恒温恒湿洁净室设计及热湿分离控制浅析

前言

与舒适性空调相比,恒温恒湿洁净室空调主要用于将室内的温度、湿度、洁净度及气流速度控制在一定的波动范围内,以满足工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求。随着生产技术的不断发展,恒温恒湿空调的作用也越来越大。同时在洁净室空调系统中，采用冷却除湿方式时，必须把空气温度降至其露点温度以下，因此需要低于被处理空气露点温度的冷源。而针对空气或洁净室的降温处理时，只需要冷源的温度低于空气温度，原则上就可以做到。由于洁净室内空气温度远远高于其露点温度，因此降温所需要的冷源温度也就远远高于除湿所需要的冷源温度。这一规律的发现，就可以采用不同冷源品质应对不同的任务需求成为可能，这不但有利于大幅降低制取空调冷源的能耗，因此热湿分离控制系统，是“高质高用，低质低用”的能源应用原则。为此,本文将以一工程实例对恒温恒湿室空调的设计及热湿分离控制进行阐述。

1空调系统的设计

1.1工程概况：某某科技有限公司恒温恒湿洁净室。与车间相关的洁净面积736m2,层高3.9m,有北窗及南窗，西面外墙。南窗与洁净室之间有一条参观走廊。室内设备散热约为120KW,照明散热为3.24KW,室内工作人员最高峰时为100人，洁净度要求为“美国联邦（USA Federal Standard）209E（1992年）”10000级。生产车间内部亮度要求为300~350Lux，更衣室及参观通道的亮度为200Lux即可。车间内的照明灯使用LED灯。

1.2设计条件、参数根据工程所处地理位置,参数按《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJ19-87)中标准气象参数选用如下:外部气象条件:夏季温度35℃,相对湿度为70%;冬季温度-8℃,相对湿度为50%。室内设计参数为温度：22±3℃；相对湿度：55±10%。

1.3设计方式：

采用 MAU+FFU+DC（新风处理空调机组+风机过滤机组+干盘管）方式

a) 利用MAU机组处理新风，夏季由处理后的新风承担室内湿负荷及部分热负荷。

b) 冬季MAU处理新风并负责控制室内湿度。

c) 其余冷热负荷由DC干盘管承担，负责控制室内温度。

d) FFU负责循环次数及洁净度保证

1.4测试内容

a) 总送风量、总回风量、新鲜空气量、排风量等;

b) 2、洁净室压力值;

c)3、洁净工作区的洁净度;

d)4、室内温度、湿度及其控制能力的调整测试;

e)5、洁净室内噪声。

                    项目BIM模型

2.空调设计的依据

空调房间冷（热）、湿负荷是确定空调系统送风量及空调设备容量的基本依据。

在室内外热、湿扰量作用下，某一时刻进入一个恒温恒湿房间内的总热量和湿量称为在该时刻的得热量和得湿量。

得热量包括以下几个方面：

a) 由于太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经围护结构传入的热量；

b) 各种工艺设备、电气设备及照明散房间的热量；

c) 人体散热量。

得湿量主要为人体散湿量和工艺过程与工艺设备散出的湿量。

室内冷（热）、湿负荷的计算以室外气象参数和室内要求维持的气象条件为依据。

2.1室内空气计算参数

广义的说，室内空气计算参数包括空气的状态参数（温度与相对湿度）、室内空气流速、洁净度、允许噪声和余压等。我们这里的计算参数是专反映冷（热）负荷计算有关的计算参数-空气的状态参数。

a) 人体热平衡和舒适感

人体热平衡是指人体靠摄取食物获得能量以维持生命。食物通过新陈代谢被分解氧化，同时释放能量，其中一部分直接以热能形式维持体温恒定并散发到体外，其它为肌体所利用的能量，最终也都转化为热能散发到体外。人体为维持正常的体温，必使产热和散热保持平衡。由此人体处于散热和产热平衡的状态为人体热平衡。

舒适温度是指某一环境在给定人体活动量、衣着热阻值及环境温度的条件下满足舒适要求的当量温度。舒适温度是人体感觉最舒适，人体表面热负荷为零时根据范格热方程计算出气流精致的均匀空间温度。

图（1）人体舒适温度

b) 室内空气计算参数

l 室内空气温度：舒适温度根据国内外的实验，夏季，人们感到最舒适的气温是26—28℃，冬季是18—22℃。对于工艺性空调，室内空气计算参数主要决定于工艺要求，我们此次的设计对象是恒温恒湿洁净生产车间，所以室温低于舒适性空间，此外对相对湿度要求亦比较严格。一般要求温度基数为20—25℃，温度精度在±1—5℃的范围。

l 室内相对湿度要求：55±10%。

l 室内平均流速：取0.45m/s。

2.2室外空气计算参数

计算通过围护结构传入室内或由室内传到室外的热量，都要以室外空气计算温度为计算依据；另外空调房间一般使用部分新鲜空气供人体需要，加热或冷却这部分新鲜空气所需热量或冷量也都与室外空气计算干、湿球湿度有关。

一些书籍中及规范中所列室外计算温度的统计方法相当繁杂，统计工作量较大，在设计中当工程所在地区的计算参数在规范中没有给出时，可以采用下述的简化统计式。该式是按概率论和数理统计方法得出的。

夏季空调室外计算温度t_wx=0.47t_x.p+0.53t_max

式中  t_x.p------历年最热月平均温度的平均值；

      t_max------历年中的极端最高温度。

夏季空调日平均温度

t_w.P=0.8t_x.p+0.2t_max

式中符号同前。

冬季空调室外计算温度t_Wd

t_wd=0.3t_l..p+0.7t_min

式中t_l..p ------历年最冷月平均温度的平均值；

t_min------历年最冷月中最低的日平均温度。

夏季空调室外计算湿球温度t_s

把湿球温度看做是干球温度与相对湿度的函数，运用线性化的方法，建立一个简化的数学模型，仍运用数理统计方法，得出以下简化公式。

分对北方地区和对南方地区，扬州属于南方地区

t_s=0.8t_s.p+0.2t_s.ma.x

式中t_s..p ------对应于历年最热月平均温度的平均值t_x.p和平均相对湿度ψ_r.p的湿球温度；

t_s.ma.x ------对应于历年极端最高温度的t_s.ma.x和最热平均相对湿度ψ_r.p的湿球温度。

本次直接取外部环境：夏季温度35℃,相对湿度为70%;冬季温度-8℃,相对湿度为50%。

3. 围护结构的得热量及其形成的冷负荷

3.1得热量、冷负荷的基本概念

前已简略提到，得热量是指在某一时刻由室外进入和室内热散入房间的热量的总和。

l 太阳辐射热

l 照明灯具散热

l 人体散热

l 机械或设备

l 渗透或通风换气

l 传导热

瞬时冷负荷是指为了维持室温恒定，在某一时刻为消除室内空气在该时刻以对流方式所得热量的需冷量。

除热量：当空调系统间歇使用时，在停止运转期间室内便产生自然温升，由于空气本身热容量很小，大部分热量被蓄存在围护结构和家具中。一旦重新开启系统，要达到室内规定的温度，由必须增加供冷量。除了上述的冷负荷之外还要增加该自然增温的负荷。这两部分的负荷之和即为除热量，工程中常称为开车负荷。这也就是空调设备的实际供冷量。

3.2计算空调冷负荷

a) 计算围护结构传热形成冷负荷的方法

基本计算公式：LQ_τ=FK(t_j..τ+t_N)

F------外墙、屋顶及窗户的计算面积，M³；

K-----墙、屋顶传热系数W/M^2.K,可由文献中查到；

t_N-----室内设计温度℃；

t_j..τ-----冷负荷温度逐时值，可由文献中查到。

b)  计算窗户因日射得热形成冷负荷的方法

基本计算公式：LQ_τ=FC_ZD_j..maxC_LQ

F------玻璃窗户净有效面积，M²；

C_Z------窗玻璃的综合遮挡系数；

D_j..max------日射得热因数最大值，W/M²由文献中查到；

C_LQ-----冷负荷系数，由文献中查到。

按本项目的条件，有三项围护结构需分别计算冷负荷。由于室同压力高于大气压故不需考虑由于外气渗透所引起的冷负荷。

由此得到围护结构冷负荷：

l 维护结构散热 1.16KW；

l 地面散热 2.03KW；

l 天花散热 2.03KW；

4. 车间热源，湿源形成的冷负荷与湿负荷

4.1室内热源散热量

a) 工艺设备散热

电动设备：电动设备系统指电动机及其所带动工艺设备。

电机散热量的公式：Q=1000(1-η/η)n1n2n3N  W

Q------电机的散热量；

η------电动机效率；

n1------电机容量利用系数，即最大实耗功率与安装功率之比，它反映了额定功率N的利用程度，一般为0.7-0.9；

n2------同时使用系数，即房间内电动机同时使用的安装功率与总安装功率之比，一般为0.5-0.8；

n3------负荷系数，每小时的平均实耗与设计最大实耗功率之比，它反映了平均负荷达到最大负荷的程度 ，一般为0.5.

工艺设备散热得热量：Q=1000(1-η/η)n1n2n3N  W

当电机与工艺设备均设于房间内时：Q=1000n1n2n3N/η   W

电热设备散热得热量

对无保温密闭罩的电热设备：Q=1000 n1n2n3 n4N    W

n1------考虑排风带走热量的系数，一般取0.5，式中其他系数意义同前。

b) 电子设备

Q=1000(1-η/η)n1n2n3N  W

其中系数n3之值根据使用情况而定，对于已给出实测的实耗功率值的电子计算机可取1.0.一般仪表取0.5-0.9.

c) 照明得热

根据照明灯具的类型和安装方式不同，其得热量不同，本次使用LED灯具：

Q=1000 n1n2N    W

N------照明灯具所需功率；

n1------镇流器消耗功率，一般取1.0；

n2------灯罩隔热系数，一般取0.6-0.8。

d) 人体散热与散温

人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度以及环境条件等多种因素有关。

关于人体散湿的数据可由多种设计手册中查到。

于是人体散热量则为：Q=q n n‘   W

q------不同室温和劳动性质时万年男子散热量，  W;

 n------室内全部人数；

n‘------群集系数。

关于人体散湿量应同样考虑和计算，可直接由文献中查到。

4.2室内热源散热形成的冷负荷

以上三种热源散热，均有对流和辐射之分，辐射部分都是先被周围结构与家具等物体吸收后再以对流方式散发到室内，所以它们形成冷负荷的过程在机理是相似的，即都是形成滞后负荷。因此和计算经围护结构及玻璃窗太阳辐射热形成负荷一样要采用相应的负荷系数，于是冷负荷计算式为：

LQ=Q CLQ     W

LQ------内部热源散发热量形成的冷负荷；

Q------设备、照明、人体等散热量；

CLQ------相应的设备和用具及人体显热散热负荷系数，可查相关文献。

由此得到车间内的冷负荷与湿负荷

人员散热 14.48KW

设备散热 100.00KW

FFU散热

8.28KW

照明散热 3.24KW

车间空调热（冷）湿负荷总计：131.22KW

5. 车间内送风量的确定

在已知冷负荷的基础上，要利用不同的送风和排风状态来消除室内的余热与余湿，以维持空调房间所要求的空气参数。

5.1夏季送风状态及送风量

本项目采用新风热湿处理后与室内循环风经干盘管热处理后混合再送入车间

新风处理输入参数：处理风量 G i = 5530m 3 /h

点1（夏季室外点）焓值 h 1 = 89.7KJ/kg干空气

点2（新风处理点）焓值 h 2 = 28.4KJ/kg干空气

空气密度 ρ = 1.2kg/m 3

新风制冷量 Q xf = Gi*ρ*(h1-h2)/3600 = 112.79KW

室内制冷负荷计算：

Q N = Q*0.75 98.41KW

热负荷估算指标 r = 0.13668505KW/m 2

空调面积 S = 732m 2

散湿量估算指标 w = 150g/(h*人)

室内人员数量 p = 90人

室内散湿量 W = w*p/3600 3.75g/s

热湿比 Σ = 26243.5296KJ/kg

新风处理掉的室内热量 Qxn = 30.73KW

循环风需要处理的热量 Qxh = 67.69KW

循环风量 G = 48520m 3 /h

室内状态点焓值 h N = 45.1KJ/kg干空气

盘管后焓值 h o = h N -Q/(G/3600*1.2) = 40.92KJ/kg干空气

夏季总制冷负荷 Q总 = Q n + Q xf = 180.5 KW

5.2冬季送风状态及送风量

新风处理输入参数：

处理风量 G i = 5530m 3 /h

点1焓值 h 1 = 19.1KJ/kg干空气

点2焓值 h 2 = 3.4KJ/kg干空气

空气密度 ρ = 1.2kg/m 3

新风加热量 Q xf = Gi*ρ*(h1-h2)/3600 = 28.89KW

* 室内散热量大，干盘管不需要加热，需要考虑冬季制冷运行。

冬季加湿负荷计算：

点1含湿量 d1 = 8.9g/kg

点2含湿量d2 = 2.4g/kg

加湿负荷 W = (d1 - d2)*Gi*1.2/1000 = 43.056kg/h

5.2风量计算

总风量：732X2.7X25=49410M³

新风量：732X2.7X2.8=5530M³

排风量：2800 M³

换气次数：25次，满足万级洁净室上限要求。

6．洁净室内空气设备及其处理方式

本工程采用：MAU+FFU+DC（新风处理空调机组+风机过滤机组+干盘管）

6.1MAU(新风处理空调机组)

新风机组是提供新鲜空气的一种空气调节设备。功能上按使用环境的要求可以达到恒温恒湿或者单纯提供新鲜空气。工作原理是在室外抽取新鲜的空气经过除尘、除湿（或加湿）、降温（或升温）等处理后通过风机送到室内，在进入室内空间时与室内原有的空气混合。

新风机组不承担空调区域的热湿负荷，主要功能就是送新风，当然理想状态是送风的温度和湿度恒定了，所以新风机组一般控制送风温湿度。

图（2）新风处理空调机组

6.2FFU(风机过滤机组)

风机过滤机组是一种自带动力的送风过滤装置，英文全称为（Fan Filter Unit），具有过滤功效的模块化的末端送风装置.风机过滤机组从顶部将空气吸和并经HEPA过滤，过滤后的洁净空气在整个出风面以0.45M/S±20%左右的网速均匀送出。

FFU风机过滤机组可模块化连接用，使用FFU风机过滤机组广泛应用于无尘室，无尘操作台，无尘生产线，组装式无尘室和局部百级等应用场合.利用FFU风机过滤机组可制作简易洁净工作台，洁净棚，洁净传递柜和洁净存衣柜等。

图（3）风机过滤机组

6.3 DC(干盘管)

干盘管:不结露的盘管,因无尘室温度在22度,其露点温度12度左右,故7度冰水不能直接进入无尘室,所以进干盘管的冰水温度在12-14度。

图（4）干盘管

6.3空气处理方式

图（5）示意图-焓湿图

图（6）空气处理气流方式图

7．热湿分离控制-（THIC）节能效果

7.1热湿分离控制（THIC）系统原理与特点

将控制室内温度和控制室内湿度分开，采用两套不同的系统分别实现对洁净室的温度控制和湿度控制。它主要扬温度控制系统和湿度控制系统两部分。空气经过“MAU(新风处理空调机组)”处理后的送风点达到相应的需求后，由形式多样并尽可能设置在距离人员等产湿源较近位置的送风口送入洁净室内，直接实现对洁净室的湿度控制。同时，设置于室内的干式末端设备通过高温冷媒与房间进行热交换，消除室内显热，实现室内温度控制。

7.2常见设计：“一次回风”系统与热湿分离控制（THIC）系统 节能说明对比

一次回风系统说明：一次回风系统是出现最早、最基本、最典型的空调系统，属于集中式空调系统，主要特征为:回风与新风在热湿处理设备前混合，适用于送风温差可取较大值时或室内散湿量较大时。

一次回风是要和二次回风系统放在一起讨论的

在集中处理空气过程中，室内回风和室外新风混合后，经过表冷器冷却降湿后，直接送入空调房间或者加热后再送入空调房间称为一次回风

系统图和设计条件如下：

图（7）节能对比图

7.2实际对比两个系统耗电情况如下：

图（8）能耗比较图一

图（9）能耗比较图二

由上面比较可见：

a) 一次回风系统为了处理空气含湿量，需要把全部循环风量冷却到露点，耗能大；

b) 由于较大的再热量，导致再次大量耗能；

c) 热湿分离控制（THIC）系统只需要把新风处理到较低温度，且无需再热，因此而节能明显。

7.3结论：由本工程的实例数据可知：

采用“热湿独立处理”（THIC系统），比“热湿耦合处理系统”（典型的例子就是“一次回风系统”）节能优势明显。对于本项目，夏季最大负荷工况下，耗电只有“一次回风”系统的31.5%（投标系统的耗能，只占到传统设计的<1/3，非常惊人！）

年度节能计算：（按平均负荷系数0.75打折）

图（10）年度节能计算表

对比可知： 与传统“热湿耦合系统”形式的“一次回风系统”相比，本项目的热湿分离控制（THIC）系统”每年可以节省运行费用>34万人民币！

如果投资额差异为60万，则投资回收期小于2个制冷季，不到2年即可收回成本。本项目使用的热湿分离控制（THIC）系统”每年可以节省运行费用近2/3。

参考文献：

[1]、空气调节设计手册（第三版）中国电子工程设计院主编 中国建筑工业出版社

[2]、暖通空调设计通病分析 李娥飞 编著 中国建筑工业出版社

[3]、温湿度独立控制（THIC）空调系统设计指南 潘云钢 刘晓华 徐稳龙 著 中国建筑工业出版社

[4]温湿度独立控制空调系统（第二版）刘晓华 江亿 张涛 著 中国建筑工业出版社