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某高大洁净厂房空调净化设计特点分析

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2017年11月08日  点击数:2266

1 工程概况

  海南文昌航天发射场某高大洁净厂房为国家重点工程项目,用于大中型航天产品的总装测试。主要由6个大小不同的洁净测试大厅、附属工艺用房和设备机房组成,洁净大厅的最大高度达到31 m,洁净空间的总容积约为100 000 m3。该洁净厂房不仅空间高、体量大,属于超大型洁净厂房,而且设计参数要求高,又处于恶劣的室外气候环境中,另外对系统可靠性要求很高,这给其空调净化设计带来了不少新问题。这种超大型洁净厂房的关键设计参数没有现成的设计规范和设计手册可以遵循,许多技术难题需要研究解决。另外,超大型低温低湿洁净厂房空调净化系统的投资大、能耗高,如何在满足设计要求的前提下,使投资、能耗和运行费用大幅度减少?这是该项目设计的关键技术难题。

     为此,在设计之前开展了下列10项专题研究:当地大气环境悬浮颗粒物浓度变化规律测试研究,该洁净厂房空调冷热负荷与能耗特性的全年逐时模拟研究,空调冷热源规划方案研究,净化换气次数和新风换气次数的优化研究,海水源热泵空调研究,太阳能空调适用性研究,新型除湿方案研究,建筑围护结构绝热的节能经济性研究,空调冷凝水回收利用研究,空调净化系统防台风、防盐雾、防凝露研究,并进行了大量模拟分析和测试研究工作,这些研究成果为该项目空调净化的设计优化提供了重要的技术支撑。采用了全年逐时模拟的设计计算方法,提高了设计的准确度和精细化程度。该项目于2011年3月完成施工图设计,2014年11月进入调试阶段,2015年8月底完成了冬季和夏季工况调试,通过了工程验收后交付使用。本文介绍了该项目空调净化的设计特点和主要性能测试结果。由于篇幅所限,重点介绍其中规模最大的洁净测试大厅的空调净化设计情况。

某高大洁净厂房空调净化设计特点分析


2 主要设计要求

  该洁净测试大厅为长方体,室内净空尺寸为82 m×28 m×31 m(长×宽×高),洁净区面积为2 296 m2,室内容积为72 000 m3。顶部设置了吊车,空调洁净工作区的最大高度为23 m。该洁净测试大厅的室内设计参数为:温度20 ℃±5 ℃,相对湿度30%~45%(20 ℃时),洁净等级8级,室内露点温度要求达到5 ℃。根据工艺要求,其全年的室温控制参数为20 ℃±2 ℃,并希望室温能达到15 ℃,以适应航天产品的发展对更低测试环境温度的需求。


3 主要技术特点和难点

3.1 洁净区空间高、体量大

  在国内同类洁净测试大厅中,该洁净测试大厅的体量规模是最大的,其容积是太原卫星发射中心同类高大洁净测试大厅的7倍,属于超大型洁净大厅,这给设计工作带来了一系列困难。

3.1.1 关键设计参数的确定问题

  超大型洁净厂房的净化特性和室内正压特性都与普通洁净厂房不同,其净化换气次数和新风换气次数2个关键设计参数如何确定?目前没有现成的设计规范和设计手册可以遵循。

3.1.2 高大空间空调环境参数均匀度保障问题

  由于洁净空间竖向和水平方向的尺寸都很大,这给室内温湿度和洁净度参数的均匀度保障带来较大困难。考虑到工艺要求和控制精度,其洁净工作区水平方向和竖向的温差应控制在3 ℃以内。由于该洁净厂房的高度很高,会产生明显的热分层现象,给室内温湿度均匀度的保障带来了困难。

3.1.3 空调机房和风管的布置问题

  由于洁净空间体量大,其空调净化的送风量就很大,这带来了空调机房面积大、风管尺寸大的问题。根据以往同类洁净厂房设计参数的调查统计数据,空调机房面积约为洁净区面积的1.3倍,该洁净测试大厅的空调机房面积将达到2 990 m2,送风总管和回风总管的总截面积都将超过38 m2。由于空调机房面积和风管截面积太大,给空调机房、设备和风管的布置都带来了很大困难,与工艺用房的矛盾很大,空调机房占用建筑面积过大,附属工艺房间布置不下,总建筑面积需要大幅度增加。因此如何大幅度减少空调机房面积和风管尺寸是该超大型洁净大厅设计遇到的一个重要技术难题。


3.2 设计参数要求高

  工艺专业对该洁净测试大厅的室内环境提出了较高要求,要求维持恒定低温、低湿和洁净的室内环境条件,其设计要求大大高于普通舒适性空调。尤其对除湿提出了较高要求,室内要求维持5 ℃露点温度的低湿环境,而室外又常年处于高湿的环境,这给设计增加了难度。


3.3 气候环境条件差

  该建筑地处热带岛屿性气候区,属于高温、高湿、高盐雾、多台风、多暴雨、多雷电的地区。夏季空调室外计算温度为34.8 ℃,室外计算湿球温度为28.4 ℃,全年平均气温为24.4 ℃,即使在冬季,其室外的平均相对湿度也高达87%。这与室内低温低湿的工艺要求形成了较大反差。通过全年逐时模拟分析发现该洁净测试大厅全年都需要除湿。另外,项目处于台风频发的海边,还要考虑防台风和防盐雾腐蚀等特殊问题。在潮湿的气候环境条件下,防凝露问题也是空调设计必须考虑的一个重要问题。恶劣的气候环境条件增加了设计难度。


3.4 节能要求高、投资控制严

  海南文昌航天发射场作为我国新一代航天发射场,绿色生态是其设计的一个基本理念,而节能是体现绿色生态建设的一个重要方面。该洁净厂房的空调净化系统的投资很大,用电负荷、能耗和运行费用都很高,其空调能耗占场区空调总能耗的60%以上。另外,该项目在设计阶段经费缺口较大,因此投资控制很严,采取了严格的限额设计措施,这就要求设计不能走大量高投资节能新技术堆砌的“高技派”的节能道路,而要探索减投资的节能新路。


3.5 室内工艺状态变化大

  该洁净测试大厅每次任务的室内工艺状态通常不同。由于其空间尺寸是按最大尺寸工艺产品、最多工艺产品数量的情况设计的,因此大部分情况下该洁净测试大厅只是部分空间被使用。而且在测试任务期间,不同区域的产品不同、测试阶段和工作内容不同,对空调环境的要求也可能有所不同。如何适应这种工艺工况,实现分区域的空调参数控制和部分空间的空调净化,以更好地满足工艺需求,减少运行能耗,这是超大型洁净厂房空调净化设计需要解决的一个重要技术难题。


3.6 可靠性要求高、设计创新难度大

  该洁净厂房是国家重点工程,负责重要航天产品的总装测试,其室内环境参数的好坏将直接影响到航天测试发射任务能否顺利进行,甚至可能影响到航天测试发射任务的成败,因此对其空调净化系统的可靠性要求很高,提高可靠性是该洁净厂房设计工作必须考虑的一个重要问题。这带来了室外设计参数的合理确定、设备冗余设计、系统设备可靠性分析等新问题。一旦出问题后果很严重,因此在该项目中进行设计创新和节能工作的难度和压力都很大。如何对设计创新的风险进行有效管控,这是该项目暖通设计人员必须认真研究解决的一个重要问题。


3.7 空调环境参数测试的难度和工作量都很大

  由于该洁净测试大厅的高度高、体量大,其室内环境参数测试的难度和工作量都很大,如何在不影响室内气流组织和环境参数的前提下,进行高大空间空调环境参数测试?这是该项目空调净化工程调试工作的一个关键技术难题。


4 设计方案的主要特点分析

  在总结国内外同类工程设计经验的基础上,充分考虑该洁净厂房的工艺要求、技术特点、所处的气候特点,以满足使用、安全可靠、节省投资、减少能耗为目标,应用全年逐时模拟的方法进行了多方案、多参数的对比分析和优化,并进行了大量的测试调查研究工作,通过综合技术经济性分析,确定了优化的设计方案和设计参数,其主要技术特点如下。


4.1 关键设计参数优化

4.1.1 大幅度减小净化换气次数

  净化换气次数是洁净厂房空调净化系统的一个重要设计参数,它直接影响到洁净厂房的洁净度、机房面积、投资、运行能耗和费用。净化换气次数过小,可能使洁净厂房的洁净度无法满足要求,而过大的净化换气次数会使空调风机功率和空调冷负荷大幅度增加,从而使空调投资和能耗大幅度增加。GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》对于层高大于4 m的高大洁净厂房的净化换气次数没有相关规定。《实用供热空调设计手册》推荐8级洁净厂房的净化换气次数为15 h-1。我国现有3个航天发射场的同类高大洁净厂房的净化换气次数为16~21 h-1,GJB 3139—1997《卫星装配测试厂房设计规范》推荐的净化换气次数为12~15 h-1;美国航天发射场一些航天器测试厂房(8级洁净度)的净化换气次数为10~17 h-1。该高大洁净厂房的净化换气次数能否大幅度减小?这是其空调净化设计工作面临的一个重要问题。为了合理确定这一重要设计参数,对高大洁净厂房的净化换气次数与洁净度的关系进行了专题研究,根据测试研究结果,将该洁净测试大厅的净化换气次数由同类高大洁净厂房的16~21 h-1减小为9 h-1,只有以往平均值的一半,这使空调净化系统的机房面积、投资、用电负荷、运行能耗和费用大幅度减少,也为采用夹墙分散空调方式奠定了重要基础。


4.1.2 大幅度减小新风换气次数

  新风量是保证洁净厂房室内正压和洁净度的一个关键参数,也是影响空调净化系统投资和能耗的一个关键参数。新风量对空调净化系统投资和能耗影响的专题研究结果表明,由于该洁净测试大厅室内外环境参数差异很大,因此新风量对空调投资、能耗和运行费用的影响很大,新风换气次数每增加1 h-1,空调冷负荷平均增加1 900 kW以上,用电负荷平均增加约770 kW,空调投资平均增加约900万元,空调系统年运行电耗平均增加321万kW•h,年运行费用平均增加256万元。因此在满足室内正压要求的前提下,应尽可能减小新风换气次数。但如果新风量过小则难以维持要求的室内正压,会影响室内洁净度的保障。GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》提出了洁净厂房室内正压不小于10 Pa的要求,为此推荐了新风换气次数为2~4 h-1,以往航天发射场同类洁净厂房均按该参数范围进行新风量设计,新风换气次数能否大幅度减少?这是该洁净厂房空调净化设计工作面临的一个重要问题,也是争议较大的一个问题。

  为了合理确定新风换气次数这一重要参数,在设计之前进行了专题研究,选择一个同类高大洁净厂房进行了新风换气次数与室内正压关系的测试。实测结果表明,新风换气次数为1 h-1时,其室内正压可维持在15 Pa以上,满足室内正压不小于10 Pa的要求。对于高大洁净厂房,GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》推荐的2~4 h-1空调新风换气次数偏大较多。对于该洁净测试大厅,将新风换气次数由GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》推荐的平均值3 h-1减小到1 h-1,空调投资可以减少1 777万元,空调用电负荷可减少约1 506 kW,空调年运行电耗可减少626万kW•h,年运行费用可减少约500万元,空调净化系统寿命周期费用(按20 a计算)可减少约1.18亿元。因此确定将该洁净测试大厅的新风换气次数由以往的2~4 h-1减小到1 h-1。(www.iwuchen.com)


4.2 温度、湿度、洁净度3个参数独立控制

  对室内温度、湿度和洁净度这3个参数进行独立控制。设置新风除湿系统,对湿负荷进行单独处理,室内相对湿度由新风除湿系统来控制;室内温度由室内循环空调系统表冷器的供冷量来控制;室内空气洁净度由空调循环风量来调控,通过室内循环空调机组的风机变频器调节室内空气循环量,在满足洁净度要求的前提下,使空调循环风量最小。3个参数独立控制不仅调控方便、控制精度提高,而且可以使空调系统的运行能耗减少。


4.3 夹墙分散空调方式

  由于该洁净测试大厅高度很高,在其两侧双支柱结构夹墙中有宽度为3.5 m的无用空间,因此确定采用夹墙分散空调方式,将室内循环空调机组分散设置在两侧的结构夹墙中,两侧夹墙中各布置了14台立柜式空调机组。这种方式充分利用了结构夹墙的无用空间,使空调机房面积大幅度减小,节省了约1 700 m2的建筑面积,空调风管长度减少了67%,风管尺寸和风机的输配能耗均大幅度减少。不但解决了与工艺用房的尖锐矛盾和风管布置的技术难题,而且可以实现平面分区控制,将洁净大厅分成28个小区域,对这些小区域的温湿度参数进行独立控制,更好地满足了大型洁净厂房中不同工艺产品对空调环境的不同需求,实现了部分空间的空调净化,提高了空调冷量的利用效率,使空调运行能耗大幅度减少。另外,这28台空调机组即使坏了1,2台,对室内环境参数的影响也很小,因此分散空调方式也提高了空调净化系统的可靠性。


4.4 平面分区、竖向分层、分层高度可调的气流组织形式

  该洁净测试大厅采用了双侧送风、侧送侧回、分层空调净化的气流组织形式,为了减少净化送风量,只对吊车下部的洁净工作区进行空调净化送风,吊车上部的非工作区不设空调送风,只设置少量回风口,这些回风口只在洁净厂房开机自净阶段开启,对非工作区进行自净,室内参数达标后全部关闭。在竖直高度方向上设置5层送风口,采用喷口送风,通过上部3层送风口的电动阀的开关,可以对分层空调的分层高度进行调节,以适应不同工艺产品对空调净化高度的不同要求。侧面下部的回风口采用固定百叶风口。采用平面分区、竖向分层、分层高度可调的气流组织形式,可以较好地适应超大型洁净测试大厅工艺工况变化大的情况,实现对洁净测试大厅中部分空间的空调净化,使运行能耗大幅度减少。


4.5 热回收式冷冻除湿方案

  该洁净测试大厅要求室内露点温度达到5 ℃,新风除湿系统送风的露点温度要低于4.8 ℃,考虑安全系数,新风除湿系统的送风露点温度要求达到4 ℃。以往同类洁净测试厂房都采用了冷冻除湿+转轮除湿的除湿方案。转轮除湿的除湿能力强,可以达到较低的露点温度,但其投资和能耗都大大高于冷冻除湿方式,其装机电量约增大一倍。普通冷冻除湿方式虽然投资少、能耗低,但其除湿能力较弱,理论上可适用于送风露点温度高于4 ℃的情况,在实际工程中通常应用于送风露点温度高于8 ℃的情况,即使在这种情况下,实际工程中结霜冻堵的情况也不少见。因此在海南这种潮湿的地区、送风露点温度要求达到4 ℃的情况,采用普通冷冻除湿的难度和风险都很大,另外采用冷冻除湿还要解决再热问题,因此必须对普通冷冻除湿方案进行优化改进。

  笔者通过全年逐时负荷模拟分析发现,由于室外气温较高,同时该洁净测试大厅室内循环风机的散热量较大,因此新风冷冻除湿系统只是冬季工况需要进行再热,而且再热量不大,其他季节都不需要再热,可以直接将低温干燥空气送到室内循环空调系统,负担部分室内冷负荷,因此确定采用冷凝热回收的冷冻除湿方案。设置冷水冷却除湿和直接蒸发冷却除湿两级除湿,以冷水冷却除湿为主,其除湿量约占80%,直接蒸发冷却除湿为辅,其除湿量约占20%。风冷直接蒸发制冷机组带2个冷凝器,一个设置在新风除湿系统直接蒸发冷却器的出口,用于冬季工况,回收冷凝热用于再热;另一个设置在室外,用于其他季节工况,将冷凝热量排到室外。这样较好地解决了冷冻除湿方式的再热问题。为了防止直接蒸发冷却器结霜,将直接蒸发冷却器换热面积适当增大。为了提高冷水冷却除湿的效果,将冷水的供水温度控制在5 ℃。从而实现以较低的投资和能耗达到较高的空气干燥除湿要求。为了提高新风除湿系统的可靠性,设置了1台小容量(50%新风量)的转轮除湿机作为直接蒸发制冷机故障时的备份和一些工艺产品更低露点温度的特殊需求时使用。通过冬夏季工况长时间运行考核,该新风除湿系统运行正常,在没有启用转轮除湿机的情况下,洁净大厅空气露点温度达到5 ℃的要求,而且该冷冻除湿方案的调控性能显著优于转轮除湿方案,其室内相对湿度的波动很小。


4.6 将空调冷凝热回收用于冬季供热

  我国现有3个航天发射场的同类洁净测试厂房均采用燃煤锅炉为空调系统提供冬季热源的集中供热方案。但通过对该洁净测试大厅空调冷热负荷进行全年逐时模拟,发现其冬季供热负荷很小,存在时间很短。场区其他建筑物也是这种情况,因此确定改变集中供热方案为分散供热方案,取消了原规划的集中供热燃油锅炉房和供暖外线。该厂房将新风除湿系统的风冷冷凝制冷机组的冷凝热回收用于冬季供热,风冷冷凝制冷机组也可采用热泵方式供热,从而使投资和能耗大幅度减少,也消除了场区内唯一的空气污染排放源,使海南文昌发射场更加绿色环保。


4.7 空调冷凝水回收利用

  海南空气十分潮湿,该洁净厂房的除湿要求又很高,因此采用冷冻除湿的新风除湿系统会产生大量冷凝水,以往空调冷凝水都是通过下水道排放掉。在该项目空调系统设计时,将新风除湿系统的空调冷凝水回收到空调冷水系统的补水箱,作为空调冷水系统的补水,由于空调冷凝水的水质好,可以节省一套软化水系统。实测结果表明,新风除湿系统的冷凝水量较大、水温低,回收的冷凝水量完全可以满足空调冷水系统的补水量要求,并在空调补水箱上设置了通向室外的管道,可将多余的冷凝水用于场区绿化。根据实测数据和全年逐时模拟分析结果,全年可回收5 890 t水,其节水效果十分显著,由于回收的空调冷凝水温度较低,因此也产生了一定的节能效果。


5 工程测试的主要结果

  在2014年冬季和2015年夏季,对该洁净厂房进行了全面调试和测试考核。测试结果表明,空调净化系统运行正常,调控性能好,该洁净测试大厅的温度、相对湿度、洁净度、室内正压和噪声等指标均满足设计要求。相关测试结果详见原文。


6 结论

  在海南文昌航天发射场某高大洁净厂房的空调净化设计时对设计方案、设计参数和设计方法都进行了一些新的探索。采用了温度、湿度和洁净度3个参数独立控制的设计方案,采用了平面分区、竖向分层、分层高度可调的新型气流组织形式、新型冷冻除湿方案和夹墙分散空调方案,并对空调净化换气次数和新风换气次数进行了大幅度优化,将空调净化换气次数减小到9 h-1,新风换气次数减小到1 h-1,并对空调冷凝水进行回收利用。通过这些系统的综合优化,使空调净化系统的投资、能耗、运行费用和机房面积均大幅度减少。与以往同类洁净厂房相比,其空调净化投资减少45%以上,运行能耗和费用减少60%以上。达到了节能、节资、节地、节水的效果。

  该洁净厂房空调净化系统已经通过了冬季与夏季工况的工程调试考核,并于2016年6月通过了“长征七号”火箭首发任务的使用考核,结果表明:空调净化系统运行正常、调控性能好,该洁净测试大厅的室内温度、相对湿度、洁净度、室内正压、噪声等参数均满足要求,不仅很好地满足了工艺需求,而且节能效果十分显著,获得了用户的好评。这表明该高大洁净厂房的设计创新是成功的。通过该项目的科研、设计和调试工作有以下体会,供同行参考:

  1)对于8级洁净度、全室净化的超大型洁净厂房,9 h-1的净化换气次数可以满足要求,并有一定余量,还可以适当下调,下调幅度需要进一步研究。

  2)对于密封性较好的超大型洁净厂房,在1 h-1新风换气次数和室外风速较小的情况下通常可以满足10 Pa正压的要求,但余量不大,室外风速较大时将无法满足要求。厂房围护结构和空调系统的密封性对室内正压和新风量的影响很大,不能一味通过增加新风量来维持室内正压,提高厂房围护结构和空调系统的密封性是维持室内正压、抵御室外强风影响的一个关键环节。

  3)对于超大型洁净厂房,采用夹墙分散空调方案的优点十分显著,但由于空调设备与洁净测试大厅只有一墙之隔,因此必须采取良好的消声隔振措施。另外夹墙中间的空间较小,在空调设备和管道布置时需要妥善考虑设备安装和检修空间的问题。

  4)以往在高大洁净厂房分层空调净化设计时,通常对上部的非空调净化区进行小风量送风空调净化,以防止上部不洁净的空气对下部空调净化区产生不良影响。该项目设计实践和测试结果表明,即使不对上部的非空调净化区设置送风和回风,由于空气对流和粉尘扩散作用,在洁净厂房完成自净后的稳定状态下,非空调净化区也可以保持较好的空调净化环境,因此可以不对上部的非空调净化区设置送风和回风。

  5)对于超大型洁净厂房,现行洁净厂房相关检测标准的一些规定并不合适,存在测点数量过多、室内环境参数测试的工作量过大、一次测试的时间过长、无法保证同一次测试的状态一致性等问题,建议对于超大型洁净厂房适当减少测点密度和检测次数。另外相关规范没有竖向参数测试的相关规定,因此需要补充完善。

  6)通过深入研究发现,海水源热泵空调和太阳能空调等新的技术方案并不适用于该项目,因此该项目的空调净化设计并没有采用任何“高大上”的节能技术,而是充分考虑其技术特点和气候环境特点,通过对常规技术方案和关键设计参数的优化,使投资、能耗、运行费用和机房面积均大幅度减少,实现了减投资的节能。可见通过对常规技术方案和设计参数的优化,有可能实现投资和能耗同时大幅度减少的减投资节能,减投资或低成本的节能应是我国建筑节能的重点发展方向。

  7)加强对工程设计问题的研究、实现科研与设计相结合是提高暖通空调工程设计水平、促进设计创新、实现从粗放型设计向精细化设计转变、大幅度提高工程建设的经济效益和节能效益的一个重要途径。科研工作对于特种工程设计更为重要,但需要重视对设计创新的风险控制。培养研究性设计人才是大幅度提高工程设计科研创新能力的一个重要基础。


原文来源:无尘无菌洁净室专家  微信号:rfilter   http://www.iwuchen.com/

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