洁净室空调系统热湿处理能耗分析

1引言

与一般舒适性空调系统相比，洁净室空调系统具有工艺设备发热量大、空气循环量大、空气输送阻力大、排气量大等特点，因此其能量消耗大并引起了广泛关注。空气热湿处理过程所消耗的能量是其中的重要组成部分之一。

2洁净室空气状态和热湿处理理论所需能耗

洁净室空调系统的温湿度设计参数常表示为温度和相对湿度的形式，设温度要求范围为~，相对湿度要求范围为，则在i-d图中表示为图1中的上述等温线和等相对湿度线所包围区域。图3中S1为洁净室要求空气状态点，S2为室外空气状态点，S3为洁净空调系统送风空气状态点。应用种类有限的空气处理设备使系统在满足洁净要求的基础上对空气进行热湿处理，使洁净室在室外气象参数区域的任意状态S2下和室内设备、设施和人员等发热、散湿变化的情况下保持S1状态点在上述范围内，就是洁净室空气调节系统的任务。

不失一般性，设洁净室空气状态点为S1，相应状态参数为i1、d1、t1等；室外空气状态为S2，相应状态参数为i2、d2、t2等；洁净空调系统送风状态点为S3，相应状态参数为i3、d3、t3等。设洁净室冷（热）负荷为CL，湿负荷为DL，热湿比ε=CL/DL。

设V1为由空气洁净需求所决定的空气循环量（洁净室送风量），则S3状态点由S1状态点的参数和CL、DL确定，与选择的空气处理过程无关。该过程有热湿平衡式（1），并可以导出状态点S3的计算式（2）。

                                                       

设V2为洁净室需要的室外新鲜空气量（新风量），则V2仅由排风量加维持室内正压补风量所得的总风量与室内人员所需新风量中的大者确定，与选择的空气处理过程无关。设V3为洁净室内空气重复利用量（回风量），则有V1=V2+V3。

热湿处理系统需要将状态为S1流量为V3的空气处理至状态S3、将状态为S2流量为V2的空气处理至状态S3，再混合或分别送入洁净室，使洁净室空气状态保持在状态S1。在不考虑实际处理设备和过程时，理论上需要消耗的功率P可以通过式（3）计算。

                                            

式中：冷负荷CL单位为kW，流量V单位为kg/s，湿空气焓值i单位为kJ/kg。式（3）的物理意义明显，即所耗功率由克服洁净室冷负荷CL耗能和处理V2流量新风耗能两部分构成。

由于空气热湿处理设备的限制，实际上不能将S1和S2状态的空气直接处理到S3状态。故实际的热湿处理流程中所需要消耗的功率将大于或等于式（3）中P的理论计算值。

文献[2]介绍了在洁净空调系统中常用的几种空气热湿处理流程，如一次回风、二次回风、干盘管+独立新风等，本文主要讨论热湿处理过程的选择对能量消耗的影响。下文的分析与计算需考虑如下条件和说明：= 1 \* GB3①仅考虑热湿处理过程中所发生的能量交换量，不考虑具体设备的效率等因素。= 2 \* GB3②洁净室空气输送系统能耗功率比较大，能导致送风干球温度的显著升高，风道保温系统也将引起送风干球温度的升高，但均不影响含湿量。故可以将此温升考虑为洁净室的显热负荷，对本文的分析计算过程和结论不存在影响。= 3 \* GB3③分析过程中只考虑设计工况，部分负荷时的调节方式和手段不在本文所讨论的范围内。= 4 \* GB3④鉴于大多数洁净室全年都为冷负荷，且干蒸汽加湿器能完成近似等温加湿过程，不涉及到冷热能量的抵消，分析与计算均以夏季为准，冬季可参照进行。= 5 \* GB3⑤冷却过程计算时假设表面冷却器的冷水温度足够低、换热能力足够大，且能达到露点温度（相对湿度100%）。

3一次回风系统

一次回风系统指回风与室外新风在表面换热器前混合，经热湿处理设备处理后送入洁净室的工艺流程，其流程在i-d图中的表示如图2所示。图中Sd状态点为经过表面冷却器去湿冷却后所达到的理论露点。

该系统的热湿处理可分为如下过程：

 = 1 \* GB3①状态S1流量V3的回风与状态S2流量V2的新风混合至状态Sm流量V1；

 = 2 \* GB3②状态Sm流量V1的空气经表面冷却器去湿冷却至状态Sd；

 = 3 \* GB3③状态Sd流量V1的空气经表面加热器加热至状态S3；

 = 4 \* GB3④状态S3流量V1的空气送入洁净室，承担洁净室冷负荷CL和湿负荷DL，维持洁净室空气状态S1。

消耗的功率P可以按式（4）计算，整理过程略。与式（3）对比，可知一次回风系统需要多消耗功率，此多耗费部分是因为去湿过冷却和再热的抵消而产生，且与洁净室空气循环量V1成正比，与S3、S4状态点焓差成正比。

                                

4二次回风系统

二次回风系统指一部分回风与室外新风在表面换热器前混合，经热湿处理设备处理后与剩余部分回风再次混合，再经过后续处理，最后送入洁净室的工艺流程，其流程在i-d图中的表示如图3所示。根据洁净室热湿比ε的大小，将二次回风系统的热湿处理流程分为（a）和（b）两种。

图3（a）中流程为无再热二次回风系统。此流程适合洁净室热湿比ε值较大热湿比线与饱和线有交点（湿负荷较小）的情况。设一次回风流量为V31，二次回风流量为V32。该系统的热湿处理可分为如下过程：

 = 1 \* GB3①流量V31状态S1的一次回风与流量V2状态S2的新风混合至流量V31+V2状态Sm1；

 = 2 \* GB3②流量V31+V2状态Sm1的空气经表面冷却器去湿冷却至状态Sd；

 = 3 \* GB3③流量V31+V2状态Sd的空气与流量V32状态S1的二次回风混合至流量V1状态S3（Sm2）；

 = 4 \* GB3④流量V1状态S3的空气送入洁净室，承担洁净室冷负荷CL和湿负荷DL，维持洁净室空气状态S1。

整个流程所消耗的功率P可以按式（5）计算，式（5）的整理过程略。与式（3）对比，可知无再热二次回风系统没有冷热抵消的处理过程，不需要多消耗功率。

               

若洁净室热湿比ε值较小，热湿比线与饱和线无交点（湿负荷较大），则不能实现无再热二次回风系统。图5中（b）为有再热二次回风系统。设一次回风流量为V31，二次回风流量为V32。该系统的热湿处理可分为如下过程：

 = 1 \* GB3①状态S1流量V31的一次回风与状态S2流量V2的新风混合至状态Sm1流量V31+V2；

 = 2 \* GB3②状态Sm流量V31+V2的空气经表面冷却器去湿冷却至状态Sd；

 = 3 \* GB3③状态Sd流量V31+V2的空气与流量V32状态S1的二次回风混合至状态Sm2流量V1；

 = 4 \* GB3④状态Sm2流量V1的空气再热至送风状态点S3

 = 5 \* GB3⑤状态S3流量V1的空气送入洁净室，承担洁净室冷负荷CL和湿负荷DL，维持洁净室空气状态S1。

整个流程所消耗的功率P可以按式（6）计算，整理过程略。与式（3）对比，可知有再热二次回风系统有部分冷热抵消的处理过程，需要多消耗功率。

式（6）与式（4）比较可知，有再热二次回风系统减少了去湿冷却的空气流量和减少了再热焓差，故有比一次回风系统更少的能耗。当选择露点状态Sd的含湿量dd=d3时，二次回风流量V32=0kg/s，即成为一次回风系统。

式（6）和式（5）对比可知，有再热二次回风系统有部分冷热能量抵消。当选择露点状态Sd的id值较小时，能减少去湿冷却的空气体积和减少再热焓差值，即减少冷热抵消量的大小。故在工程实际中，应在条件许可时，选择室内状态点S1与饱和线的切点作为露点，此时冷热量抵消最少。

5回风干盘管系统

回风干盘管系统指回风和新风分别经热湿处理后再混合或分别送入洁净室且回风仅经过干式冷却的工艺流程，其流程在i-d图中的表示如图4所示，其中Sc为回风干盘管干式冷却终状态点。本流程的显著特征是洁净室湿负荷全部由新风热湿处理过程承担，新风湿式冷却露点Sd由湿平衡方程决定，含湿量dd的计算式见式（7）。由于新风热湿处理能承担的湿负荷有限，当洁净室湿负荷DL较大和新风量V2较小时，式（7）计算的dd值较小甚至可能出现负值，即本系统不能满足洁净室的热湿处理要求，除非增大新风量V2直至得到合适的dd值。洁净系统中增大新风量，会导致空气过滤系统的更快消耗和新风冷负荷的增加。实际洁净室工程中使用增加新风量来增大回风干盘管系统的去湿能力的方法应慎重。

该系统的热湿处理可分为如下过程：

 = 1 \* GB3①流量V2状态S2的新风经空气表面冷却器去湿冷却至露点Sd；

 = 2 \* GB3②流量V3状态S1的回风经表面冷却器干式冷却至状态Sc；

 = 3 \* GB3③流量V2状态Sd的空气与流量V3状态Sc的回风混合至流量V1状态S3；

 = 4 \* GB3④流量V1状态S3的空气送入洁净室，承担洁净室冷负荷CL和湿负荷DL，维持洁净室空气状态S1。

整个流程所消耗的功率P可以按式（8）计算，整理过程略。与式（3）对比，可知回风干盘管系统没有冷热抵消的处理过程，不需要多消耗功率。

6热湿处理流程计算实例

下面以参考文献[2]中的洁净室设计计算条件为例，设计计算本文讨论的典型热湿处理流程。设计参数复述如下：

室外参数：温度t=33.5℃，焓i=88.2kJ/kg，含湿量d=21.23g/kg；

室内参数：温度t=23℃，焓i=43.2kJ/kg，含湿量d=7.84g/kg；

洁净室循环风量V1=220000m3/h=73.3kg/s，新风量V2=8000m3/h=2.7kg/s；

洁净室冷负荷CL=220kW，湿负荷DL=6.11g/s。

限于篇幅，具体计算过程省略。计算结果见表1~表3所示。表中计算了4种热湿处理流程：一次回风、无再热二次回风、有再热二次回风和回风干盘管系统。计算有再热二次回风系统的目的是为了比较各种流程的能耗，其露点温度选择在一次回风和无再热二次回风的算术中点。通过上节的分析可知，有再热二次回风系统露点选择得越低，热湿处理过程中的冷热量抵消就越少。

表1热湿处理相关湿空气状态点参数

表2热湿处理流程风量

                                           注：设空气密度为1.2kg/m3。

表3热湿处理流程能耗（kW）

7结语

通过本文的分析和计算，可以得出如下结论。

 = 1 \* GB3①洁净室热湿处理过程不宜采用一次回风系统。

 = 2 \* GB3②洁净室热湿处理过程中的冷却去湿和再热流程所产生的能量抵消由洁净室的湿负荷引起。合理设计二次回风系统和回风干盘管系统可以减少直至消除冷热能量抵消，但需要更低的冷水温度和更大处理能力的表面换热器。

 = 3 \* GB3③二次回风系统有比回风干盘管系统更强的热湿处理能力。

 = 4 \* GB3④有必要研究和开发更为有效的除湿工艺和设备以满足洁净室热湿处理过程的需要。