫或提高相對濕度, 以適當調整二次混合點位置, 加大新風量占總風量的比例, 以滿足設計工況下新風量的需要。否則就不得不采用二次加熱的方案。這種新風量大, 又有處理過程的冷、熱量抵消的高能耗方案應盡可能在設計中避免。

一般情況滿足潔凈室凈化級別的風量, 大于滿足熱、濕負荷的風量。因此潔凈空調系統通常是二次回風系統。但特殊情況是存在的, 在制藥、醫療器械等的一些潔凈級別低, 而熱、濕負荷又很大的車間, 可能要以滿足溫、濕度要求所計算得到的通風量來決定空調凈化系統的總風量。例如作者與新加坡Quest公司合作, 為以生產一次性注射器等醫療用品為主的福建某合資企業所設計的10萬級潔凈車間, 因工藝發熱量很大, 夏季單位面積冷負荷指標高達7 56 w/ m², 因此滿足室內溫、濕度要求的設計通風量換氣達到59 次, 遠高于滿足潔凈度所需的通風量。

三、高級別潔凈室設計的一些問題

1 、目前來看, 高級別潔凈室目前主要用于超大規模集成電路( ULSI)、薄膜晶體管液晶顯示器( TFT一CL D) 等工藝。

這類潔凈廠房的特點是: 投資規模大, 通風換氣量大, 產品及工藝更新快。此外對生產環境控制要求嚴, 且隨產品更新要求更趨嚴格。因此, 從技術經濟綜合優化的標出發, 在這類潔凈室設計時, 充分考慮生產環境能具備適應工藝快速變化的靈活性是其基本原則之一。

從能耗方面來看, 這類潔凈室由于通風換氣量大, 溫、濕度控制、壓差控制要求嚴格, 因此空調凈化設備運行能耗往往占工廠總能耗比例高達40 % , 與一般空調系統不同, 其空氣輸送動力可占到空調凈化系統總耗電量的一半以上, 而冷、熱源設備能耗量僅占不足一半。

這類潔凈室空調系統的室內負荷由生產設備、風機熱轉化負荷、照明、人員和建筑負荷等組成, 一般情況前兩項占空調室內負荷的90 % 以上。

這類潔凈室因室內人員少, 又無其它濕源, 因此熱、濕負荷比值ε≈+∞, 而且室內全年負荷變化甚少, 全年都需要排除室內余熱。在中國大部分地區, 其冬、夏季處理過程如圖2 所示。

2、降溫去濕的方法及所需冷量

高級別潔凈室一般都是按橫斷面風速確定總送風量, 又按維持正壓、排風以及衛生等要求確定新風量。新風不僅涉及熱、濕負荷耗量, 同時還關系到過濾大氣塵埃的負擔, 宜在可能范圍內盡量降低。

依據經驗, 一般新風量約在30 m³ /h·m² 至60 m³ /h·m², 約相當于8一16 次換氣, 或占總風量比例的2一4%。由于新風量與總送風量已定, 送風焙差或溫差即送風參數點由室內負荷及總風量確定。以室外大氣壓為10 1 kaP ( 標準大氣壓), 設計參數分別為23 ℃ 、50 % , 熱、濕負荷比。ε≈+∞的某潔凈室為例, 潔凈室斷面風速為0.355m/s ( 70 fpm ), 單位面積送風量為1280m³ /h·m²。從表中數據可以看出, 除非室內負荷大致在150kcal/h·m²( 含風機溫升) 以下, 否則單靠對新風進行冷、熱負荷處理是滿足不了潔凈室送風參數的要求, 即潔凈室的溫、濕度不能予以保證。

在此情況下, 可以有多種選擇方案。

一種常見的方案是根據室內負荷、送風量確定送風參數, 即二次混合比后, 根據一次送風量和新風量的差值, 例如參考表1 所列的數據, 室內冷負荷為400 k cal /h·m² ( 46 5 w/ m² ), 滿足室內設計參數所要求的,經空調處理的風量為148 m³ /h·m², 若新風量僅60 m³ /h·m², 則其差額即為一次回風量。以本例來看, 需經空調處理設備進行冷熱處理的風量約為150 次換氣, 其量是很可觀的。但因為有了一次回風與新風的混合, 使空氣處理過程變得較為容易實現, 因為相對于全新風空調處理過程, 所要求的燴降量減少, 冷凍水進水溫度可以提高。即使空氣處理機房與潔凈室相鄰, 在技術上也沒有困難, 但對于室內負荷較大的潔凈室, 其空調設備的容量、占地及空調處理空氣的送、回風管道需占據空間, 往往也是值得考慮的問題。

針對上述問題的另一方案是采取室內循環風, 也就是二次回風就地冷卻, 以解決新風不能提供所需全部冷負荷的問題, 這也是當前許多高級別潔凈室的習慣作法。通常在潔凈室回風靜壓箱與回風豎井交接處設置水冷式表冷器, 一般都處于干工況, 供水溫度大多在14一巧℃ , 可以通過電動閥來調節由冷水機組直供的冷凍水, 或者來自空調機組的冷凍水回水與循環水的比例來控制供水溫度。電動三通閥的動作由中心控制室根據室溫變化給出影響的指令。這種處理過程在i一d 圖上表示如下:

如果循環風不經冷卻與狀態L 的新風混合, 其混合狀態點C1 將比所需送風參數點O 的燴值高。為了保證室內設計溫度循環風所需的總冷量為  

由上式可以明顯看出,Q2值等于房間所需冷量G(in 一10) 與新風所提供的冷量G1 ( in 一i)L 的差值。因為循環風量很大, 工程應用中, 并不需要在全部循環風道上設置干冷表冷器, 而是在保證送風靜壓箱風溫均勻的前提下, 間隔地設置帶阻尼的回風口及表冷器。部分循環風經表冷器后一般溫降3一5 ℃ , 再與未經表冷器處理的空氣混合到室內送風狀態。

3、高級別潔凈室常常需要暖通參與決策的另一個較大的空調凈化通風方案是空氣循環方式。

無論是全面垂直單向流方式、開放灣( opening bay type) 或是潔凈隧道方式(tunnel type), 都存在空氣循環方式的選擇問題。目前來看, 采用模塊式風機單元(MFU一Fan Module Uint ) 方式及風機過濾器機組( FFU一Fan Filter unit ) 方式, 循環空氣多于再循環風機一管道方式( Recycle

Fan 一Duct  Type)。與FFU 方式不同的是,FMU 方式是一臺送風機供給多臺ULP A 過濾器所需循環風量。例如,

Motorola 西青芯片廠一臺送風機負責20 臺左右2 英尺* 4 英尺的U LPA 過濾器。空氣循環是無風道方式, 與廠房作為一體而成。由于風機室和送風靜壓箱各自獨立, 因此維修、更換容易, 在各種空氣循環方式中, 其空氣動力消耗最小。( 見表2 )

與FFU方式相比, 由于送風靜壓箱內壓力均一, 只要ULPA 過濾器阻力相同, 出風就十分均勻; 而FFU方式一般需要依據要求的出風風速, 逐臺調整風機的可變電容或其它調速裝置。

與FFU方式相比,FM U 方式如果有一臺風機故障停機時, 對潔凈室影響不大; 而F FU 方式在風機發生故障時, 此臺設備將無風送出, 而使周圍潔凈度都受影響。F FU 方式較FMU 方式風機數量多5一2 0 倍, 風機與過濾器又成一體, 因此維修隱患和難度均略大。

此外FFU方式在噪聲控制方面也較FMU 與RC F一D 方式要困難些, 但FFU 方式適應工藝變更的靈活性是最突出的, 在工藝變更時, 只要將各臺FF U 的供電線路重新組合, 將操作面和生產線上方的各臺FFU機組并聯到另一變頻控制器上, 可以分別調整供電頻率, 使F F U 的風機在不同轉速下工作, 送出不同速度的潔凈空氣, 在大面積潔凈室中按需要區別出不同的潔凈級別。

各種循環方式應結合工程實際, 絕對的優或劣往往是不存在的。