洁净室空调系统选型及节能控制讲义

洁净室空调系统选型及节能控制贺学广E—mail:guoguonc@126.com摘要：主要通过对几种洁净空调主机和末端形式的比较，以及对其节能控制的分析，得出：选用合理的系统和控制模式，对系统的稳定、高效运行作用显著。关键词：系统控制模式节能控制0引言洁净空调与普通空调相比：风机风量大、余压大，热湿比大、控制精度及能耗高，且通常不是单一的洁净空调系统（即一个空调系统中，既含有普通空调系统亦有洁净空调，共用冷源）。所以在洁净空调系统设计时，系统选择、设备选型至关重要。本文通过几个典型案例对洁净空调系统中的主机、末端选型及其节能控制作了详细分析：采用合理的系统及控制模式（空调变水量、风机和水泵变频运行）对系统的稳定、高效运行作用显著。1空调主机系统选型在空调主机的选择上一般秉承一个原则：满足系统所设计的冷、热负荷、节能、简单、经济。现市面上的空调主机以离心机、螺杆机、溴冷机为主（活塞机能效比低，现用得较少，在此不作比较）。几种主机的对比如下：表1几种空调主机型式对比主机型式优点缺点离心机能效比高，系统稳稳定，适合大大型系统（冷冷量1500kkW以上）系统较复杂，造价价高风冷螺杆机无冷却塔，系统较较简单，热泵泵式冬季可制制热，适合有有制热要求，装装机冷量较小小的系统能效比较低，外界界温度较高时时，制冷效果果差水冷螺杆机能效比较高系统较复杂，造价价高溴冷机省电，适合用电紧紧张且周边有有废热或天然然气等热源能效比低案例1：某工厂三层厂房，空调面积4000m2，其中洁净区面积2000m2。普通区2000m2，洁净区为单冷系统，普通区为冷暖系统。经计算，冷负荷720kW（其中洁净区560kW，普通区320kW），热负荷260kW（关于负荷计算过程，本文不再进行赘述）。在上述案例中，冬季制热时，热源一般可采用电加热或风冷热泵，采用电加热，能效比低（0.8左右），故在此选用螺杆式风冷热泵（制热时能效比3.3左右）。综合考虑，空调主机系统我们可选用水冷螺杆机（水冷的能效比为5.5左右，风冷的能效比3.0左右）为主制冷，制冷量为630kW，选用5台模块式风冷热泵系统为冬季制热热源（制冷时为辅助制冷），单台制冷量为65kW，制热72kW。空调系统图如下所示：图1空调主机系统图说明：制冷时，主制冷采用螺杆式冷水机组，回水温度过高时（冷量不够时），逐级投入模块式风冷热泵。制热时，采用模块式风冷热泵制热，制热时螺杆式冷水机组主干管上的电动蝶阀关闭，洁净区供水干管上电动蝶阀也保持关闭。2空调末端选型洁净空调末端一般有以下这种形式：组合式风柜（其功能段一般包括：混合段、粗效段、表冷段、风机段、中效段、出风段。可视具体要求增加再热段、加湿段（由于蒸气散发出来时，压力较小，为保证加湿效果，加湿段应置于风柜负压段）、匀流段，风冷净化空调机（功能段与组合式送风柜相同，其表冷段里通过的是冷媒，通过冷媒的蒸发制冷）、FFU+新风机(新风由新风单独处理到较低温度，承担部分室内负荷）、FFU+组合式送风柜（组合式送风柜承担新风及室内负荷）、洁净棚（顶棚满布FFU，四周加设PVC胶帘）。对以上几种空调末端形式的对表见下表：表2几种空调末端形式的比较末端型式优点缺点备注组合式送风柜组合灵活，控制精精确度高（通过调调节比例积分分阀的开度来调节室内内温湿度）须另配空调主机，提提供冷冻水做做为冷源，风风管较复杂适合控制精度度高、系统复复杂、风量较较大系统风冷净化空调调机组合灵活、无须另另配空调主机机控制精确度低（通通过压缩机的的启停来调节节室内温湿度度，不能做恒恒温恒湿空调调机）、室外外温度较高时，制制冷效果较差差，风管较复复杂适用控制精度度不高，风量较小小的系统FFU+新风机系统简单、风管少少、造价低室内噪声较大、室室内及新风负负荷均由新风风机承担，新新风须处理较较低温度，须配置低低温空调主机机、室内温湿湿度控制精度较低，须做做二次吊顶如受层高限制制不能做二次次吊顶，可利利用夹层做送送风静压箱，为为防止冷量损失及上层层地面结露，楼楼板须贴带铝铝箔保温棉FFU+组合式送风柜系统简单、风管较较少、造价较较低室内噪声较大大、室内及新新风负荷均由由组合式送风风柜承担，新新风须处理较较低温度，须配置低低温空调主机机、室内温湿湿度控制精度较低，须须做二次吊顶顶适用功能间面面积大，控制制精度不高的系统统洁净棚系统简单，可移动动，造价低，适适合局部高洁洁净度区域仅起过滤作用，不不能调节温湿湿度，适合局部高洁净等等级区域，一一般不能独立立使用，作为为二次末端套套装在低洁净净区域内在选型时，考虑运行噪声、风管施工等因素，组合式送风柜和风冷净化式空调机单台风量不宜超过30000m3/h对于风机的选型应结合风机的性能曲线及管路特性曲线来选择，两条曲线的交点才是风机工作的稳定工况点。对于风量较小，控制精度高的洁净室，可以选用模块式风冷热泵+组合式送风柜。案例2：某实验室，面积300m2，要求吊顶高度.6m，洁净等级十万级，温度24+1oC，相对湿度55+5%。经计算，系统风量为11700m3/h，冷量80kW（计算过程，本文不再进行赘述），系统冷量小，在此案例中选用一台模块式风冷热泵机组，制冷量97kW，提供冷冻水给组合式风柜。在运行过程中，当回水温度过低时，模块式风冷热泵会卸载压缩机，回水温度升高时，再会重新投入。由于控制精度高，加上负荷变化等原因，会导致模块式风冷热泵压缩机启停频繁（为防止压缩机因频繁启动而影响使用寿命，厂家都会设一个启停的最短时间间隔，一般为3分钟）。由于系统蓄水量少，在压缩机停止运行的时段内，回水温度会快速上升，导致室内温湿度波动过大，超过设计范围。在这里，可以设一个蓄水箱做为缓冲（在压缩机停止运行的时段内由蓄水箱里的水提供冷源）。蓄水箱大小选择计算：根据能量守恒：QT=CρVΔt（1）Q：空调负荷80000WT：时间间隔3minC：水的比热42000J/kg·oCΔt：供水温差2oCρ：水的密度1000kg/m3V：蓄水箱体积80000*3*60=ρV4200*2V=1.7m3备注：模块式风冷热泵供回水温度一般为7oC/12oC，在计算时，以停机时供水温度7oC计算，为防止室内温湿度波动过大，供水温度波动亦不宜过大，在此案例中选择，当供水温度超过9oC时，再次启动压缩机。对于恒温恒湿系统，由于须要再热，存在一个冷热抵消的过程，能耗较高，一般可选择采用二次回风。在二次回风系统中，若二次回风混合状态点恰好与送风状态点重合，则完全无须再热。但系统在实际运行中，两个状态点通常不会重合：常规的空调主机供回水温度一般为7oC/12oC，处理后的空气最低温度为14oC左右，若须保证二次回风混合状态点与送风状态点重合，则一次回风处理的温度要比较低，通常低于12oC，采用常规空调主机提供的冷源不能保证。故在系统二次回风后仍须设置辅助再热。3空调系统的节能控制对于洁净空调系统，须控制的参数多，精度高，系统复杂，合理的控制模式对系统的稳定、高效运行至关重要，现行空调的控制器主要有DDC控制器、PLC控制器。DDC控制器（直接数字控制器）是通常由DDC生产厂家直接写在微处理芯片上，不可能由其它人员进行修改，可编辑性和扩展性差（适合标准控制）。PLC控制器（可编程序控制器），生产厂家出厂时是裸机，可由编程人员任意编写控制程序，其可编辑性和扩展性强。由于每个项目的洁净空调系统的控制模式不尽相同，故控制器我们一般选择PLC控制器。3.1末端节能控制末端的能耗主要是风机的电机和再热，我们结合以下案例3，对末端（组合式送风柜）的节能控制进行说明。案例3：组合式送风柜控制图2组合式送风柜控制原理图控制说明：1、控制系统主要由水管比例积分阀、温湿度控制器（PLC）、装在回风管内的温湿度传感器、风管电动阀组成。2、控制器的作用是把传感器所检测的温湿度信号与控制器设定的值相比较，并根据比较的结果输出相应的电流信号转成0-10VDC信号来控制调节水管比例积分阀、再热段或电极加湿器的动作，使回风温度、湿度保持在所需要的范围。再热段，有条件可采用蒸汽或热水（通过比例积分阀控制，无级调节），加热效果较好，若没有条件，可采用电加热，较经济的做法就是采用电加热管，通过接触器分级控制，一般分3级，例：电加热为28kW，每条电加热管为2kW，可以按1：2：4分成3级，通过排列组合，可以组成7级控制：1，2，1+2，4，1+4，2+4，3+4，根据所反馈的温湿度信号，有选择性的组合投入，实现分级调节。这种控制模式优点就是简单，经济。缺点是不能实现无级调节，精度较低。对于电加热量较小，控制精度高的系统，可采用可控硅对电加热进行控制（根据反馈回来的温度湿度信号，无级调节电压，从而实现对电加热的无级调节控制）,另应设置缺风保护，缺风时，电加热禁止启动。若系统较大，较多，尽管采用二次回风，其辅助电加热仍相当大，在这里我们可以选择采用冷却塔的冷却回水用于再热，冷却塔的回水温度一般为37oC左右，完全可以胜任再热功能。缺点就是冷却水的水质较差，影响换热效果。小型主机系统可选用带热回收的风冷热泵，把回收的热量于系统再热。3、夏季当室外相对湿度较高时，比例积分阀调节不受温度控制，保持全开状态，进行降温除湿，直至受控区域的湿度符合设计要求；此时由于保证相对湿度而引起的温差由电极加热段补偿至受控区域的温度符合设计要求。当湿度恢复至低于设定值时，PLC转换为温度控制模式，由回风温度控制水管比例积分阀开度。4、空气过滤网的透气度是用压差开关检测的，当过滤器二侧的压差超过设定时，控制面板发出警报，提示清洗或更换过滤器5、送风机与排风机启停联锁，当停止送风机时，排风机延时停止。6、冬季当送风相对湿度低于设定值时，加湿器开启工作，对系统进行加湿直至满足设定范围。7、系统送风量＼排风量由风机的变频器来控制（转速跟频率成正比，风量跟转速成正比，风压跟转速的平方成正比，功率和转速的立方成正比），恒定风量（通过采集风速变送器信号)。风速传感器装于送风主干管上，用来恒定风管内风速，当系统开始运行后，控制程序将从数据采集器采集到的当前的实测风速与设定风速值比较，如果当前风速低于系统设定的风速值，则由控制程序输出信号控制变频器使变频器的频率升高进而驱动风动电机转速加快，直到当前风速达到设定风速值为止，反之，如果当前的风速高于系统设定值，则由控制程序输出信号控制数字变频器使数字变频器的频率降低，进而使风动电机转速降低，知道风速达到设定风速值（在过滤器较清洁时，低于工频运时，有点脏时接近工频运行，比较脏时，略高于工频运行，一般会在40-65HZ运行，当过滤器很脏时，阻力大增，会导致电机频率上升较大，烧坏电机，所以应设定保护措施，运行最高电流严禁超过电机的额定电流）。这种控制的优点在于：初次调试运行合格后，就能保持送风量和室内压差的恒定，更换过滤器也无须重新对系统进行风量、压差调试。若系统在非工作时间须要值班风机，可在控制器上设定两档风速，一个为正常运行风速，一个为值班风速，再设定正常运行和值班运行时间段，自动切换。3.2主机系统节能主机系统的能耗主要是冷水机组和水泵。我结合案例4，对主机的节能控制进行说明案例4：空调主机系统控制图3空调主机系统控制原理图1.夏天优先使用水冷螺杆主机制冷，当冷量不足（回水温度过高）时自行投入风冷热泵机使用，当冷量富裕时，优先卸载风冷热泵，冬天采用风冷热泵制热。2.冷水机组联锁控制：启动：冷却塔风机开启，冷却水泵开启，再开启对应冷水机组冷冻水电动阀，然后开启冷冻水泵，最后开启冷水机组；停止：停冷水机组，关冷冻泵，关冷冻水阀，关冷却水泵，关冷却塔风机。3.冷水机组压缩机制冷量可以根据回水温度自动卸载；冷却塔风机设计根据冷却水回水温度而停启，更有效