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    潔凈廠房空調系統節能技術的研究

    時間:2021-10-14 13:13:17 作者:小編 點擊:

    我國潔凈廠房建設規模巨大,有關數據表明,潔凈廠房的能耗是一般寫字樓的1〇倍 ̄3〇倍,凈化空調系統的能粍是一般空調系統能耗的5倍 ̄15倍,潔凈廠房節能意義重大。提出了在潔凈廠房空調系統的工程設計階段可以采取的節能措施,對實際工程有著非常重要的意義。

    o引言

    我國當前面臨著經濟社會快速發展和人口增長與資源環境約束的突出矛盾,為了使經濟增長可持續,同時緩解巨大的環境壓力,必須以環境友好的方式推動經濟增長。有關研究報告顯示,中國潔凈室行業市場規模在2016年約為900億元,到2020年將增長到1400億元,潔凈廠房建設規模巨大。但潔凈廠房的能耗是一般寫字樓的10倍 ̄30倍,凈化空調系統的能耗是一般空調系統能耗的5倍 ̄15倍,潔凈廠房的節能顯得尤為重要。

     

    1基本概念

    1.1潔凈室

    潔凈室就是“室內空氣中的懸浮粒子(灰塵、微生物……)濃度受控的房間。它的建造和使用應減少室內誘入、產生和滯留粒子。潔凈室已廣泛地應用在電子(微電子、光電子等)、航天、観、化工、制藥、醫療等各行各業。并且,隨著科學技術和國民經濟的迅猛發展,潔凈室和潔凈技術的應用將越來越廣泛、越深入、越重要。

    1.2潔凈室空調系統

    一般潔凈室(包括工業潔凈室和生物潔凈室)其送風的空調凈化系統的空氣處理可分為兩大類:

    其一,是空調凈化系統空氣集中處理和集中送風方式。送入潔凈廠房的全部空氣(即消除室內余熱余濕,維持室內正壓和保證室內潔凈度的全部送風量)都經過設于空調機房內的空調機組(AHU)進行粗、中效過濾和降溫降濕或加熱、加濕等凈化和熱濕處理,然后再用送風管道將空氣送至潔凈廠房送風口,經髙效過濾器(HEPA)或超髙效過濾器(ULPA)過濾后送到潔凈廠房內,以保證潔凈廠房內的溫、濕度,正壓和潔凈度等級。全部的回風又經過集中式的回風管內拉回到空調機房與新風重新混合重新再進行一系列的熱濕處理,這樣往復循環。根據生產工藝對生產環境(溫、濕度,潔凈度,正壓……)的不同要求又可分為4種不同的送風系統。

    即:

    ①直流送風系統。

    ②一次回風的送風系統。

    ③一、二次回風的送風系統。

    ④新風機組(MAU)加循環機組(RCU)的送風系統。

    其二,是空調凈化系統空氣分離處理和分離送風的方式。將消除室內余熱余濕的空調送風和保證室內潔凈度等級的凈化送風分開進行處理分離送風的方法。也就是將消除室內余熱、余濕的空調送風(約占總送風量的10% ̄30%)由設在空調機房的空調機組(AHU)或新風機組(MAU)內進行熱濕處理,以保證室內的溫度和相對濕度,而占總送風量70%^90%的凈化送風在潔凈室就地循環來保證室內的潔凈度。此方案又可分為3種不同的組合形式:

    ①新風機組(MAU)加循環機組(RCU)加FFU的送風方案。

    ②空調機組(AHU)[新風機組(MAU)]加FFU的送風方案。

    ③新風機組(MAU)加FFU加干盤管(DC)的送風方案。

     

    2潔凈室與潔凈廠房空調系統的能耗

    2.1潔凈室的能耗

    潔凈廠房是能量消耗大戶,據了解大規模集成電路生產用潔凈廠房的用電負荷為數萬千瓦,它的能量消耗包括:生產設備的用電、用熱、用冷;凈化空調系統的耗電、耗熱及冷負荷;冷凍機組(系統)的耗電,排氣裝置的耗電以及所排氣體帶走的冷(熱)負荷<各種氣體、髙純物質的提取、輸送耗電、耗熱、耗冷,公用設施的用電和照明用電等。潔凈室的能量消耗是一般寫字樓的10倍 ̄30倍,

    在各類能量消耗中除生產設備隨產品品種、生產工藝不同而不同外,能量消耗總量中比例較大的是冷凍機的電耗,通??烧嫉娇偭康模保担ィ常担?,潔凈室的凈化空調系統冷負荷是一般空調的5倍?15倍。

    2.2潔凈室空調系統的能耗

    潔凈室的空調凈化系統運行能耗比一般舒適性空調運行能耗大得多,隨著凈化級別的提高,潔凈室空調能耗也急劇增大。潔凈室空調系統的主要能耗:

    ①為維持潔凈室所要求的溫度和相對濕度,要對潔凈室的送m行必要的熱、濕處理(冷卻、去濕、加熱、加濕……),就必須向空調凈化系統供冷供熱、供蒸峨要消耗大量的能量。

    ②為了保證潔凈室的潔凈度,溫度、濕度等參數,必須往潔凈室送入大量的空氣,送風的風機和供水的水泵等動力設備也要消耗可觀的能量。

    ③上述的供冷、供熱、供蒸汽消耗的能量以及送風、送水設備消耗的電量。

    ④潔凈室的冷負荷中的主要負荷是新風冷負荷,消除工藝設備和工藝過程產熱的冷負荷和抵消風機和水泵發熱的冷負荷,而圍護結構、照明和作業人員3項冷負荷相對較小,有數據表明,在高級別的潔凈廠房中其負荷不足總冷負荷的10%。

    潔凈室空調系統能耗大的原因:

    ①凈化送風量大。不同凈化級別的潔凈室送風量和相同面積的舒適空調送風量的相比是其1.5倍?55倍,而且送風風壓也是其2倍 ̄3倍,因此送風機的溫升耗冷量很大。

    ②潔凈室空調凈化系統的新風量大,一般情況下,新風量等于排風量與正壓漏風量之和,因此生產工藝排風量大故新風量就很大。因此,新風的熱濕處理耗能嫌很大。

    ③潔凈室中的工藝設備和工藝過程發熱量大,而且連續兩班制或三班制運行。因此,耗能量也大。

    ④潔凈室內生產工藝的溫、濕度及其精度要求很髙、很嚴。也是能耗大的原因。

     

    3潔凈室的節能

    為了降低潔凈室的雛消耗,從潔凈室的規劃、設計階段就要考慮節能問題。降低潔凈室能耗的主要途徑是合理確定潔凈室的面積和恰當選擇潔凈度等級}合理選擇凈化空調系統形式,準確計算冷負荷和配置節能型設備;選用先進、能耗低的公用動力系統、設備;合理確定潔凈室的圍護結構等??刹扇〉墓澞艽胧┌ǎ?/p>

    (1)廠址、總平面布置,盡量選擇大氣污染小,產塵量小的場地建廠,場內布置時潔凈室應布置在污染少的場所并注意朝向安排。

    (2)工藝平面布置時,盡量減少潔凈室的面積或減少潔凈度要求嚴格的潔凈室的面積|能不設置在潔凈室內的工序、設備應設在非潔凈區<恰當的確定各類房間的潔凈度等級,不應隨意提髙潔凈度要求,組織好人流、物流和安排好輔助房間,與相關專業配合選擇好潔凈室的形式、空間布置等。

    (3)合理確定潔凈室的建筑形式,減少冷量損失。

    (4)優化凈化空調系統空氣處理過程。

    (5)設法降低冷(熱)負荷,主要途徑有:

    ①減少潔凈室主要設備的排氣量》

    ②減少潔凈室空調系統的泄漏量<

    ③降低潔凈室內生產設備的散熱量;

    ④減少潔凈室內的發塵量,降低送風量;

    ⑤合理選用局部凈化/隔離裝置/微環境裝置;

    ⑥采取措施減少系統阻力;

    ⑦選用能耗低,效率髙的設備;

    ⑧選用變風量、變頻機等;

    ⑨加強隔熱措施,選用優質隔熱材料。

    (6)提髙設備效率,在有可能的條件下采用熱回收裝置:

    ①采用高效冷凍機、麻、水泵和換熱設備;

    ②合理配置設備,盡量防止大馬拉辟現象;

    ③采用回風冷(熱)量回收裝置,排氣冷(熱)量^用裝置;

    ④在合適的條件下采用冷凍機的冷熱利用裝置;

    ⑤生產設備的冷熱量回收;

    ⑥合理配置公用動力設備,如采用自由冷卻系統,冷熱電聯產等。

     

    4潔凈廠房空調系統的節能

    潔凈廠房的規劃、建設,生產工藝等受到各方面的影響,綜合考慮因素較多,是一個龐大的系統工程,一旦確定后很難更改。潔凈室的空調系統更容易被工程建設人員控制,研究潔凈室空調系統的節能措施在工程實踐中具有更重大的意義。

    4.1影響潔凈室空調系統能耗的主要因素

    潔凈室空調系統的能耗主要受以下因素的影響:

    ①凈化空調系統空氣處理過程,

    ②氣流平均速度/換氣次數;

    ③空氣輸送系統的阻力,

    ④空調參數,

    ⑤排風量;

    ⑥工藝設備發熱量;

    ⑦空調系統各設備的效率。

    4.2潔凈室空調系統的節能措施

    4.2.1、合理確定空氣處理系統

    潔凈室的空氣處理方式應經熱負荷、濕負荷、風量平衡計算和經濟技術比較后得出,切忌生搬硬套。一般而言,潔凈室的循環風量遠大于新風量,可實現二次回風以避免冷熱量抵消,達到節能的目的,因此應采用二次回風,二次回風流程中可以分為由新風承擔全部的冷熱濕負荷和由新風及循環風分別承擔冷熱濕兩種方式,其總的冷熱濕負荷是相同的,應根據工程的具體情況合理采用。對于室內顯熱負荷大(熱濕比大)空氣循環量大的潔凈室,因送風溫度與室內溫度的溫差很小,采用新風空調機加FFU(風機過濾單元)和干表冷共同承擔冷熱負荷是節能的。

    凈化空調系統空氣處理過程的優化對節能的效果十分明顯,優化的目的就是減少或消除冷熱抵消現象和降低風機溫升。

    比如:對干一級潔凈手術室(北京)夏季耗冷量,當采用一次回風系統時是60kW,而采用二次回風系統時只有25kW,當采用新風機組深冷抽濕處理時其耗冷量只有20kW。

    髙級別潔凈室(5級以上)是垂直單向流潔凈室,其送風機的風量非常大,髙達400次/h ̄500次/h換氣,而且風機的壓頭也很髙,一般多在1000Pa ̄1500Pa,因此風機溫升的負荷大。按理論計算:在集中送風方式的系統中,風機的溫升為1.5*C,僅此一項的負荷就是500W/m2 ̄700W/m2,如果采用FFU送風方式,風機溫升的負荷可降低至250W/m2 ̄350W/m2。新麻組需要的冷凍水溫度較低(5’C?7r),干表冷需要冷凍水溫度較髙(12X:?14。〇。一般冷水機組出水溫度提髙IX:能耗降低2%,出力增加3%(需視*體雛情況而定),這樣采用12°C的冷凍水系統可使冷水機組運行能耗比5°C時節?。保怠悖悖停福?/p>

    4.2.2、減少空氣循環量

    潔凈室空氣循環量的減少對節能是很主要的內容,主要是:一是減少單向流或要求嚴格的潔凈室的面積,二是合理降低潔凈室的平均氣流速度/換氣次數,三是提升潔凈室的密封性能,以及正壓控制不過髙。

    1)減少單向流潔凈室的面積

    把關鍵的要求嚴的潔凈加工區與周圍要求不嚴的潔凈室環境加以物理分隔,即對關鍵區域采用“點”或“線”的保護而不采用“面”的保護,以減少單向流潔凈室的面積,如在非單向流潔凈室內設置潔凈工作臺、潔凈工作棚或層流罩等局部單向流潔凈區:采用微環境/隔離裝置等。

    2)降低氣流速度、換氣次數由于髙效過濾器及污染控制水平的提髙,以及流體動力學技術的發展,經驗和研究已經認為可降低潔凈室的氣醜度/換氣次數,有導則等對氣流速度/換氣次數的推薦值已有所降低。在實際的設計、調試、生產過程中,應以滿足規范要求、生產工藝的需求為標準,不宜留過髙的富余量。尤其是在調試、檢測過程及工程竣工初期運行中,各項指標遠遠髙于設計及規范的要求對節能是不利的。

    3)提升潔凈室的密封性能及正壓控制不過高提升潔凈室的密封性能,及意味著外界污染物進入潔凈室幾率的減少,潔凈室可以在更低的氣流速度/換氣次數的條件下達到要求。施工、監理應更多的關注這方面內容,嚴把工程質量。

    4.2.3、減少空氣系統阻力

    潔凈室的循環風量和新風量都很大,應按具體情況慎重考慮合理的減少空氣系統的阻力。減少空氣系統阻力,意味著輸送空氣功率的減少,風機功率的減少是節能,更重要的是降低了系統的熱負荷,節能效果非常明顯,如前所述,在髙級別的潔凈室中采用FFU(風機過濾單元)的形式與采用集中送風方式比較,可使空調系統熱負荷大幅下降。減少空氣系統阻力,可采用的方法包括:

    1)采用合理的空氣輸送系統,

    2)風道應采用低風速并注意平滑過渡以減少阻力》

    3)采用髙效設備,減少空氣處理設備的阻力?

    4)降低多空地板的阻力,

    5)降低干表冷的阻力,如有可能的條件下增加干表冷的面積以降低干表冷迎風面速《采用橢圓管式的干表冷換熱器等,

    6)合理選用HEPA/ULPA過濾器并降低其迎面風速。

    4.2_4、雜控制排風系統的排賭

    排風量的控制對有些潔凈室的節能意義重大,如1C生產工藝的排風1:較大,工藝設備更新快,一些設備的排風量不易精確確定,往往采用很保守的數據,運行時排風量的波動亦較大。排風量的增大必然會造纖風負荷的加大??刂婆烹x,可采取的方法包括:

    1)盡量采用變賊排離,

    2)采取密閉式排風罩在同等的排風效果下盡量減少排Mi,

    3)—組排風機組所帶末端不宜過多,不同工藝設備需要的排風風壓是不同的,是否共用一個系統,應經過經濟技術比較確定

    4)所有排風支管的末端均應裝設密閉性能好的調節閥,因排風系統工作時并不是所有的工藝設備均需排風,末端調節閥密閉性能不好,會造成較大漏風,這點在安裝、驗收時應與特別關注

    5)除有毒、有害、易燃易爆等排風系統外,在一般排風系統的熱回收也是重要的節能的途徑。

    4.2.5、工藝設備的發熱量、空調參數

    工藝設備的發熱量只能通過工藝設備本身解決,空調參數的確定在滿足生產工藝要求的前提下,不應過高過嚴要求。否則,其能耗會大幅度上升。另外負荷計算時安全裕量不應留有過大,否則設備的耗電會大大增加。

    4.2.6、空調系統各設備的效率及節能方式潔凈室的空調系統(包括冷凍水系統)能耗較大,因此采用髙效率的風機、水泵、冷水機組及電機等具有明顯的節能和經濟效益。在選擇設備時還要注意設備在運行點時保持較髙的效率。

    1)空調機組風機的變頻控制

    潔凈室的空調機組通常是指空調雛(AHU)、新風機組(MAU)、循環機組(RAU),一般情況下,新風機組(MAU)應采用變頻控制,空調機組(AHU)、循環相組(RAU)是否采用變頻控制,應根據工藝生產特點,空調工況計算后經經濟技術比較后作出。

    在新風系統中,粗、中、高效過濾器的阻力是隨系統投入運行時間變化的,在新風機組設計時其風機風壓一般是按中、高效過濾器的終阻力來確定的,過濾器的終阻力通常按初阻力的2倍計算。這樣新風機組在相當長的運行時間內系統的實際阻力遠遠低于所配風機的壓頭,如沒變頻調節措施,只能靠關小新風系統總風管上的閥門來達到系統送風量,當系統運行一段時間后,由于空氣過濾器容塵量的增加而阻力逐漸上升,系統送風量也會隨之逐漸下降,為系統送風量滿足維持房間潔凈等級的要求,只能定期開大新風管上的閥門,這樣不僅浪費能源,對運行管理也帶來很大不便,故新風機組應采用變頻控制,多采用根據潔凈廠房的正壓值控制風機轉速以確保必須的新風量。

    隨著變頻技術的發展和變頻系統價格的下降,以及國家、社會、業主對節能降耗的重視,空調機組(AHU)、循環機組(RAU)也越來越多的采用變頻控制,這不僅節省能源,同時也解決了不生產時低風量運行問題。

    2)風機和電機采用直聯

    風機的驅動采用電機直聯的方式,不僅風機的傳動效率高(電動直聯為100%,三角皮帶傳動為95%),而且可以減少機組震動對工藝設備的影響。

    3)直流式FFU的應用

    FFU(風機過濾單元)從電源方面分為直流和交流兩種形式,交流式一般設3?5檔調節電壓的方式來調節電機的轉速,以滿足FFU出風口風速的需要,由于控制元件為FFU自帶,分布在潔凈室吊頂各個位置,控制起來極不方便。直流式FFU配一個直流調速器,電機無電刷,噪音小,直流電機的轉子是永磁的,節省了三相異步電動機的轉子電流消耗。同交流FFU相比,直流式FFU電機功率更小,電機發熱更少,減少無關能耗,也有效降低空調負荷。有資料表明,同交流式FFU相比,直流式FFU經過2年左右時間可將前期投入的差值拉平(按每臺FFU每年運行350天,每天運行24h計)。同交流式FFU相比,直流式FFU控制更為方便,簡單,這一優點在大型的潔凈工程中比較突出。

    4)中低溫冷凍水系統分別設置和采用帶熱回收式冷水機組

    在老的電子工廠中,通常只設置單一溫度的冷凍水供應系統,為了保證新風機組的除濕,只能設置低溫冷凍水系統,有的系統、用冷點均對冷凍水溫度要求很是寬松,尤其是隨著干表冷器越來越多的應用,對冷凍水的最低溫度也提出要求,這就使中低溫冷凍水系統的設置不僅成為可能,而且是必須。對于大型的電子工廠,冷凍水的供應可分成中低溫兩個系統,采用中溫冷水機組的方式。中溫冷水機組制冷性能優于低溫冷水機組,如前所述:一般冷水機組出水溫度提高,能耗降低2%,出力增加3%(需視具體機組情況而定),這樣采用12X:的冷凍水系統可使冷水機組運行_比5X:時節?。保担ィ保福?,節能效果明顯。需要指出的是,為了達到最大的節能目的,一旦設置了中溫冷凍機組,應盡量擴大中溫冷凍水的使用范圍,如新風處理系統的一級表冷,變配電所降溫空調系統的表冷器,工藝冷卻水系統,純水系統的冷卻等。

    潔凈室一年四季均需要冷水,同時,冬季電子工廠也需要大量的低熱水,經經濟技術比較后可采用帶熱回收式的冷水機組,以達到節能目的。

    5)冷凍水、冷卻水采用大溫差常規空調中,冷水機組冷凍水供回水溫度為7口12。。,冷卻水供回水溫度32t:/37r,均采5。。溫差。

    如將冷凍水的供回水溫度調整為7°C/14°C,采用TC溫差,則冷凍水流量約可減少為原來的71.5%,由于水泵的動力與流量成正比,因此能耗也為原來的71.5%(注意需核算空調機等的盤管面積)。冷卻水溫度也可采用大溫差的方式,如冷卻水供回水溫度32X:/40°C,但是冷卻水溫度的提髙,冷水機組的COP性能有所下降,不過這種情況主要發生在夏季的白天,在夏季晚上,過渡季節,冬季和部分負荷運行時,冷卻水回水溫度一般不會達到4(TC,冷水機組運行工況大部分時間沒有設計工況嚴苛,對冷水機組性能影響不大。需要注意的是采用大溫差的冷卻水運行溫度只適用于一年四季運行的冷水機組,單純的舒適空調、公共建筑等的冷水機組采用這種方法意義不大,甚至更加耗能。

    6)自由冷卻系統的應用

    所謂自由冷卻系統,根據當地的氣候特點,在冬季或過渡季節,利用自然環境的“冷量”供冷,即利用工程項目中的制冷系統,在冬季或過渡季節冷水機組不制冷,而用冷卻塔循環冷卻供冷。自由冷卻系統閥門控制較多,宜采用全自動控制方式,以確保凈化空調所需溫度的冷水。

    7)準確、有效、方便、快捷的控制系統不論何時,準確、有效、可靠的自動控制系統是非常重要的,只有系統可靠運行,參數符合設計要求,才不會造成浪費,才能節能。

     

    5結論

    潔凈室空調系統的節能是一個綜合的系統工程,并不是所有的方式均適用。要根據項目的具體情況綜合考慮一次投資和日常運行費用有選擇的采用。

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