浅谈现代化洁净室空调系统的节能设计
【摘要】在洁净室设计中，空调系统的设计决定着洁净室的运行费用。本文对千级洁净室的节能设计进行了说明，重点介绍了空调系统设计的两种方案―“一次回风系统”和“二次回风系统”，针对千级洁净室“高洁净、大风量、小热量”的特点，选定“二次回风系统”，不但降低了设备初投资，还大大节约了运行费用。
【关键词】节能；大风量；小热量；二次回风系统
0.引言
秉承国家“大力倡导节约能源，强调可持续发展”的方针和用户的节能要求，积极寻求在洁净室“耗能大户”―空调系统上的节能新途径，针对千级洁净室“高洁净、大风量、小热量”的特点，选定“二次回风空调系统”，不但降低了设备初投资，还大大节约了运行费用。
1.千级洁净室工程设计
1.1洁净室技术简介
洁净室就是为保持室内要求的洁净度等级，采用空气过滤、温湿度调节等措施所尽力创造的室内空间，是空气洁净技术创造洁净微环境的最重要、最具代表性的措施。
1.2千级洁净室设计
1.2.1洁净室主要参数计算
洁净室的主要性能指标有：洁净度、温湿度、照度、噪声等。
（1）洁净度计算。
送风量（换气次数）是洁净度的量化指标，每一种洁净度级别均对应着不同的换气次数。按照《洁净厂房设计规范》，1000级洁净室的换气次数可取n=50～60次/h，100000级洁净室的换气次数可取n=10～15次/h。
送风量V=∑（A*n）=（28*2.5*60+35*2.5*15）*105%=6000m3/h
新风量VW
新风的冷（热）湿负荷很大，最大可占到整个洁净室的1/2以上，为节约能源，就要尽可能地减小新风量。按照GB50073-2001《洁净厂房设计规范》，当室内人数为10人时，满足人员卫生要求新风量为：VW1=40m3/h.人*10=400m3/h
为满足对非洁净室最小压差10Pa要求，新风量为：VW2=（28+35）*2.5*2=315m3/h
综合以上条件，则：VW=Max（VW1，VW2）=400m3/h
（2）温湿度计算。
空调系统是实现洁净室温湿度控制的保证，设计合理的空调系统不但可以精确控制洁净室的温湿度，还能最大限度的节约能源。空调系统有“一次回风系统”和“二次回风系统”两种方案，针对千级洁净室“高洁净、大风量、小热量”的特点，通过计算对比，认为二次回风系统比一次回风系统更加节能，并在本工程中采用。
1.2.2洁净室主要施工图纸设计
洁净室是集建筑装饰（与大气相对隔断的密闭装修）、净化空调、电气自控、工艺管道等多种专业技术于一体的产物， 本洁净室施工图纸主要包括建筑装饰、净化空调、两大部分。
千级洁净室设计为乱流形式，带风量扩散板的高效过滤器送风口均匀布置在洁净室的顶部，洁净室侧墙下部布置带初效滤料的铝合金百叶回风口，使气流的扩散作用更加明显，有利于将污染粒子快速带出洁净室。
为尽快排除清洗过程中散发的有害气体，在辅助间设置了1套排风量为3000m3/h的带排风清洗工作台。由于清洗工作台并不是连续使用，为节约能源，设计了1个辅助间排、送风联锁系统，系统由电动密闭风阀、初中高三级过滤器、送风机、管道组成送风系统，高效过滤器布置在辅助间排风工作台的正上方，与设在清洗工作台下部的排风口一起快速排出有害气体。送风机与排风机同时启停，既保证了排风时室内相对非洁净区的正压，又节约了能源。
1.3洁净室空调系统节能途径
总结以上措施，千级洁净室的节能途径有以下三条：
（1）确定合适新风量。
（2）辅助间排、送风联锁系统设置。
（3）合理选择洁净室净化空调系统方案，采用二次回风空调系统。
2.洁净室空调系统节能设计
2.1设计参数
2.1.1室外设计参数
按照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》取值（天津市）：
冬季空调室外计算干球温度：-9.4℃冬季空调室外计算相对湿度：73%。
夏季空调室外计算干球温度：33.9℃季空调室外计算湿球温度：26.9℃。
2.1.2洁净室余热、余湿计算
表1千级洁净室余热、余湿计算
2.2洁净室一次回风净化空调系统
2.2.1洁净室一次回风净化空调原理图
图1千级洁净室一次回风净化空调原理图
新风经初效过滤后进入到组合式净化空调机组的混风段，与从洁净室内回收的空气一起经过换热器的加热（冷却除湿）处理后，依次通过杀菌段、电加热段、风机段、均流消声段、中效过滤段，通过洁净风管送入洁净室。
2.2.2洁净室一次回风各状态点确定
（1）一次回风热湿处理过程为：
其中：W―室外状态点（新风）N―室内状态点（回风）C―混合状态点。
L―机器露点 O―送风状态点 ε―洁净室热湿比，ε=Δi/Δd=10.5/1.8*3600=21000KJ/Kg。
（2）洁净室一次回风各状态点参数计算，结果见表2：
表2一次回风系统状态点参数
1）状态点C的计算：
根据热平衡方程，i×V=i×V+i×V
式中， iC、VC为状态点C的焓值和体积流量，单位分别为KJ/Kg和m3/h，
VN=V-VW=5600m3/h， iW、iN已知，
则状态点C的焓值为：iC=57.8KJ/Kg
根据湿平衡方程，d×V=d×V+d×V
式中，dC为状态点C的含湿量，单位为g/Kg，dW、dN已知，则状态点C的含湿量为：dC=12.5g/Kg。
2）状态点O的计算：
根据热平衡方程，Δi=m*(iN-iO)
式中，Δi为洁净室内余热量，单位为Kw，m为洁净室内送风的质量流量，单位为Kg/s，iN已知，则状态点O的焓值为：iO=50.6KJ/Kg。
根据湿平衡方程，Δd=m*(dN-dO)
式中， Δd为洁净室内余湿量，单位为Kg/h，m为洁净室内送风的质量流量，单位为Kg/s，dN已知，则状态点O的含湿量为：dO=11.8g/Kg。
2.2.3一次回风系统制冷机组冷负荷QC及再热量QH计算
QC=m*(iC -iL)=21.2Kw QH= m*(iO-iL)=6.8Kw
2.3洁净室二次回风净化空调系统
2.3.1洁净室二次回风净化空调原理图，即千级洁净室净化空调原理图。
图2千级洁净室净化空调原理图
新风经初效过滤后进入到组合式净化空调机组的混风段，从洁净室内回收的空气分成两部分―一次回风和二次回风，新风与一次回风经过换热器的加热（冷却除湿）处理后，与二次回风一起加湿（必要时）后依次通过杀菌段、电加热段、风机段、均流消声段、中效过滤段，通过洁净风管送入洁净室。
2.3.2洁净室二次回风各状态点确定
（1）二次回风热湿处理过程为：
其中：W―室外状态点（新风）N1―室内一次回风状态点（回风）
N2―室内二次回风状态点（回风）C―一次混合状态点
L―机器露点O―送风状态点ε―洁净室热湿比，为21000KJ/Kg。
（2）洁净室二次回风各状态点参数计算，结果见表3：
表3二次回风系统状态点参数
1）一、二次回风量VN1、VN2的计算：
根据热平衡和风量平衡方程，（VW+VN1）*iL+VN2*iN2=V*iOV=VN1+VN2+VW。
式中，V、VW、iL、iN2、iO均为已知，则VN1=2912.5m3/h，VN2=2987.5 m3/h。
2）状态点C的计算：
根据热平衡和风量平衡方程，
VC=VW+VN1i×V=i×WN1+i×V
式中，VW、VN1、iW、iN1均为已知，则状态点C的焓值为：iC=59.4KJ/Kg。
根据湿平衡方程d×V=d×VW+d×V
式中，VW、VN1、dW、dN1均为已知，则状态点C的含湿量为：dC= 12.9g/Kg
2.3.3二次回风系统制冷机组冷负荷QC及再热量QH计算
QC=mC*(iC-iL)=14.5KwQH=0
2.4两个系统耗能量对比
2.4.1运行费用对比
表4两个系统耗能量对比
在净化空调系统中，为精确控温，通常使用电加热作为再热，而直膨式制冷机的能效比为2.5～3.0（此处取2.8），因此千级洁净室二次回风空调系统相比一次回风空调系统的节能量为（换算成电能）：
6.8+（21.2-14.5）/2.8=9.2kw
按全年空调运行（夏季工况）120天，每天工作8小时计，则节电量为8832度，
按电费1元/度计算，则节约运行费用为8832元。对比实际工程中空调设备投资8万元，则每年运行费用节约率为11.04%。
2.4.2设备初投资对比
表5两个系统设备初投资对比
根据上表，一次回风系统与二次回风系统设备初投资差值为：
（300+9600+38000）-（850+80+450+4500+6400+31500）=3400元
即二次回风系统比一次回风系统设备初投资节约3400元。对比实际工程中空调设备投资8万元，则设备初投资费用节约率为4.25%。
3.结论
针对千级洁净室“高洁净、大风量、小热量”的特点，在空调夏季运行工况，一次回风系统存在“冷冻除湿至露点――再升温至舒适温度送入洁净室”的能源反复消耗，而二次回风系统只用洁净室本身的二次回风来加热冷却后的空气，不再额外消耗能源，因此更加节能。而且由于二次回风系统的制冷机组和表冷器相对变小，抵消管道、阀门和自控元件的增加部分，设备初投资还低于一次回风系统。
“二次回风系统”已在千级洁净室项目中采用，经工程实际检测，其洁净度和温湿度均满足要求。
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