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浅谈低湿度洁净室空调设计案例

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厦门艾德航空工业园传感器件有限企业于2003年在厦门成立,是英国Meggitt集团下属的电子事业部设立的独资子企业,企业主要制造高精密传感器和控制(control)器零部件以及其它电子元器件。生产厂房坐落在湖里区高崎南五路艾德工业园内。
1.项目概述
本项目洁净室设在厂房二层内区,厂房二层层高为5.8m,其中洁净室面积905?,人员更衣室面积为48?,洁净室四周及顶板均采用50mm厚内夹岩棉板的彩钢板,地板采用环氧自流平(Self leveling)地面,洁净车间净高3m,上班人员共185人,人员更完洁净服后通过风淋通道进入洁净室,洁净室物料通过带气闸传递(transmission)窗进出。
2.设计参数(parameter)
2.1室外设计主要参数
夏季空调室外计算干球温度(temperature):33.4℃,湿球温度:27.6℃。
冬季空调室外计算干球温度:6℃,相对湿度:73%。
2.2室内设计参数(parameter)要求如下表1所示:
表1
3.室内热湿负荷
本项目洁净区的夏季计算得热量主要由内围护结构传入的热量、人体散热量、照明和室内工艺设备的散热量构成;湿负荷主要是工作人员散湿量;由于洁净室工作时间、人员数量固定,设备和照明全天使用,以上冷负荷和湿负荷均可采用稳定传热方法计算确定,经计算,洁净区域的夏季余热为210kw,余湿为27.85kg/h,其中余湿按轻劳动考虑,群集系数取0.9。由于洁净区在内区,设备、照明及人员的发热及散湿在冬季均作为有利因素来考虑,洁净区的冬季加热量和加湿量主要考虑室外新风部分。
4.洁净空调系统设计
4.1空调系统确定
考虑到洁净区主要是一个洁净度等级为8级洁净车间和一个9级的更衣室,虽洁净度等级和温室度要求不同,由于更衣室面积小,与洁净室设计共用一套空调系统,空气净化采用三级过滤方式,粗效和中效过滤器设置在空调箱体内,用于保护设置在洁净区吊顶内的高效过滤器。
4.2气流组织及洁净室压差控制(control)
由于洁净室为大开间区域,结合工艺布置要求,四周无法采用侧壁下部设百叶回风口,只能采用吊顶百叶回风的方式,车间内有两排柱子,利用柱子外包彩钢板形成回风柱,包柱彩钢板壁面四周下部距地150mm高均设双层百叶回风口,洁净室采用的是顶送,两侧顶回,中间局部(part)下回的气流组织,更衣间采用顶送顶回的气流组织,整个洁净区的送风口布置尽量均匀,不出现送风死角,并尽量让室内的发尘区域处在气流的回流区,通过三级过滤后的洁净空气来稀释室内空气,从而达到洁净度等级要求;为了有效保证洁净度,洁净室与周围的空间必须维持一定的压差,不同等级的洁净室及洁净区与非洁净区之间维持5Pa压差,洁净区与室外的压差为10Pa。更衣间和洁净室与室外的压差分别取:10Pa,15Pa。洁净室围护结构采用岩棉(stone wool)彩钢板通过阴阳角拼接,缝隙用玻璃胶密封,洁净室的门四周均带密封条,关闭时通过室内正压受力密封,因此围护结构密性好,维持压差所需的风量(定义:单位时间内空气的流通量),可按每5Pa压差取1次/h换气计算确定,并且在洁净室与更衣间及更衣间与非洁净区通过设单向型余压阀来调节压差。
4.3送风量和新风量确定
4.3.1送风量(定义:单位时间内空气的流通量)的计算
根据洁净室和更衣间要求的洁净度等级,以及本项目室内热湿负荷较小,可按换气次数法计算送风量,洁净室换气次数取18次/h,更衣间换气次数取15次/h,通过计算,空调系统总送风量:51000m3/h。
4.3.2新风量的计算
根据规范要求,新风量(定义:单位时间内空气的流通量)应取下列大值:
(1)室内排风量和保持室内正压所需的新风量要求。
(2)室内每人所需不小于40m3/h的新风量要求。
洁净车间工艺排风量(定义:单位时间内空气的流通量)为2000m3/h,维持正压所需风量8145m3/h,按满足人员新风要求所需的风量为7400m3/h,通过比较,可确定新风量取10145m3/h,大于总送风量的10%,符合相关规范要求。洁净手术室装修手术室的空气;手术所需的物品;医生护士的手指及病人的皮肤,防止感染,确保手术成功率。要求设计合理,设备齐全,护士工作反应灵敏、快捷,有高效的工作效率。手术室要有一套严格合理的规章制度和无菌操作规范。随着外科技术飞速发展,手术室工作日趋现代化。
4.4空气处理方案的确定
空气处理过程:夏季是降温除湿,冬季是加热加湿,通过上述计算确定的夏季室内余热余湿及风量,由于洁净室内空气湿度要求较低,夏季新风占的热湿负荷比重大,为了满足室内湿度要求,用低温供水二次表冷除湿的方式来保证室内温湿度的要求,经过二次表冷后的空气温度(temperature)很低,因此采用较节能的二次回风方式来保证室内送风温度的要求,具体流程如下图1所示:
图1空气处理流程
根据以上空气处理流程,可确定空气处理机组各组合段布置如下图2所示:
图2空气处理机组各组合段布置图
4.5 组合式空调机相关技术参数确定
4.5.1新风表冷器冷量计算
根据上述空气处理方案,新风经一级表冷处理到室内等温点,根据下图3用焓湿图表示的空气处理过程, L1点即新风经表冷处理后的状态点(t=24℃与?=95%的交点),查焓湿图 hL1=71.2kJ/kg,hW=89.3kJ/kg,新风处理冷量:
QX=ρGX(hW-hL1)=1.2×10145(89.3-71.2)/3600=61.2kw (1)
式中GX为新风量(定义:单位时间内空气的流通量),单位:m3/h;ρ为空气密度,本项目计算ρ值均取1.2kg/m3。
4.5.2二级表冷器冷量的计算
二级表冷器冷量的确定相对复杂一些,如下图3所示,先确定一次回风与新风混合完经二级表冷处理后的状态点L2,根据室内余热余湿,可确定出热湿比:
ε=Q/W=210×3600/27.85=27145.4 (2)
式中Q为余热,单位:kw;W为余湿,单位:kg/s;
通过做室内状态点N做ε线与?=95%的交点即为L2点,查焓湿图hL2=21.8kJ/kg,tL2=6.8℃;再确定二次回风量,根据室内余热,可确定送风焓差:
ΔhS=Q/1.2GS=210×3600/(51000×1.2)=12.4kJ/kg(3)
式中GS为总送风量,单位m3/h;
二次回风量可通过如下公式计算:
ΔhS/(hN-hL2)=(GS- G2)/GS (4)
式中G2为二次回风量,单位m3/h;其中查焓湿图hN=41.1kJ/kg
求出G2=51000-12.4×51000/(41.1-21.8)=18233m3/h,经二级表冷器处理的风量如下公式计算:
G1+GX=GS-G2=32767m3/h(5)
式中G1为一次回风量,新风量GX已知,可得G1=22622m3/h,通过下式计算可求出新风与一次回风混合后的状态点的焓值:
(hC1-hN)/(hL1-hN)=GX/G1+GX) (6)
hC1=41.2+10145×(71.2-41.1)/32767=50.5kJ/kg,根据下式,可求出二级表冷器的处理冷量:
Q2=ρ(G1+GX)(hC1-hL2)=1.2×32767×(50.5-21.8)/3600=313kw(7)
W:夏季室外空气状态点;N:室内空气状态点;L1:新风经表冷器处理后的状态点;C1:新风与一次回风混合后的状态点;L2:新风与一次回风混合后经二级表冷处理后的状态点;C2:二次回风混合后的状态点。
图3夏季空气处理过程
4.5.3冬季加热量、加湿量计算
由于厂房在洁净室设计阶段已投入使用,业主也考虑运行管理和设备投资方面的因素,经业主认可冬季热源采用电加热,根据厂房洁净室实际运行情况,洁净室比工作人员上班时间提前半小时运行,考虑洁净室夜间停运,室内空气通过围护结构散热降温,因此冬季加热除要计算室外新风部分加热量外,还要预留室内空气在半小时内加热到冬季室内状态点所需要的热量,考虑计算方便,可根据下图4表示冬季新风处理过程来计算新风部分的加热加湿,下图4焓湿图不是新风的真实处理过程,实际运行过程是新风与回风混合后再加热加湿送入洁净区,下图4的冬季加热量是等湿升温过程,按如下显热计算公式确定电加热器的加热量:
室外新风加热量:
QXR=ρGXCP(tN-tX)=1.2×10145×1.01×(24-6)/3600=61.5kw(8)
式中CP为定压比热,取 1.01kJ/(kg?K),室内空气开机后半小时加热到冬季室内状态点所需的热量:
QYR=ρGXCP(tN-tX)=1.2×2859×1.01×(24-6)/1800=34.7kw (9)
总需加热量:
QR=QXR+QYR=61.5+34.7=96.2KW,根据下图4,冬季新风加湿是等温加湿过程,加湿量计算如下:
WX=ρGX(dN-dN1)=1.2×10145×(6.6-4.3)/1000=28kg/h (10)
W:冬季室外空气状态点;N:室内空气状态点;N1:经电加热器加热后的状态点。
图4冬季新风处理过程
4.6空调机组设备选型
本项目空调机组与冷水机组共同设置在厂房非洁净区上方屋面的制冷机房内,送回风管管路均较长,主管最高风速10.5m/s,考虑不小于10%的系统漏风量,根据以上计算,所选风机送风量57000m3/h,风压1500Pa,通过设备厂家选型,考虑风管冷损失及风机的温升,一级表冷器采用6排管,处理冷量为75kw,为了满足室内设计参数要求,二级表冷器采用两组6排管串联,处理冷量为:365kw,每组冷冻水均设一进一出分别引冷冻水,盘管内的冷冻水流向与管外要处理的空气逆向,根据上图3中的L2点,经表冷器处理后的温度要达到6.8℃,供回水温度取5/10℃,并在冷冻水管路设置电动二通阀;电加热器加热量为110KW,按每档约37kw加热量为一档运行调节;加湿气采用调节精度(精确度)更高的电热加湿,加湿量为31kg/h,加湿功率为21kw,加湿量可无极调节;粗中效均采用袋式过滤器(作用:过滤杂质等),粗中效过滤器均采用无纺布,粗效过滤器初、终阻力为50Pa、100Pa,中效过滤器初、终阻力为100Pa、200Pa,考虑过滤器的更换及设备维护,在组合式空调箱的新风段、中间段、风机段和出风段设检修门,检修门均设密封条,保证机组在运行过程中的密闭性,各检修段内设照明灯。洁净手术室装修企业层流手术室是采用空气洁净技术对微生物污染源采取程度不同的控制,以达到被控制空间环境内空气洁净度适于各类手术之要求;并提供适宜的温度、湿度,创造一个清新、洁净、舒适、细菌数低的手术空间环境,使患者在手术时组织受到尽可能少的损伤,并大大降低患者和医护人员的二次感染率,尤其是颅内手术和烧伤手术,保证患者术后能更快更好地恢复等。
4.7制冷机房的设计
本项目冷水供回水温度为5/10℃,组合式空调箱需要冷量为440kw,考虑(consider)水路冷损失及水泵温升,选择制冷工质为R134a,双机头水冷螺杆机1台,供回水温度为5/10℃,制冷量为495kw,冷冻水泵和冷却水泵各设置2台,一用一备,选循环水量为150t/h方型直交流式冷却塔1台,供回水温度为32/37℃,制冷主机、水泵、组合式空调箱均设置在屋面机房,冷却塔设置在室外屋面。
4.8消声和隔振处理
由于机房设置在屋面,制冷机房采用双层120mm厚中间80mm厚的空气层墙体,内贴50mm厚外包玻璃布的玻璃棉毡,用4mm厚孔径为9mm,穿孔率20%的FC板压面,屋顶为钢屋面,屋面内贴100mm厚外包玻璃布的玻璃棉毡,距屋面500mm下再设金属穿孔吸音吊顶板;主机、水泵均在400mm高混凝土基础上再设阻尼弹簧隔振器,组合式空调箱在400mm高混凝土基础上设二层SD橡胶隔振垫,两层间垫厚度为6mm的钢板,共86mm厚。层流手术室净化高效安全的手术室空气净化系统,保证手术室的无菌环境,可以满足器官移植、心脏、血管、人工关节置换等手术所需的高度无菌环境。由于各专科的手术往往需要配置专门的设备及器械,因此,专科手术的手术间宜相对固定。通风管路上,与空调箱连接风管均设帆布软接头,送回风管路均设消声弯头和阻抗型消声器,二级消声,末端高效送风口均带静压箱。
5.结语
(1)通过调试,洁净室的温度、湿度、洁净度、正压、噪声均通过实测,满足设计要求,现已竣工投入使用多年。在施工完调试过程中,满足室内正压要求情况下,用毕托管测出的新风量比设计值偏大,通过检查,发现主要原因是洁净室吊顶上部风管漏风较严重,由于高效过滤器设置在末端,造成送风管内静压大,风管施工质量不好引起,因此8级洁净室考虑风管漏风量,建议要按中压系统,工作压力取大值来预留,对风管施工验收也应要求更高,建议风管在制作过程,抽样检测管段的密封性。
(2)到冬季较冷的月份,洁净室运行管理人员反应,早晨开机,半小时内无法达到室内设计温度(temperature)的要求,加热偏慢,通过了解电加热器的工作状况,主要原因是设备厂家加热器肋片间距较大,空气与加热器接触面比较有限,同时设置三档加热,加热器自控运行,信号反馈偏慢,通过调试,改自控模式,原三档调节运行改为两档,因此建议洁净空调冬季加热有条件尽量采用蒸汽或高温热水盘管加热,效果会比电加热好,采用高品位电加热也不节能。
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