高精度计量实验室空调系统设计.docx

2013 年 8 月Refrigeration and Air ConditioningAug. 2013.343347文章编号：1671-6612（2013）04-343-05高精度计量实验室空调系统设计黄培雷杨志新蒋哲敏（中国计量科学研究院北京100013）【摘 要】 主要针对高精度计量实验空调系统的设计提出理解认识，分别从热扰动控制、空气处理过程及控制系统等方面提出高精度温度控制空调系统相应的设计要求及方法，并介绍了美国国家标准和计量技 术研究院（NIST）的先进测量实验室（AML）是如何使其空调系统的控温精度控制在0.01。【关键词】 空调系统；高精度控温；计量实验室中图分类号 TU831.3文献标识码 AThe Design of High Thermal Stability Air-conditioning System for Metrology LaboratoryHuang PeileiYang ZhixinJiang Zhemin( National Institute of Metrology, Beijing, 100013 )【Abstract】 The purpose of this paper is to give some advise on how to design a high thermal stability air conditioning system for metrology laboratory. The factors such as heat gains, air handle procedure and the control system are considered. The NISTs AML is introduced as an example that how to design a high accuracy air conditioning system which the thermal stability iscontrolled to within 0.01.【Keywords】 air-conditioning system; high thermal stability; metrology laboratory0 引言随着现代科学技术的发展，尤其随着纳米技术 的日新月异，对计量技术的要求是越来越高。而作 为纳米测量技术的基础技术就是测量环境的控制。 所有的物体都会受温度变化的影响而存在“热胀冷 缩”的现象，如果在温度波动大的测量环境中对物 体进行尺寸的测量，势必给测量结果带来很大的不 确定度。例如，普通钢材在 20时的线性热膨胀 系数是 1.210-51/，那么对于长度为 1cm 的钢材 温度每变化 1 ，其相应的长度形变就将达到120nm，这对于纳米级的测量来说将是个极大的误 差。可见测量环境温度的控制对于纳米测量系统是 至关重要的，是进行纳米测量的基础条件之一。中国计量科学研究院作为我国最高的法定量 值传递及科研单位，对恒温恒湿洁净环境的要求很 高，但目前恒温实验室的最高精度也只能达到0.1，这与发达国家的实验环境还有不小的差距，美国国家标准和计量技术研究院（NIST）已拥有温度控制精度达到0.01的实验室，实验环境的差距必 然带来计量测试水平的差距，因此我们需要紧跟国 际先进水平不断提高我国的计量实验环境条件。1 空调系统精度的影响因素及控制方法空调的作用是维持室内空调区域内的空气具 有一定的温度、湿度、风速、洁净度的数值及精度， 而影响空调系统控制精度的主要因素有：热扰动， 空气调节的方式以及空调控制系统1。因此提高空 调系统控制精度，必须先控制好这三个影响因素。1.1热扰动的控制 热扰动是指传递到空调区域的各种热量，一般按热量的来源可以分为内扰和外扰两部分。内扰是 指室内空调区域内部产生的各种热量传递，外扰是 指由室外向室内空调区域传递的各种热量。因为空 气的比热容比较小（1000J/kg），较小的热量变作者（通讯作者）简介：黄培雷（1986.2-），男，工学硕士，工程师，E-mail：收稿日期：2012-05-08344制冷与空调2013 年化就会引起空气温度的变动，因此在高精度控温的恒温室内要严格控制并降低各种热扰量。1.1.1 内部热扰控制 内部热扰动主要包括人员、设备和灯光，要降低内部扰动就要尽可能的减少空调区域的人员、设 备及灯光设备的数量，可采取的措施有：（1）采用自动化实验装置，以减少人员数量， 最佳情况是实验进行时室内没有人员，通过远程监 控操作实验；（2）最大可能减少实验室内设备的散热量， 可将散热量大的设备或者设备的散热部分安放在 恒温实验室的外面；对于必须安放在实验室内的散 热量较大的设备，需要采取热隔离措施或设置独立 的通风、水冷等散热措施，以减少设备散入实验室 的热量；（3）采用合适的实验室照度值，优化灯具的 布置方案，并采用发光效率高的、散热量小的灯光 设备。1.1.2 外部热扰控制 外扰是指由室外向室内空调区域传递的各种热量主要包括通过维护结构的传热以及新风，可以 采取的措施有：（1）严格控制恒温房间的面积，在满足需求 的前提下尽量减少恒温面积；（2）减少维护结构内表面温度与室内设计温 度的差值，如采用热阻大的维护结构、对墙体进行 内通风、采用控制精度逐级升高的套间式或者将建 筑建于常年温度较为稳定的地下；（3）房间内保持一定的正压，以减少通过门、 窗等缝隙渗入的空气；（4）减少新风量，必要的新风是保证室内人 员健康以及维持室内压力水平的必要措施，应根据 实际需要确定必要的新风量，必要时对新风进行单 独的预处理。1.2采用合理的空气处理过程1.2.1 空气处理方式 恒温恒湿系统一般采用一次回风系统，按新风处理的方式不同可分为：定露点控制的一次回风系 统以及新风单独处理的一次回风系统2。（1）定露点控制的一次回风系统 定露点控制的一次回风系统如图 1 所示，回风（N）与新风（W）混合后（C），经表冷器冷却除湿至机器露点（L），经一级加热到达 O 点，再根据室内负荷与扰动的变化经加湿和二级加热，到 达送风状态点 O1，送入恒温恒湿房间，空气处理 过程如图 2 所示。图1 一次回风系统示意图Fig.1 Primary return air system图2 定露点一次回风系统焓湿图Fig.2 The h-d diagram of Primary return air system加湿过程一般采用电极加湿、电热加湿或直接 进行蒸汽加湿。二级以上加热一般采用电加热，以 方便实现对加热量的控制。设计送风温差可根据不 同的末端方式和精度选取，精度较高的系统一般不 应大于 23。（2）新风单独处理 定露点控制的一次回风系统由于将未经过处理的室外新风与回风进行混合，室外新风温度的波 动会影响送风温度的精度。再有将混风处理到机器 露点，往往能耗较高。因此采用新风单独处理就比 较合理，此时新回风温差将大大减少，同时新风承 担主要湿负荷的系统，还可以适当减小循环风冷却 段和加热段的容量，减少冷热抵消。如图 3 所示，以夏季处理过程为例，新风（W） 经表冷器冷却除湿处理至低于机器露点的一个温 度状态点 L 后，再经过加热器加热至 X 点，再与回 风混合（C），经表冷器等湿冷却至 O 点，再经等 焓加湿（O-O1）和加热（O1-O2）到达送风状态 点 O2，送入恒温恒湿房间，空气处理过程如图 4 所示。由于完全由新风承担室内湿负荷，这种系统第 27 卷第 4 期黄培雷，等：高精度计量实验室空调系统设计345对新风除湿的要求较高，需要达到较低的含湿量3。高精度空调应采用小送风温差和大送风量。我国的暖通设计规范对工艺性空调的换气次数及送 风温差做了相应规定（见表 14），但对于温度控 制精度高于0.1时并没有明确的规定。表 2 是 美国 NIST 在 AML 建设中采用的换气次数6，当 控温精度达到0.01时每小时换气次达到了 300 次。表 1 我国工艺性空调对送风温差及换气次数的要求Table 1 Numbers of air changes required in China控温精度10.50.1-0.2图3 新风单独处理系统示意图Fig.3 Fresh air handle separately system送风温差（）每小时换气次数6-953-682-312表 2 美国 NIST 的 AML 不同控制精度的实验采用的换气次数Table 2 Numbers of air changes used in the NISTs AML控制精度0.010.10.25每小时换气次数300120201.2.3 气流组织合理的气流组织是保证室内工作区空气的温 度、湿度、速度和洁净度满足工艺要求的重要环节。 气流组织的设计涉及到送风口的型式与位置、回风 口的型式与位置以及气流组织的形式。图4 新风单独除湿系统焓湿图Fig.4 Fresh air handle separately system1.2.2 送风温差及送风量的确定表 3Table 3中国计量科学研究院部分实验室气流组织形式Types of air distribution in the laboratory of NIM实验室名称长度基线实验室量块实验室精测实验室 1光纤实验室控温精度送风口 气流组织形式200.2全面孔板送风 上送下侧回200.2全面孔板送风 上送下回200.5条缝型风口 上送下回202条缝型送风 上送上回由于高精度控温空调系统需要高换气次数，如NIST 控温精度为0.01的 AML 实验室采用每小 时 300 次的换气次数，如此大的送风量就要求气流 组织应优先考虑采用全面孔板送风的单向流，以降 低房间内空气流速。在进行孔板送风设计时，应对 室内热源的分布情况进行详尽的调查，并根据实际 热源分布情况确定与之相适应的孔板分布密度及 送风静压箱布置。1.2.4 冷热源及保温绝热 冷热源及换热设备应选用高效节能产品，冷热源设备应有良好的负荷调节性能，最好采用具有连续能量调节的冷热源设备。冷源可以选择冷水、制 冷剂直接供冷等多种方式。再热的热源应选用高效 的电加热器。热交换器应选用换热效率高的产品。 高精度空调需要精确控制送风温度，因此送风 管道应采用保温性能良好的保温材料，可以考虑新 型保温隔热材料，如酚醛树脂泡沫保温材料，其导热系数可达 0.020W/mK 以下5。1.3控制系统 控制系统在高精度空调系统起着决定性的作346制冷与空调2013 年用，没有高效、稳定可靠的控制系统温度控制将无法实现。 温度传感器是高精度空调控制系统中最基本的环节，温度传感器主要有热电偶、半导体热敏电 阻6以及铂电阻等几大类。考虑到各自的优缺点和使用环境，选择铂电阻及热敏电阻是比较合适的。在选择的过程中要对温度传感器进行老化等优选 以筛选出性能稳定的产品，并进行精心的校准。同 时温度变送器的分辨率（数/模转换的位数）应能 满足测量精度要求。表 4 测温元件优缺点Table 4 Features of temperature sensors类型优点缺点热电偶半导体热敏电阻 铂电阻测温范围广，测量精度较高，便于远距离检测灵敏度高，体积小，结构简单 测量精度高需要温度补偿，在常温低温段测量精度较低互换性差、测量范围有一定限制 体积大，对使用环境有一定要求构的实验研究环境极大的进步6-8。2.1AML 概况（1）建筑面积：49843m2；（2）造价：2.35 亿美元，其中建筑费用 1.74亿美元，每平米平均建筑费用为 3500 美元；（3）建筑组成：五栋建筑，两栋位于地下的 单层建筑用于测量实验室，三栋建筑位于地下，分 别是两栋单层仪器实验室以及一栋 ISO5 级的洁净 室；（4）环境参数见表 5。空调系统应采用多级串联控制的方式，分级调整送风温度，逐级靠近并达到控制温度及精度。控 制系统一般使用 PID 控制算法，在运行调试时应根 据系统的特点仔细调整好相关参数以满足实际控 制要求。2美国 NIST 先进测量实验室（AML）简介AML（Advanced measurement laboratory）是美国国家标准和计量技术研究院的新建成的先进 测量实验室，AML 的建成及投入使用实现了该机表 5 AML 实验室环境参数要求Table 5 Environmental of the NIST Advanced Measurement Laboratory温度湿度 洁净度 振动所有实验室基本要求为0.25，较高的为0.1（36 个实验室），最高要求的可达0.01（12 个实验室）相对湿度值控制精度达到1%- 5%一般要求：ISO 6 级（1000 级），纳米实验室：ISO 5 级（100 级），最高可以达到 ISO4 级（10 级）27 个隔振实验室的振幅控制在 0.5-3m/s；2.2 温度控制精度0.01的实验室NIST AML 实验室的最高控温精度可以达到200.01，为了达到如此高的控温精度，该先 进的实验室采用了如下措施。2.2.1 对热扰动进行严格的控制 为了减少外界环境温度波动对实验室内温度的影响，整个建筑被建在地面 12m 以下。每个实 验室的三面侧墙采用通风墙体，天花和地板各有0.5m 高的静压箱用于气流分配，300 次每小时的换 气量，送风由满布于天花的顶棚静压箱经孔板进入 房间，送风速度为 0.27m/s，热湿交换后的回风再 从房间的三面墙壁上的回风口返回由墙体组成的 间隙，这种回风方式可降低维护结构内表面与室内控制温度的差值。一些实验室基于实验观察的需要，一面维护结构为玻璃，此时玻璃采用双层中间 通风玻璃。散热设备被放置恒温实验室外部，人员设定好 仪器后离开恒温实验室，采用自动化设备操作监视 实验。给人留下深刻印象的是在照明方面做了特别 处理，每个房间有四个特制的“灯管”，每个“灯 管”的两端有一个 400W 的灯泡，灯泡发出的光线 经由一特殊的镜片透射到“灯管”内壁上，再通过 “灯管”内壁反射、折射到房间内，灯具上所有的 发热部件都设置在房间的外面，这个特殊的镜片具 有红外过滤作用，过滤光线中的红外光，以减少进 入房间的红外辐射，还对镜片通风以带走被吸收的第 27 卷第 4 期黄培雷，等：高精度计量实验室空调系统设计347热量。2.2.2 采用合适的空气处理方式 控温精度0.01的实验室，采用的换气次数达到了 300 次每小时，特别定制 16 位的 PID 控制 器控制着可控硅电加热器，使送风温差被严格控制 在（0.50.1）。为了降低风管内的风速，采用“音乐厅”模式 的风管即风管断面逐级扩大，使主风管的风速为5m/s，支风管的风速为 3m/s，进入天花板之上静压 箱前风管的风速为 1.5m/s。实验室内采用孔板送 风，房间内的风速控制在 0.27m/s 以下。孔板前的 静压箱内均装有高效过滤器（HEPA），起到空气 净化和提高送风均匀性的作用，同时还能降低送风 气流引起的噪声。新风量按换气次数约为 6 次/h 供给，以保持房 间内一定的压力要求，平衡排风、排烟等排风量。 新风的状态参数直接影响房间内湿度的控制，新风 被乙二醇冷却盘管处理到 5的露点温度进行除 湿，在混合风管段设有高精度的湿度传感器和湿度 控制器，以确保相对湿度达到1%。风管保温材料大量使用酚醛树脂基泡沫保温 材料，在电加热器后的风管使用两层 50mm 厚度的 酚醛树脂基泡沫保温材料，其导热率为 0.0188W/mK，确保了送风温度0.1的精度。2.2.3 研发高精度测温传感器NIST 的科学家们与设计方在控制系统上做了 大量的研究，其中一个就是研制高精度的温度传感 器，以满足0.01的控温需求。通过研究发现， 当要求温度控制在0.01时，温度传感器的精度 要比0.01高出一个数量级即达到0.001，在 市场上没有现成的产品。NIST 通过组织竞标的方 式找到了三家温度传感器及自控系统供应商， NIST 的科学家们对各个厂家的传感器进行了校 准，并在同样实验环境中对传感器及控制系统进行 严格的测试，最终确定合适的方案。温度的精确测量还存在另一个问题，即如何准 确测量经处理后空气的温度，因为经过冷热源处理 后空气的热交换肯定存在温度不均匀的问题，而要 实现高精度控温就必须要准确测量处理后空气的 温度。对于这个问题，最后采用的是在测温点前增 加空气混合器（一个静压箱），使空气在静压箱中 充分混合，以尽可能消除空气的温度分布不均匀，精确测量送风温度。2.2.4 控温效果通过设计人员及 NIST 的科学家们的不懈努 力，最终达到了预期的要求，图 5 为 NIST 早期进 行的0.01实验室研究的温度变化曲线7。但问题 同样还存在，如此精密的空调系统一点小的干扰即 可破换温度精度，这就对实验室空调系统的运行管 理及维护又提出更高的要求。图 5 AML 高精度控温实验室早期测试数据Fig.5 Early test of thermal control of AML3小结随着我国高新技术领域的发展，越来越多的精 密实验室将被建成，本文即从热扰动控制、空气调 节的方式以及空调控制系统等方面入手浅析了作 者对高精度计量实验室空调系统的一些理解，并介 绍了美国 NIST 的 AML 实验室对温度控制所采取 的一些技术和方法，以期对国内相关实验的设计、 建设提供一些思路。参考文献：1陆耀庆.实用供热空调设计手册（第2版）M.北京:中国建筑工业出版社,2008:1154-1672. 孙宗宇,李骥.恒温恒湿空调系统设计中的几点体会J. 制冷与空调,2009,(5):80-82. 赵庆,苏伟胜.恒温恒湿空调方案的选用J.制冷与空调,2009,23(5):57-60.GB50019-2003,采暖通风与空气调节设计规范S.北京: 中国计划出版社,2003. 殷宜初.国内外酚醛泡沫的开发与应用J.保温材料与 建筑节能,2004,(10):46-48.（下转第351页）2345第 27 卷第 4 期吴 毅，等：松潘某酒店暖通设计3515结语根据建筑功能及相关规范，设计了空调系统， 防排烟系统。空调系统采用了风机盘管+新风系统， 也采用了吊顶空调器+新风系统。系统中采用了嵌 入式风机盘管，减少了空调管道之间的交错，便于 施工。客房排风直接由厕所排出，既减少了管道交 错，又降低了空调造价，也便于施工。个防火分区，4-12 层的每一层单独为一个防火分区。每个防火分区即为一个防烟分区。KTV 房间设 1 个机械排烟系统，健身房设 1 个机械排烟系统。排烟风机以及排烟风管吊顶内安 装，排烟风口设于侧外墙。排烟风机入口处的排烟 防火阀为常开的型；280自动熔断关闭，同时连 锁关闭风机。4-12 层每层过道设置排烟风口，共用排烟竖 井及一个排烟风机，排烟机设置于屋顶（参见示意 图 4）。每层设常闭 280排烟阀，发生火灾时， 排烟阀打开，同时启动屋顶排烟机打开。排烟风机 入口处设常开排烟防火阀，280自动熔断关闭， 同时连锁关闭风机。4.3正压送风系统 本工程楼梯间、前室设置正压送风系统。前室采用多叶常闭型正压送风口，每层设置一个，有效 面积按 1/3 系统总风量确定，平时常闭，发生火灾 时，开启着火层及相邻层的正压送风口，联锁送风 机开启。风机采用轴流式风机，设在屋顶。楼梯间采用自垂式百叶风口，隔一层设置一个 风口（本工程在 1、3 层分别设置一个）。风机设 在屋顶。每层楼梯间与前室、前室与走廊之间隔壁6致谢本论文能顺利完成，得到了王晓娟、师弟杨洋 与郭傲辉同学的大力帮助，在此向他们表示深深的 感谢。参考文献：1GB 50189-2005,公共建筑节能设计标准S.北京:中国建筑工业出版社,2005. 刘涛,苏华.宁城地质博物馆空调和防排烟设计J.制冷 与空调,2010,24(2):41-44.路越. 某寒冷地区博物馆空调设计实例J. 制冷与空 调,2010,24(4):92-94. 陆耀庆.实用供热通风设计手册M.北