洁净厂房空调设计实践及存在的问题

洁净厂房空调设计存在较多常见的具体问题, 现介绍一下我们工程实践的一些经验。

一、合理确定室内的温、湿度参数

除工艺有特殊要求, 明确规定温、湿度参数外, 洁净空调系统与普通空调系统同样面临合理确定室内空调温、湿度参数的问题, 而这一点常常在设计时被忽略。国外实践证明, 对洁净室这种特殊工作条件,室内热环境对人的生理、心理影响直接关系到工作效率, 间接影响产品的质量和成品率。

普通空调系统中的各类公共建筑, 其室内参数的选取主要决定于热舒适和空气品质。在此前提下,夏季一般尽可能在允许范围内选用较高的室温和较大的相对湿度, 冬季则相反。对于普通空调系统, 这样选取参数的结果, 不仅可以减少经围护结构的传热负荷及占总负荷比例很大的新风负荷, 而且由于夏季送风的机器露点温度相应提高, 使得夏季对空气冷却设备及对冷冻水供水温度的要求都相应降低; 冬季所耗供热量及加湿量也相应减少。在很多情况下, 还可能因加大了送风烩差而减少了送风量。因此,对于这类建筑空调系统, 可明显降低初投资和节约经常运行的能耗。

　　而对于洁净空调系统却略有不同, 一般来说, 为便于维持室内洁净度, 洁净室一般很少有外围护结构, 经围护结构传递的冷、热负荷不多。而人员、灯光及工艺设备产热所致的负荷量基本上与室内参数无关。同时, 绝大多数情况下, 送风量决定于洁净级别的需要, 也与室内设计参数无关。唯一受影响大的是新风负荷量, 除排风量较大的洁净室外, 新风负荷通常所占总负荷的份额不大, 新风量全年也是固定的。

正因为与普通空调系统存在着这种差别, 同时必须考虑到洁净室工作人员身着与洁净级别相配套的洁净工作服。高级别工业洁净室或无菌室一般是内外两层洁净服, 按ISO一77 30 标准测算, 洁净室服装的热阻R 在0.12m²·k/w 至0.16m²·k/w范围, 相当于美国学者A.P.Gagge

所提出的衣服热阻单位0.8一1.0clo。

在洁净室中, 同样应依据人体热舒适方程和PMV( Predicted Mean vote 预期平均评价) 和PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) 指标来评价热环境, 其出发点不仅是热舒适, 而归根结底是为了保证洁净室人员高效率的工作状态, 这一点对于需要进行的各种精细、准确、快速操作的高级别工业洁净室尤为重要。

按ISO一7730 标准中评价热环境的指标, 应综合考虑人体活动程度、衣着情况、空气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空气湿度等六个因素。与普通空调房间不同, 由于洁净室换气次数大, 空气流速一般都较高, 平均辐射温度更接近于室内温度, 同时大部分洁净室工艺允许的相对湿度范围又较窄。

洁净室人员的能量代谢率一般在70一一l00w/ m²的范围, 相当于1.2 到1.7met( metablic rate= 某活动强度时的能量代谢率与静坐时的能量代谢率之比)

根据上述条件测算, 并对一些洁净室进行了调查, 提出了如下建议, 除工艺有特殊要求外, 对较低级别的洁净室如制药、食品、化妆品等行业, 全年温、湿度宜控制在23 士4 ℃ 及50 土15% 范围内, 冬、夏季设计工况分别选取范围内偏低和偏高值。较高级别洁净室, 在工艺无特殊要求的情况下, 全年温、湿度宜在23土2 ℃ 及50 土10 范围内。高级别洁净室, 宜在23 土1℃ 及50 士5% 范围内。如图1 所示。

由于满足洁净要求的通风量一般远大于普通空调系统满足热、湿负荷所需送风量, 因此送回风温差一般都很小, 并随着洁净级别的增高而减小。高级别洁净室往往只有1一2 ℃ , 甚至送回风温差不足1℃ ,室内温、湿度控制在允许的温度波动范围内一般不成问题, 当然若有室内集中热源, 采取必要的排热、隔热措施也是必要的。

从图1可以看到, 所推荐的洁净室温、湿度设计值范围与著名的热舒适及室内空气品质专家, 丹麦的Fanger 教授在美国堪萨斯州立大学通过实验所得到的舒适区域( 其适用条件是身着0.6一0.8clo服装坐着的人), 以及ANS I/ A SHR AE 55一1992 所推荐的热舒适区域( 适用于身着0.6一0.8clo服装坐着但活动量稍大的人)。两块舒适区重叠部位被认为是较为理想的室内热舒适区域。

也可以看到所推荐的低级别洁净室的温、湿度区范围, 特别是温度的上、下限方面, 超出了美国所推荐的舒适区。主要出于节能方面的考虑, 其中也考虑到中国人的饮食习惯、摄人热量、新陈代谢机能与美国人不同的因素, 而高级别洁净室的室内温、湿度推荐范围, 则基本上在最佳热舒适区域内。

二、洁净空调系统的设计问题

绝大多数情况下, 由于洁净室满足洁净度要求所需通风量远大于满足温、湿度要求所需通风量。因此洁净室空气处理系统( A HU )通常都是二次回风系统, 仅新风和小部分回风进人空调装置进行热、湿处理, 随后与大部分循环风即二次回风混合, 经过滤后进人空气输配系统。在一些低级别洁净室设计中普遍存在的问题有如下几点:

1、某些设计单位的作法是按洁净室不同级别的送风量的要求, 统计所需风量。以此为主要依据选定空调机组, 所需冷、热负荷量的计算结果仅作为选取空调机组的参考。一般情况, 按风量选取的机组型号, 其相应配置的冷、热盘管在空调标准工况下的供冷、供热量远多于所需量; 因此认为所选机组是符合要求的。至于所需送风状态参数, 认为反正可通过水温、水量及一、二次回风量调节来满足。因此所选空调机组各功能段断面尺寸是一致的。实际上, 除二次回风及风机段、中效过滤及出风段应满足总风量要求外, 其它的大部分功能段: 新、回风段、粗效过滤、表冷、加热、加湿段等处理的风量往往仅是总风量的1/3 至1/ 2, 断面尺寸可大大缩小, 这不仅可节省建筑面积及空间, 而且冷、热交换设备也将处于效率较高的经济流速下。

较为合理的洁净空调机组, 应为横断面不同的两部分组成。前段以需要进行热、湿处理的空气量为准, 后段以总送风量为准。前后两段在送风机的进风箱处连接, 一般风阻很小, 且不影响风机效率。

目前普遍存在的另一问题是风机出风口与中效过滤器段紧紧相邻, 而出风机风口未设有效的均流装置, 因而出风口迎面的过滤器的过风量大, 箱体断面四角甚至可能有回流现象发生, 影响了过滤设备的整体效率。

2、合理的设计程序应是

( ⅰ) 根据室内参数及室内热、湿负荷, 确定经空调热、湿处理后应达到的机器露点。当一套空调净化系统供应多个房间时, 以主要房间的热、湿负荷, 或能兼顾多个房间室内参数的热、湿负荷比以及是否设置二次加热等因素, 来确定机器露点。由于洁净室送风与室内烩差小, 各房间温、湿度较易控制在允许范围, 一般采用二次回风, 无须设二次加热或冷却。

(ⅱ) 根据全热负荷或湿负荷及满足净化要求的送风量, 确定二次混合状态点, 忽略风机温升, 此点即送风状态点。对于风机温升可以有两种处理方法, 一是将风机热负荷计为室内负荷, 一是根据预测的风机温升相应调整机器露点, 由于净化空调机组克服各级过滤器阻力所需机外静压值较大, 风机配用电机功率较大, 风机温升应予以考虑。

(ⅲ) 因机器露点、室内状态点及送风参数点已定, 经空调机组处理的风量( G_A), 通常是新风量( G₀) 与一次回风量( G₁)之和。根据所需空调处理风量与新风量即可确定一次回风量。

G₁ = G_A ― G₀

例外的情况可能发生, 譬如G_A =G₀, 则表明新风量较大, 无一次回风; 此时, 二次回风与一次回风合二为一, 需将新风从室外参数点直接处理到机器露点。如果G₁< G₀, 则表明排风量很大, 需补给的新风量很多, 所确定的送风参数点满足不了新风量的要求。此时, 如果在室内温、湿度允许范围内, 调低室温或提高相对湿度, 以适当调整二次混合点位置, 加大新风量占总风量的比例, 以满足设计工况下新风量的需要。否则就不得不采用二次加热的方案。这种新风量大, 又有处理过程的冷、热量抵消的高能耗方案应尽可能在设计中避免。

一般情况满足洁净室净化级别的风量, 大于满足热、湿负荷的风量。因此洁净空调系统通常是二次回风系统。但特殊情况是存在的, 在制药、医疗器械等的一些洁净级别低, 而热、湿负荷又很大的车间, 可能要以满足温、湿度要求所计算得到的通风量来决定空调净化系统的总风量。例如作者与新加坡Quest公司合作, 为以生产一次性注射器等医疗用品为主的福建某合资企业所设计的10万级洁净车间, 因工艺发热量很大, 夏季单位面积冷负荷指标高达7 56 w/ m², 因此满足室内温、湿度要求的设计通风量换气达到59 次, 远高于满足洁净度所需的通风量。

三、高级别洁净室设计的一些问题

1 、目前来看, 高级别洁净室目前主要用于超大规模集成电路( ULSI)、薄膜晶体管液晶显示器( TFT一CL D) 等工艺。

这类洁净厂房的特点是: 投资规模大, 通风换气量大, 产品及工艺更新快。此外对生产环境控制要求严, 且随产品更新要求更趋严格。因此, 从技术经济综合优化的标出发, 在这类洁净室设计时, 充分考虑生产环境能具备适应工艺快速变化的灵活性是其基本原则之一。

从能耗方面来看, 这类洁净室由于通风换气量大, 温、湿度控制、压差控制要求严格, 因此空调净化设备运行能耗往往占工厂总能耗比例高达40 % , 与一般空调系统不同, 其空气输送动力可占到空调净化系统总耗电量的一半以上, 而冷、热源设备能耗量仅占不足一半。

这类洁净室空调系统的室内负荷由生产设备、风机热转化负荷、照明、人员和建筑负荷等组成, 一般情况前两项占空调室内负荷的90 % 以上。

这类洁净室因室内人员少, 又无其它湿源, 因此热、湿负荷比值ε≈+∞, 而且室内全年负荷变化甚少, 全年都需要排除室内余热。在中国大部分地区, 其冬、夏季处理过程如图2 所示。

2、降温去湿的方法及所需冷量

高级别洁净室一般都是按横断面风速确定总送风量, 又按维持正压、排风以及卫生等要求确定新风量。新风不仅涉及热、湿负荷耗量, 同时还关系到过滤大气尘埃的负担, 宜在可能范围内尽量降低。

依据经验, 一般新风量约在30 m³ /h·m² 至60 m³ /h·m², 约相当于8一16 次换气, 或占总风量比例的2一4%。由于新风量与总送风量已定, 送风焙差或温差即送风参数点由室内负荷及总风量确定。以室外大气压为10 1 kaP ( 标准大气压), 设计参数分别为23 ℃ 、50 % , 热、湿负荷比。ε≈+∞的某洁净室为例, 洁净室断面风速为0.355m/s ( 70 fpm ), 单位面积送风量为1280m³ /h·m²。从表中数据可以看出, 除非室内负荷大致在150kcal/h·m²( 含风机温升) 以下, 否则单靠对新风进行冷、热负荷处理是满足不了洁净室送风参数的要求, 即洁净室的温、湿度不能予以保证。

在此情况下, 可以有多种选择方案。

一种常见的方案是根据室内负荷、送风量确定送风参数, 即二次混合比后, 根据一次送风量和新风量的差值, 例如参考表1 所列的数据, 室内冷负荷为400 k cal /h·m² ( 46 5 w/ m² ), 满足室内设计参数所要求的,经空调处理的风量为148 m³ /h·m², 若新风量仅60 m³ /h·m², 则其差额即为一次回风量。以本例来看, 需经空调处理设备进行冷热处理的风量约为150 次换气, 其量是很可观的。但因为有了一次回风与新风的混合, 使空气处理过程变得较为容易实现, 因为相对于全新风空调处理过程, 所要求的烩降量减少, 冷冻水进水温度可以提高。即使空气处理机房与洁净室相邻, 在技术上也没有困难, 但对于室内负荷较大的洁净室, 其空调设备的容量、占地及空调处理空气的送、回风管道需占据空间, 往往也是值得考虑的问题。

针对上述问题的另一方案是采取室内循环风, 也就是二次回风就地冷却, 以解决新风不能提供所需全部冷负荷的问题, 这也是当前许多高级别洁净室的习惯作法。通常在洁净室回风静压箱与回风竖井交接处设置水冷式表冷器, 一般都处于干工况, 供水温度大多在14一巧℃ , 可以通过电动阀来调节由冷水机组直供的冷冻水, 或者来自空调机组的冷冻水回水与循环水的比例来控制供水温度。电动三通阀的动作由中心控制室根据室温变化给出影响的指令。这种处理过程在i一d 图上表示如下:

如果循环风不经冷却与状态L 的新风混合, 其混合状态点C1 将比所需送风参数点O 的烩值高。为了保证室内设计温度循环风所需的总冷量为  

由上式可以明显看出,Q2值等于房间所需冷量G(in 一10) 与新风所提供的冷量G1 ( in 一i)L 的差值。因为循环风量很大, 工程应用中, 并不需要在全部循环风道上设置干冷表冷器, 而是在保证送风静压箱风温均匀的前提下, 间隔地设置带阻尼的回风口及表冷器。部分循环风经表冷器后一般温降3一5 ℃ , 再与未经表冷器处理的空气混合到室内送风状态。

3、高级别洁净室常常需要暖通参与决策的另一个较大的空调净化通风方案是空气循环方式。

无论是全面垂直单向流方式、开放湾( opening bay type) 或是洁净隧道方式(tunnel type), 都存在空气循环方式的选择问题。目前来看, 采用模块式风机单元(MFU一Fan Module Uint ) 方式及风机过滤器机组( FFU一Fan Filter unit ) 方式, 循环空气多于再循环风机一管道方式( Recycle

Fan 一Duct  Type)。与FFU 方式不同的是,FMU 方式是一台送风机供给多台ULP A 过滤器所需循环风量。例如,

Motorola 西青芯片厂一台送风机负责20 台左右2 英尺* 4 英尺的U LPA 过滤器。空气循环是无风道方式, 与厂房作为一体而成。由于风机室和送风静压箱各自独立, 因此维修、更换容易, 在各种空气循环方式中, 其空气动力消耗最小。( 见表2 )

与FFU方式相比, 由于送风静压箱内压力均一, 只要ULPA 过滤器阻力相同, 出风就十分均匀; 而FFU方式一般需要依据要求的出风风速, 逐台调整风机的可变电容或其它调速装置。

与FFU方式相比,FM U 方式如果有一台风机故障停机时, 对洁净室影响不大; 而F FU 方式在风机发生故障时, 此台设备将无风送出, 而使周围洁净度都受影响。F FU 方式较FMU 方式风机数量多5一2 0 倍, 风机与过滤器又成一体, 因此维修隐患和难度均略大。

此外FFU方式在噪声控制方面也较FMU 与RC F一D 方式要困难些, 但FFU 方式适应工艺变更的灵活性是最突出的, 在工艺变更时, 只要将各台FF U 的供电线路重新组合, 将操作面和生产线上方的各台FFU机组并联到另一变频控制器上, 可以分别调整供电频率, 使F F U 的风机在不同转速下工作, 送出不同速度的洁净空气, 在大面积洁净室中按需要区别出不同的洁净级别。

各种循环方式应结合工程实际, 绝对的优或劣往往是不存在的。