洁净室空调系统热湿处理能耗分析
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2 0 0 8 年 6 月 洁净 与空调技术 C C 第 2 期 洁净室空调系统热湿处理能耗分析 华中科技大学环境科学与工程学院 徐菱虹 中南建筑设计院许 玲 摘 要 归纳了洁净室空调系统常用的热湿处理流程,导出4种热湿处理流程的能量消耗计算方法,分析了各 流程的能耗特点,并给出了一个典型实例的计算结果。关键词 洁净室;空气调节;热湿处理;能耗 E n e r g y Co n s u m p t i on An a l y si s o f t h e Ai r Ha n dl i n g Pr o c e s s i n Cl e a n r oo m Ai r-c on di t i o ni n g S y s t e ms Xu L i n g h o n g a n d Xu Li n g Abs t r a c t S u ms u p t h e u s u a l a i r h a n d l i n g p r o c e s s e s i n the c l e a n r o o m a i r-c o n d i ti o n i ng,e d uc e s the c alc u l a t i n g me tho d s o f the e n e r g y c o n s u mp t i o n i n t h e p r o c e s s e s,an a l ys e s the e n e r g y c o ns u mp t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f the p r o c e s s e s,an d p r e s e n t s the r e s u l t o f a r e p r e s e n t a ti v e e x s a mp l e Ke y wo r d s Cl e an r o o m;Ai r c o n d i tio n i n g;Ai r Han d l i n g;En e r g y Co n s u mp t i o n S c h o o l o f E nv i r o n me n t a l Sc i e n c e&En g i n e e r i ng Hua z ho n g Uni v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y j d=d1 0 引言 与一般舒适性空调系统相 比,洁净室空调系统 具有工艺设备发热量大、空气循环量大、空气输送 阻力大、排气量大等特点,因此其能量消耗大并引 起 了广泛关注。空气热湿处理过程所消耗的能量是 其 中的重要组成部分之一。1 洁净室常用空气热湿处理过程和设备 对空气进行热湿处理的常用设备有喷水室、加 湿器、干燥器、加热器和冷却器等。根据被处理空 气与热湿交换介质接触与否可将上述设备分为直接 接触式和表面式两大类。喷水室属于直接接触式,能完成多种对空气的处理过程,但有占地面积大、水系统复杂和对水质要求高等缺点。因此,洁净空 调系统常用表面式空气加热器和冷却器并配合干蒸 汽加湿器来完成对空气的热湿处理。冲:徐 菱虹,女,1 9 6 3年 9月生,副教 授 4 3 0 0 7 4武汉珞瑜路 1 0 3 7号华 中科技大学环境科学 与工程 学院(027)8779 21 65 收稿 日期:2 0 0 7 7 2 8 图 1空 气热湿交换分类 从热湿交换的角度看,可以将空气处理的过程 划分为 4 类,即图 1 中i-d图中通过空气初状态点S 1 的等焓线和等含湿量线所划分 出的 4 个 区域。若经 热湿处理后空气的终状态点落于 I区域,则在处理 过程 中空气的焓增加、湿增加,依次 I I 区域为焓增 加、湿减少;I I I 区域为焓减少、湿减少;区域为 焓 减 少、湿 增 加。从空气处理设备的角度看,表面式加热器能完 成空气的干式加热过程,如 图2 中过程线 P 1 2 所示;干蒸汽加湿器能完成空气的近似等温加湿过程,如 图 2中过程线 P 1 3 所示。表面式冷却器能完成空气 的干式冷却和减湿冷却过程,如图2 中过程线P 1 4 和 P 1 5 所示。图 2中,S 1 为空气初状态点,S 2、S 3、S 4和 S 5为空气处理终状态点。维普资讯 http:/ 6 8 洁 净s空i q Z c c a Ac 2 0 0 8 l d=dl I s 2 图 2 常用空气处理设备的热湿过程 洁净室空调系统的温湿度设计参数常表示为温 度和相对湿度的形式,设温度要求范围为f,一 一,相对湿度要求范围为 胁 一 一,则在 i-d 图中表示为图 3中的上述等温线和等相对湿度线所 包围区域。图3中 S 为洁净室要求空气状态点,S,为室外空气状态点,S,为洁净空调系统送风空气状 态点。应用种类有限的空气处理设备使系统在满足 洁净要求的基础上对空气进行热湿处理,使洁净室 在室外气象参数区域的任意状态 S,下和室内设备、设施和人员等发热、散湿变化的情况下保持 S 状态 点在上述范围内,就是洁净室空气调节系统的任务。d 2 图 3 洁净室几个相关空气状态点 2 洁净室空气热湿处理能耗分析 不失一般性,设洁净室空气状态点为 S ,相应 状态参数为 i 、d 、t 等;室外空气状态 为 S,相应状态参数为 i,、d,、t,等;洁净空调系统送风 状态点为 S ,相应状态参数为 i 、d 、t 等。设 洁净室冷(热)负荷为C L,湿负荷为DL,热湿 比:CL DL。设 v 为由空气洁净需求所决定的空气循环量(洁净室送 风量),则 S 状态点 由 S 状态点 的参 数和 C L、DL确定,与选择 的空气处理过程无关。该过程有热湿平衡式(1),并可以导出状态点 S,的 计 算 式(2)。一 3)(1)D L=(d l d 3)设,为洁净室需要的室外新鲜空气量(新风 量),则 仅由排风量加维持室内正压补风量所得的 总风量与室 内人员所需新风量中的大者确定,与选 择的空气处理过程无关。设 ,为洁净室内空气重复 利用量(回风量),则有 V,:,+V 。热湿处理系统需要将状态为S 流量为 的空气 处理至状态 S 、将状态为 S,流量为 ,的空气处理 至状态 S ,再混合 或分别送入洁净室,使洁净室 空气状态保持在状态 S 。在不考虑实际处理设备和 过程时,理论上需要消耗的功率 P可以通过式(3)计算。P=V 2(i 2 一 )+(f J ij):(i2-iI)+c (3)式中:冷负荷 C L单位为 k W,流量 单位为 k g,s,湿空气焓值 f 单位为 k J k g。式(3)的物 理意义 为所耗功率 由克服洁净室冷负荷 C L耗能和处理 流量新风耗能两部分构成。由于空气热湿处理设备的限制,实际上不能 将 S 和 S,状态的空气直接处理到 S 状态。故实际 的热湿处理流程中所需要消耗的功率将大于或等于 式(3)中 P的理论计算值。文献【2 介绍 了在洁净空调系统中常用的几种空 气热湿处理流程,如一次回风、二次回风、干盘管+独立新风和等。本文主要讨论热湿处理过程 的选 择对能量消耗的影响,下面的分析计算仅考虑热湿 处理过程中所发生的能量交换量,不考虑具体设备 的效率等因素。洁净室空气输送系统能耗功率 比较大,能导 致送风干球温度的显著升高,风道保温系统也将引 起送风干球温度的升高,但均不影响含湿量。故可 以将此温升考虑为洁净室的显热负荷,对本文下面 的分析计算及结论不存在影响。一 一=b 维普资讯 http:/ 第 2 期 洁净室空调系统热湿处理能耗分析 尽 管在 实际布置流程和 设备 时有差别存在,可以从实质上认为洁净室的热湿处理流程有一次回 风、二次回风和 回风干 盘管共三种方式。下文将 详细分析,分析过程 中只考虑 设计工况,部分 负 荷时的调节方式和手段不在本文所讨论 的范围内。鉴于大多数洁净室全年都为冷负荷,且干蒸 汽加湿器能完成近似等温加湿过程,不涉及到冷热 能量的抵 消,下文 的分析与计算 以夏季为准,冬 季可参照进行。冷却过程计算时假设表面冷却器的 冷水温度足够低、换热能力足够大,且能达到露 点温 度(相 对湿度 1 0 0)。2 1一次 回风系统 一次回风系统指回风与室外新风在表面换热器 前混合,经热湿处理设备处理后送入洁净室的工艺 流程,其流程在 i-d图中的表示如图 4所示。图中 S d 状态点为经过表面冷却器去湿冷却后所达到的理 论露 点。图 4 一次回风系统热湿处理 流程 该系统的热湿处理可分为如下过程:流量 状态 s 的回风与流量 状态 s,的新 风混合至流量 状态 S ;流量 状态 s 的空气经表面冷却器去湿冷 却至状态 S ;流量 状态 s d 的空气经表面加热器加热至 状态 S ;流量 状态 s 的空气送入洁净室,承担洁 净室冷负荷 C L和湿负荷 DL,维持洁净室空气状态 S 1。消耗 的功率 P可以按式(4)计算,式(4)的整理过程 略。与式(3)对 比,可知一次回风系 统需要多消耗功率,此多耗费部分是因为去湿过冷 却和再热的抵消而产生,且与洁净室空气循环量 V,成 正比,与 s 、s 状态 点焓 差成正 比。P=e s ls d+e s 2一S d+P 3一s d =一)+(-i a)+V l(i3-id)(4)=(易 一 f )+c L+2 ,(fj i d)2 2 二次回风系统 二次回风系统指一部分回风与室外新风在表面 换热器前混合,经热湿处理设备处理后与剩余部分 回风再次混合,再经过后续处理,最后送入洁净室 的工艺流程,其流程在 i-d图中的表示如图 5 所示。根据洁净室热湿 比 e的大小,将二次回风系统的热 湿 处理 流程 分 为 图 5中(a)和(b)两 种。图 5二次 回风系统热湿处理流程 图 5中(a)流程为无再热二次回风系统。此 流程适合洁净室热湿比 e 值较大热湿 比线与饱和线 有交点(湿负荷较小)的情况。设一次回风流量为 V 二次 回风流量为 V 该系统的热湿处理可分 为如下过程:流量 状态 s 的一次回风与流量 状态s,的新风混合至流量,+状态 S m,;流量,+状态S m,的空气经表面冷却器去 湿冷却至状态 S ;流量+状态s 的空气与流量,状态 s 的二次回风混合至流量 状态 S (S m,);维普资讯 http:/ 洁净s空调技术 C C A C 2 0 0 8 流量 V 1 状态 的空气送入洁净审,承担洁 净室冷负荷 C L和湿负荷 D L,维持洁净室空气状态 S 1。整个流程所消耗 的功率 P可 以按式(5)计 算,式(5)的整 理过 程 略。与式(3)对 比,可知无再热二次回风系统没有冷热抵 消的处理过 程,不 需要 多消耗 功率。P:P s lS d+P S 2 一 S d =,(f,一 )+也一 )(5)=(一 )+c 若洁净室热湿 比 e 值较小,热湿 比线与饱和 线无交点(湿负荷较大),则不能实现无再热二次回 风系统。图5中(b)为有再热 二次回风系统。设 一次回风流量为,二次 回风流量为,。该系统 的热湿处理可分为如下过程:流量,状态,的一次回风与流量 状态s,的新风混合至流量,+状态 S m :流量,+状态S m的空气经表面冷却器去 湿冷却至状态 S :流量,+状态 S d的空气与流量 状态 s 的二次回风混合至流量,状态 S m,:流量 状态 S m,的空气再热至送风状态点 S 3;流量 状态 的空气送入洁净室,承担洁 净室冷负荷 C L和湿负荷 DL,维持洁净室空气状态 S 1。整个流程所消耗的功率 P可以按式(6)计 算,式(6)的整 理过 程略。与式(3)对 比,可知有再热二次回风系统有部分冷热抵消的处理过 程,需要多消耗功率。P=I-S d+e s 2一S d+P d-s m 2 =,(ff 一 )+一 )+(f 一 )(6)=(-ii)+C L+2 V t(i3-id)-2 G 2(f,-i d)式(6)与式(4)比较 可知,有再热 二次 回风系统减少了去湿冷却的空气流量和减少了再热 焓差,故有比一次回风系统更少的能耗。当选择露 点状态 S 的含湿量=时,二次回风流量,=O k g S,即成为一次 回风系 统。式(6)和式(5)对 比可知,有再热 二次 回风系统有部分冷热 能量抵消。当选择露点状态 S d的 i d值较小时,能减少去湿冷却的空气体积和 减少再热焓 差值,即减少冷热抵消量的大小。故 在工程实际中,应在条件许可时,选择室内状态点 S 与饱和线的切点作为露点,此时冷热量抵 消最 少。3 3 回风干盘管系统 回风干盘管系统指回风和新风分别经热湿处理 后再混合或分别送入洁净室且回风仅经过干式冷却 的工艺流程,其流程在 i-d图中的表示如图 6 所示,其中 S c为回风干盘管干式冷却终状态点。本流程 的显著特征是洁净室湿负荷全部由新风热湿处理过 程承担,新风湿式冷却露点 S 由湿平衡方程决定,含湿量 d 的计算式见式(7)。由于新风热湿处理 能承担的湿负荷有限,当洁净室湿负荷DL 较大和新 风量 V,较 小时,式(7)计算的 d 值较 小甚至可 能出现负值,即本系统不能满足洁净室的热湿处理 要求,除非增大新风量 直至得到合适的d 值。洁 净系统中增大新风量,会导致空气过滤系统的更快 消耗和新风冷负荷的增加。实际洁净室工程中使用 增加新风量来增大回风干盘管系统的去湿能力的方 法 应慎 重。一,一 3 一(7)图 6 【旦 l 风 干 盘 管 糸统 热 湿 处 理 流程 该系统 的热湿处理可分为如下过程:流量 状态 S 的新风经空气表面冷却器去 湿冷却至露 点 S ;流量 V,状态 S,的回风经表面冷却器干式冷 却至状态 S C:流量 状态 S d的空气与流量 状态 S c的 回风混合至流量。状态 S,;流量 状态 S,的空气送入洁净室,承担洁 净室冷负荷 C L和湿负荷 DL,维持洁净室空气状态 S 1 维普资讯 http:/ 第 2 期 洁 净室空 调系统热湿处理能耗分析 7 1 整个流程 所消耗 的功率 P可 以按式(8)计 算,式(8)的整 理过程 略。与 式(3)对 比,可知回风干盘管系统没有冷热抵消的处理过程,不 需要多消耗功率。P:is c+P s 2 一 s d -v A,一 )十 v A,一 d)(8)=(-i)+c L 3 热湿处理流程计算实例 下面以参考文献 2 中的洁净室设计计算条件为 例 设计计算本文讨论的典型热湿处理流程。设计 参数复述如下:室外参数:温度 t=3 3 5,焓 i=8 8 2 k J k g,含湿量 d=2 1 2 3 g k g;室内参数:温度 t=2 3,焓 i=4 3 2 k J k g,含 湿量 d=7 8 4 g k g;洁净室循环风量 V =2 2 0 0 0 0 m3 h=7 3 3 k g s,新 表 2 热湿处理流程风量 注:设空 气密度为 1 2 k g m 。表 3 热湿处理流程能耗 f k W)风 量 =8 0 0 0 m h=2 7 k g s:活 净 室 冷 负 荷C L=2 2 0 k W,湿负荷D L:6 1 l 4 结语 gS。限于篇幅,具体计算过程省略。计算结果见 表 1 表 3所示。表 中计算 了 4种热湿处理流程:一次回风、无再热二次回风、有再热二次回风和回 风干盘管系统。计算有再热二次回风系统的 目的是 为了比较各种流程的能耗,其露点温度选择在一次 回风和无再热二次回风的算术中点。通过上节 的分 析可知,有再热二次 回风系统露点选择得越低,热 湿处理过程中的冷热量抵消就越少。表 1 热湿处理相关湿 空气状态点参数 空气状态点干,通过本文 的分析和计算,可以得 出如下结论。洁净室热湿处理过程不宜采用一次回风系 统。洁净室热湿处理过程中的冷却去湿和再热流 程所产生的能量抵消 由洁净室的湿负荷引起。合理 设计二次回风系统和回风干盘管系统可以减少直至 消除冷热能量抵消,但需要更低的冷水温度和更大 处理能力的表 面换热器。二次回风系统有比回风干盘管系统更强的热 湿 处 理能 力。有必要研究和开发更为有效的除湿工艺和设 备 以满足洁净室热湿处理过程的需要。参考文献【l】赵荣义,等 空气调节【M】(第3 版)北京:中国建筑工业出 版社,1 9 9 4 【2】严德隆 洁净室空调系统的选择并讨论 J 1 洁净与空调技 术,2 0 0 6(2)3】严德隆 洁净室H V AC系统节能及其进展【J 1 洁净与空调 技术,2 0 0 4(4)【4】陈在康,丁力行编著 空调过程设计与建筑节能【M】,北 京:中国电力出版社,2 0 0 4 【5】胡吉士 手术室洁净空调系统热湿处理过程探讨【J】暖通 空调,2 0 0 1(5)维普资讯 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