浅谈冬季工厂洁净车间空调制冷与周边环境采暖能源利用的具体

:无尘车间，也叫洁净厂房、洁净室(Clean Room）、无尘室，一般存在于电子厂、医药厂、食品厂等洁净度要求高的工厂范围内，它是将一定空间范围内空气中的微粒子、有害空气、细菌（fungus)等污染物排除，并将室内温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计的房间。亦即是不论外在空气条件如何变化，其室内也能具有维持原先所设定要求的洁净度、温湿度及压力等性能的特性。所以，在冬季，多数无尘车间也存在制冷需求，而工厂周边普通区域，特别是北方地区均要求采暖，由此造成能源浪费。本文通过实际案例，探讨冬季工厂洁净车间空调制冷与周边环境采暖能源利用的可行性解决方案。
关键词:洁净车间 采暖 能源利用 探讨
采暖――又称供暖，是指向建筑物供给热量，保持室内一定温度（temperature)。
空气调节――实现对某一个房间或空间内的温度（temperature)、湿度、洁净度和空气流速等进行调节与控制。层流手术室净化采用高效低毒消毒剂，以及合理使用，是保障一般手术室无菌环境的有力措施。根据不断讨论与反复斟酌，修订后《综合医院建筑设计规范》中，关于一般手术室的条文最终确定为：“一般手术室应采用末端过滤器不低于高中效过滤器的空调系统或全新风通风系统。洁净室为空气调节中一个很典型的例子。
从国家2003年正式实施《室内空气质量标准》以后，室内温度（temperature)已经成为室内空气质量的一个重要组成部分。标准中明确规定夏季空调房间室内温度的标准值为22℃～28℃，冬季采暖时室内温度的标准值为16℃～24℃。达到这个标准的室内温度就是舒适的室内温度。在北方，冬季室温低于16℃的区域，为了达到舒适室内温度均需要采暖。所以，在北方的工厂中就大量存在着这样的现象：冬季，洁净车间需要制冷，而周边环境区域需要采暖，从而形成奇怪的能量消耗问题。下面就实际厂房改造工程中碰到的洁净室需要制冷，周边环境需要采暖的问题进行探讨。
一、冬季还需进行空调制冷的原因
工厂洁净室的冷负荷主要组成部分有：建筑维护结构的冷负荷（包括内维护结构冷负荷和外围护结构冷负荷），人体散热形成的冷负荷，设备散热形成的冷负荷，灯光照明散热形成的冷负荷，新风负荷。而工厂洁净车间设备冷负荷、新风负荷和人员冷负荷占据大部分比例，当设备冷负荷和人员冷负荷远大于建筑维护结构热负荷和新风热负荷时，此时就要求在冬季进行空调制冷。因此，这成为冬季还需制冷的根本原因。由于有些洁净室在冬季还需进行空调制冷，来调节室内温度以满足生产环境的要求，加之周边区域非洁净区域的范围在冬季较冷的地区需要进行采暖以达到满足室内舒适环境，因此就会带来浪费能源，消耗大量费用的问题。下面，本文针对此问题提出一些个人浅薄的探讨意见。
二、原设计方案简介
某地工厂项目为北京市某电子厂的厂房改造工程，洁净车间总面积为12530平方米，周边采暖面积为6212平方米，依据《北京市供热管理办法(草案)》，草案将目前冬季供暖室内温度由16℃提高至18℃。因此对该工厂周边采暖面积设置温度至少为18度。该工厂原设计为洁净车间和周边区域夏天共用一套空调制冷设备，洁净区域采用组合式空调机组全空气系统，周边区域采用风机盘管系统对区域内进行空气调节。冬季的时候周边区域单独采用市政的采暖，洁净区域采用原本的制冷系统。
根据设计要求，北京市的气象参数(parameter)：北纬39°48’,东经116°28’,年平均温度11.4°C,冬季采暖室外计算干球温度为-9°C，夏季空气条件室外计算干球温度为33.2°C，根据原设计查得该工厂冬季周边区域采暖平均负荷为82W每平米，固需要总的采暖负荷为：Q1=6212X82=509384W约等于510KW，洁净车间区域的冬季制冷平均冷负荷为208w每平米，固需要总的制冷负荷为Q2=12530x208=2606240W约等于2606kw（740冷吨），按照原本的设计要求，冬天需要消耗（consume)的能量为周边区域采暖热量(Heat)Q1+洁净车间冷负荷Q2，原设计采用的是1000冷吨的离心机，运行功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)为623KW,按照无极调节的能力算，制冷总用电:Q3=623x740/1000=461.02kw，按照工业用电标准收费每度电是1元，固冬季制冷每小时总费用为：M1=461.02x1=461元,每天运行16小时算，根据北京采暖常规时间为当年的11月15日，到隔年的3月15日，共计4个月120天计，冬季制冷需要花费费用为M冷=461 X120X16=885120元；冬季采暖费用，根据北京市规定天然气采暖为每平米30元，固总费用为M暖=30X6212=186360，这样看来该工厂冬季空调总的能量消耗费用为M冷+M暖=885120+186360=1071480元，我们取个整数方便计算，为110万元。洁净手术室装修手术室的空气；手术所需的物品；医生护士的手指及病人的皮肤，防止感染，确保手术成功率。要求设计合理，设备齐全，护士工作反应灵敏、快捷，有高效的工作效率。手术室要有一套严格合理的规章制度和无菌操作规范。随着外科技术飞速发展，手术室工作日趋现代化。
三、原设计优化方案
1.针对原设计，我们大胆提出如下改造方案：
1.1去除原设计由市政提供采暖的冬季采暖方案，改为自己生产采暖暖源。
1.2增加一套冷热回收机组，用于替换冬季原本的制冷系统。
1.3增加空气处理机组的新风量，用于降低原洁净车间制冷所需的冷负荷消耗。优化后的设计示意图如下（图3）：
1.4增加一套热泵热水机组，用于补充采暖所需。
空气源热泵热水机组
全热回收机组及空气源热泵热水机组能量转移示意图
2.根据大方向具体优化设计如下：
为了首先保证满足洁净室制冷的需要，固制冷冷负荷必须跟原本一样为2606kw，以此保证不影响工厂生产(Produce)环境，冷热回收机组既提供冷源又提供热源，所以，冷热回收机组制冷量+新风负荷必须要满足总制冷负荷，采暖总负荷不变，跟原本一样为Q1=510KW。洁净手术室装修公司层流手术室的空气压力根据其不同区域（如手术间、无菌准备间、刷手间、麻醉间和周围干净区域等）洁净度不同要求而不同。不同级别的层流手术室其空气洁净度标准不同。详细计算如下：洁净车间温度（temperature)保持25±1°C，相对湿度55%±10%，HR=53.5KJ/KG（该状态点以R表示）原总送风量(定义:单位时间内空气的流通量)Q送=587000M3/H,原新风比为8%，即新风量为Q新=587000X8%=49600 M3/H,由于温度要控制在正负1度内，根据规范要求送风温度为6-10度，由于冷负荷已定，送风量已定，根据负荷公式 q(w)=0.33xQx△h (Q为送风量，△h为计算焓差)（公式1）
我们可计算得出△h=13.5KJ/KG,由于室内状态焓值为HR=53.5KJ/KG，固我们得出送风状态点的焓值为H送=40KJ/KG,因此我们根据规范要求，和便于设备温度控制，我们取机器露点为温度控制点，考虑（consider)到风机温升1度，所以最终得出为送风状态点S送，S送的送风温度为15.5°C（满足规范要求的送风温差的范围内），根据焓值和送风温度，查焓湿图，得送风状态点相对湿度为90%。北京冬季室外计算温度为-9°C，相对湿度95%，由于担心北京市室外新风温度太低冻坏制冷盘管，固新风需要预热到5°C，预热到5°C属于一个等湿加热过程，因此空气含湿量不变，根据焓湿图查得5°C时候的状态点（以O1表示）为：5°C时，相对湿度31%，H01=9.5KJ/KG,用直线在焓湿图上连接R和O1点，在送风状态点S送的等焓线上找到与R,O1的交点M（见图4），M点为我们人为干预需要满足的混风状态点，从焓湿图我们可查处M点的状态值为:19°C,相对湿度58%，HM=41.5KJ/KG。
根据负荷公式：
q(w)=0.33xQx△h (Q为送风量，△h为计算焓差)（公式1）
及能量守恒定律我们可知，新风消耗（consume)的全热负荷与回风消耗的全冷负荷是相等的，因此我们得出q新=q回：0.33×Q新(HM-H01)= 0.33XQ回(HR-HM),得出
Q新/Q回=3/8，因此我们从计算得出新的新风比为3/11，由此得出新风量(定义:单位时间内空气的流通量)
Q新＝Q送×新风比=587000X3/11=160090 M3/H。根据热负荷计算公式
q(w)=0.33xQx△Ｔ (Q为送风量，△Ｔ为计算温差)（公式２）
我们得出把新风预热到５度的热量为：q＝0.33×160090×14=739620w（此过程为等湿加热过程）,为了便于计算我们取整为740KW。根据公式1我们得出新风承担的全冷负荷为q冷=1690560w,为了便于计算取整为1690KW。前面我们可知，总需要的制冷量为2606KW,为了满足洁净车间的需要，我们需要再用冷冻机提供2606-1690=916KW的冷量，即机组的总制冷负荷为Q冷要满足916KW的制冷量,制冷量为Q热=740+510=1250KW,根据Q冷和Q热这两者的条件，以Q冷为主要控制点，选取某品牌机组冷热回收制冷量为996KW，热回收量为1080KW,输入功率为117KW,的全热回收机组，由于全热回收机组在制冷工况优先的情况下，满负荷运转的回收热量满足不了采暖和再热的需求，这期间的差额热量为1250-1080=170KW,根据差额选取某品牌的热泵热水机组，此机组具体参数(parameter)为制热量Q=180KW，输入功率为50KW。
３.改造后与原设计运转的比较
当冬季来的时候，我们开启全热回收机组，全热回收机组满负荷运转，此时全热回收机组把制冷端的冷冻水通过水泵送至AHU处，另一端的热回收器又将制热的热水送至水箱，当采暖负荷大于全热回收机组产出的热水热量(Heat)时，此时的空气源热泵热水机组就会启动，用于补充全热回收机组产热不足的状况，以此来稳定平衡全厂的冷暖需求。通过实际运转测试（TestMeasure)，完全满足此工厂的制冷及采暖要求。优化后的方案，单测试主机运行费用为（117+50）X1=167元/时，按照上述原制冷的主机运转时间和采暖周期计算，冬季年运行费用为：
M改=167X16X120=320640元，固改造后每年单主机节约的费用为M暖+M冷-M改=1071480-320640=750840元，为方便计算我们取整为75万元整。由此节省(spare)的经济费用是相当可观的。
四、改造投入费用
改造投入费用主要有：冷热回收设备的采购（约85万），板式换热器采购（约4万），空气源热泵热水机组（约32万元），水泵（约4万元），设备管道安装（约5万元），管材费用（约3万元），总计改造成本为M改=85+32+4+4+3=128万元。比较上述年回收的资金，两年内就可回收初期投资成本。
五、结语
对于此项目的改造，仅从每年运行费用方面就能得到大量的节省(spare)，更不说谈及更深层次的环境问题，因此对于能源（解释:向自然界提供能量转化的物质)重新分配利用使其达到较为合理的配置是一个非常重要的问题。对于日后的众多项目的设计应综合考虑当地环境与运行的成本的矛盾关系，使其达到最低的能源消耗，避免能源浪费，这对于暖通空调的节能改造问题有深刻的意义，这也是我们今后努力完善设计方面指导的重要思想之一。