高大洁净厂房分层空调系统的设计_冯宝岳

·44·设计参考　　　　　　　　　2001年第31卷第2期　　　　　　　　　　　　

高大洁净厂房

分层空调系统的设计

总装备部工程设计研究总院　冯宝岳☆　陈之曰　郝　军　满孝新

提要　分析了高大洁净厂房的发尘特点和应采取的气流组织方式, 通过工程实例, 介绍了洁净分层空调的设计方法, 指出这种方法不仅能够达到万级洁净度的净化效果, 而且能够节约初投资和运行费用。

关键词　高大洁净厂房　分层空调系统　设计

Stratified air conditioning system design for

a large space clean workshop

B y F e n g B a o y u e ★, Ch e n Zh i y u e , Ha oJ u na n dMa n Xi a o x i n

Abs t r act 　Anal ys es t he dus t emis s i o n a nd t he a i r di s t r i bu t i on i n l a rg e s pa c e c l ean

wo r ks hops . B y a n exampl e p ro j ec t , pr es e nt s des ig n o f t he c l ean s t r at i f i ed a i r c ond i t i oni ng s y s t em . I nd i c a t es t hat t he s ys t em not onl y c a n make the c l ea nl i nes s r ea c hi ng c l as s 10000, but al s o c a n s a ve t he f i rs t i nv es t ment a nd ope r at i o n c os ts .

Keywor ds 　l ar ge s p ac e c l ea n wo rks hop , s t r at i f i ed a i r c ond i t i oni ng s y s t em , d es i gn

★Ce ntre fo r En gineering Design an d Re search under the G ene ral Equ ipment Department , PLA , C hin a

0　引言

近年来, 高大空间建筑物在工业和国防工程中的应用逐步增多, 但目前对于高大空间洁净空调技术的研究和应用都很少。在以往的洁净空调工程设计中, 对于洁净厂房多采用全空间净化的设计思路, 能耗巨大。但高大空间类型的洁净厂房, 往往使用上并不要求全空间净化, 只是对某一高度以下区域(简称工作区) 有洁净度等级和温湿度控制要求。

洁净分层空调不仅较好地解决了非全空间净化的问题, 而且在满足工艺条件的同时, 缩短了工程的施工周期, 大大减少了系统的循环处理风量和冷量, 节约了初投资和运行费用。

1　高大洁净厂房中尘埃粒子的产生和分布

对于高大洁净厂房, 主要污染源与一般洁净室不同, 除了人和运动设备发尘以外, 表面发尘占有, 时的发尘量取105粒/(min ·人) , 人动作时的发尘量按照静止时的5倍计算, 对于普通高度的洁净室, 表面发尘量按照8m 地面的表面发尘量相当于一个人静止时的发尘量进行取值。对于高大洁净厂房, 其下部人员活动区域, 净化负荷较大, 上部区域净化负荷较小, 同时, 由于工程使用特点, 为了安全和考虑到不可预见的尘埃污染, 取适当安全系数是必要的。本工程表面发尘量按照6m 2地面的表面发尘量相当于一个人静止时的发尘量进行取值。本工程按照每班60人工作计算, 人员发尘量仅占总产尘量的24%,而一般洁净室中人员发尘量占总产尘量的90%左右。此外, 对于洁净厂房上部吊车设备产生的尘埃以及各类表面沉积的尘

☆冯宝岳, 男, 1939年8月生, 大学, 高级工程师

100028北京市4702信箱1号(010) 66359124收稿日期:1998-12-02:06-30

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　　　　　　　　　　　　　暖通空调HV &AC 　　　　　　　　　　设计参考·45·

埃所造成的污染是不可忽视的, 应该及时排出去。2　高大洁净厂房的气流组织

对于高大洁净厂房, 采用洁净分层空调系统可以使系统的总送风量大为减少。风量减少了, 要得到较好的洁净空调效果, 采用合理的气流组织就显得尤为重要, 既要保证送风和回风系统的均匀性, 减少洁净工作区的涡流和气流回旋, 又要增强送风气流的扩散特性, 充分发挥送风气流的稀释作用。

在万级或10万级洁净度要求的高大洁净厂房中, 对下部洁净工作区可以采用两侧分层对送、集中下侧部回风的气流组织形式, 保证洁净工作区的换气次数; 对上部非洁净空调区可设置小型排风口, 采用较小的换气次数, 迅速排走上部空间吊车等所产生的污染。这样, 不仅减少了系统总的循环处理风量和冷量, 而且送风口均匀分布在洁净工作区, 可以使送风气流较为均匀, 减少了二次气流的产生。同时, 送风气流在前进的过程中, 对附近的空气有卷吸和诱导作用, 增强了其扩散特性和稀释作用, 并且, 送风气流避开了上部非洁净空调区吊车活动污染的影响, 直接作用于洁净工作区, 大大提高了净化能力。3　工程设计实例

某高大洁净厂房(长72m 、宽24m 、高22m ) , 要求14m 以下为洁净工作区, 净化等级为10万级, 温度t n =23±5℃,相对湿度φn =35%～55%。剖面图见图1

。3. 1　气流组织和换气次数的确定

针对该高大洁净厂房的使用特点, 采用洁净分层空调

图1　洁净厂房剖面图

　射程x /m 相对射程x /d s 相对速度v x /v 0轴心速度v x /m /s

21. 8450. 6301. 260

冷、热辐射对工作区的影响, 又能把上部吊车工作中产生的尘埃粒子及时排走, 并充分利用扩散到14m 以上的洁净空气, 在非洁净空调区布置了一排小型的带状回风口, 形成了一个小的循环回风系统, 可以大大减轻上部非洁净区域对下部洁净工作区的污染。

本工程根据洁净度等级和污染物散发量, 对14m 以下的洁净空调区采用了15h

-1-1

的换气次

数, 对上部非洁净区域采用小于4h 的换气次

数, 实际上整个厂房的平均换气次数为10. 5h -1。这样, 同全室进行洁净空调相比, 洁净分层空调不仅较好地保证了洁净空调区的换气次数, 而且大大节省了系统的风量、冷量和风机动力。3. 2　侧送非等温射流的计算3. 2. 1　送风温差Δt s

洁净空调所需要的换气次数比一般空调大得多, 于是充分利用洁净空调的大风量, 减小送风气流的送风温差, 不仅能够节省设备容量和运行费用, 而且使其更有利于保证洁净空调区的空调精度。本工程计算出的送风温差为Δt s =2. 5℃。3. 2. 2　射流计算

洁净空调中要求送风气流相对均匀, 送风速度不宜太大, 本工程送风速度v 0=2m /s , 末端速度v =0. 2m /s , 射流自由度4. 80。本工程对侧送风气流进行了计算, 计算出的各射程流速见表1。

表1　各射程流速

43. 6900. 3150. 630

65. 5400. 2100. 420

87. 3800. 1580. 350

109. 2300. 1260. 252

1211. 0700. 1050. 210

　注:d s 为风口当量直径, m 。

由于送风气流的风量大、送风温差小, 几乎与等温射流无异, 所以射流长度容易保证, 根据阿基米德数可以计算出相对射程x /d s =15, 能够满足对侧送气流12m 搭接的要求。3. 2. 3　计算风口个数和尺寸

在室温允许波动范围Δt x ≤±1℃的条件

-2

的方式来保证洁净工作区(14m 以下) 的温湿度和洁净度。在侧墙上均匀布置了对吹的带高效过滤器的组合送风口装置, 在厂房侧墙下部距地面0. 25m 高度附近均匀布置了带阻尼层的回风口装置, 构成了工作区分层侧送、集中侧下回的气流组织形式。同时, 为了使14m 以上非洁净工作区的空气[3]

下, 按照公式n =BH /(ax /x ) 计算风口个数(B , H 为送风断面宽度和高度; a 为风口紊流系数; x , x 为射流的射程和无因次射程) 。本工程采用双层当t x , -

·46·设计参考　　　　　　　　　2001年第31卷第2期　　　　　　　　　　　　3400mm ×700mm 双层百叶风口72个, 于是在两侧墙高度方向上均匀布置了三排带高效过滤器的组合送风口装置。这种双层百叶风口具有较好的扩散效果, 可根据需要进行风量分配, 通过调节双层百叶风口的竖向仰角和水平扩散角, 使得出口的速度场比较均匀, 各风口的风量也容易分配均匀。

3. 3　送风口高度确定

在惯性力和浮力的共同作用下, 非等温射流的轨迹是弯曲的。因此, 最顶部送风口高度应该按照下式确定:

H =Y +H 0+H a

式中H 为最顶部送风口的高度, m ; H 0为洁净工作区的高度, m ; Y 为射流落差, m , 通常可取Y =(1/16～1/4) x , x 为射流的射程; H a 为安全余量, m , 根据洁净空调的温湿度精度要求和洁净度等级, 一般可以取0. 3m 。

经过计算, 本工程的三排送风口的高度依次确定为15. 0m , 9. 5m 和5. 0m 。3. 4　乱流洁净厂房的开机自净时间

本工程为高效空气净化系统, 设计室外空气含尘浓度N o =106粒/L , 根据14m 以下工作区的15h -1换气次数和室内单位容积发尘量G =2×104粒/(m 3·min ) , 求得正常情况下开机自净时间为50min 。

3. 5　空调工况处理

针对洁净室设计中送风量大、送风温差小的特点, 充分利用回风, 在夏季空调处理方式上取消一次回风, 采用最大比例的二次回风, 只对新风进行一次性处理然后与大量的二次回风混合, 从而取消了再加热, 减少了设备的容量和运行能耗。3. 6　工程实测结果

本工程竣工后, 进行了全面的工程测试, 整个

厂房共设置了17个水平方向和垂直方向的测点。在静态情况下对洁净厂房的速度场、温度场、洁净度、噪声等进行了测试, 实测结果与设计和计算机模拟的结果吻合较好。在设计工况下的实测结果:送风口处气流的平均速度为2. 0～2. 3m /s , 两股对吹气流搭接处(即射流末端) 风速为0. 20～0. 25m /s 。洁净工作区的换气次数保证在14h -1, 测得其洁净度在2000级以内, 较好地满足了设计要求。室内A 声级噪声在回风口处为52dB , 离开回风口1m 以外地区均在50dB 以下。4　结论

4. 1　对于只要求某一高度以下区域洁净度级别为1万级或10万级的高大厂房, 采用洁净分层空调是一种比较经济实用和行之有效的方式。4. 2　对于这种类型的高大空间洁净厂房, 在上部非洁净工作区设置一排带状回风口, 按≤4h -1换气次数及时排走吊车轨附近产生的尘埃, 减少顶棚室外冷、热辐射对工作区的影响, 可以较好地保证工作区洁净度及温湿度。

4. 3　高大洁净厂房的高度是一般洁净室的4倍以上, 在正常产尘量的情况下, 应该说单位空间净化负荷远远低于一般低矮洁净室, 因此, 从这个角度分析, 换气次数的确定, 完全可以低于国标GB 73-84推荐的净化级别的房间换气次数。研究分析表明, 对于高大洁净厂房因洁净区的高度不同, 换气次数也不同, 一般可取国标推荐的换气次数的40%～100%。参考文献

1　许钟麟. 洁净室设计. 北京:地震出版社, 1994.

2　中国建筑业协会建筑节能专业委员会. 建筑节能技术. 北京:中国计划出版社, 1996.

3　许钟麟, 沈晋明. 空气洁净技术应用. 北京:中国建筑工业出版社, 1989.