某研发中心实验区暖通设计实例

No.5/2008总第123期第29卷制冷空调与电力机械RefrigerationAirConditioning&ElectricPowerMachinery工程设计中图分类号：TU83文献标识码：B文章编号：1006-8449（2008）05-0050-050引言随着中国经济的发展，越来越多的全球性企业将其研发中心落户中国，本项目位于上海张江高科技园区，业主是世界500强及世界化工巨头25强企业。整个建筑是一幢4层的钢筋混凝土框架结构。本设计为其3层实验区改造工程，总面积为4050m2，由实验室和实验室配套办公区两部分组成。实验室位于实验区的中心，面积约1900m2，配套办公区环绕在实验室的周边，面积为2150m2。设备层位于实验区的屋面，放置风冷冷水主机、空调机组、锅炉等设备。本文对其核心的实验室暖通系统作一介绍，以供参考。1工程特点及难点（1）实验室区域所进行的实验含有对人体有害的物质，因此采用全新风直流空调系统；（2）整个3层实验室内共有50台9类不同的通风柜，通风柜操作面的面风速要保持恒定，由于通风柜随柜门位置变化其排风量也在变化，因此通风柜的排风量是动态变化的。实验室除通风柜外，还有烘箱、排风罩、溶剂柜等设备，它们的排风量是稳定不变的；（3）由于实验室存在上述变风量和定风量局部排风设备，因此对房间的风量平衡、压力控制、温度控制等系统设计带来难度；（4）有多台通风柜的实验室因排风量大，本项目单个房间最大送风换气次数达到60次/h，普遍实际最小换气也在10次/h左右；（5）实验室全新风空调系统能耗大，须采取必要的节能设计措施。2设计标准室内设计参数见表1。3空调系统3.1实验室空调系统（1）空调送排风方案：由于实验室内通风柜数量多、排风量大，当排风柜视窗变化时，其排风量也会相应变化，室内的温湿度、压力均会有较大的波动，为补偿通风柜排风量的变化，空调系统的送风设计为变风量系统（VAV），以保证室内各项参数稳定，同时变风量送风也能满足节能要求。若实验室内排风量恒定，则空调送风可设计为定风量系统（CAV），以简化系统设计，降低投资；某研发中心实验区暖通设计实例龚伟力（信息产业电子第十一设计研究院有限公司，上海200062）摘要：介绍了某研发中心的空调系统设计、温湿度及压力控制以及实验室通风柜排风系统的设计，阐述了大规模实验室变风量系统的设计方法；概述变风量设备的比较和选型，并提出了设计时的注意事项。关键词：研发中心；空调；排风；通风柜；变风量；压力控制表1室内设计参数表区域实验室CTR办公区夏季温度℃22~2623±224~28冬季温度℃18～2223±218～22湿度%40～6055±570压力Pa-50~50~550No.5/2008总第123期第29卷制冷空调与电力机械RefrigerationAirConditioning&ElectricPowerMachinery至大楼BMS控制系统控制系统DDCHWR热水供水HWS热水回水送风变风量末端VAVSRHC连至BMS网络层定风量控制器CAVE夏季温度22~26℃冬季温度18~22℃相对湿度70%定风量排风阀操作显示板通风柜VAVFE通风柜控制器连至DDC控制器VAVE辅助排风末端走廊5DPROOF顶层TEOAT（2）空气处理机组：本项目新增一台送风量为135000m3/h，排风量为150000m3/h的双风机全新风空调机组，布置在实验区的屋面与原空调机组并联运行。送风侧由初效过滤段、热回收段、中效过滤段、预热盘管段、冷却盘管、加热盘管、预留蒸汽加湿段、送风机、高效过滤段组成；排风侧由初效过滤段、热回收段、排风机段组成；（3）CTR房间：有恒温恒湿要求的实验室，则在室内增设冷水型恒温恒湿机组。3.2周边办公区空调系统周边配套办公区采用新风加四管制风机盘管系统。新风来自实验区的新风供给系统，它类似于一般办公区的设计，在此不再叙述。3.3空调系统冷热源及负荷（1）空调系统的冷源来自屋顶原有和室外地面新增的风冷冷水机组，热源来自屋顶的热水锅炉，冷水供回水温度为7℃/12℃，热水供回水温度为80℃/60℃。将来增设一台0.3MPa的蒸汽锅炉作空调系统加湿用；（2）考虑到通风柜的同时使用系数为0.5，本次三层改造所需冷量为1400kW，热量为450kW，加湿量为500kg/h。4排风系统4.1实验室排风简述（1）动态局部排风—通风柜排风：实验室内大量操作需要在通风柜内完成，为保证实验人员的安全，通风柜操作面的面风速须保持恒定，由于通风柜随视窗位置变化其排风量会变动，因此通风柜的排风量是变化的；通风柜的视窗有最大和最小开度，故对应的排风量也有最小值和最大值。在每一个通风柜顶部的排风管中，设计有通风柜专用变风量装置，可动态调节排风量来保证视窗面风速；（2）稳定的局部排风：实验室除通风柜外，还有烘箱、排风罩、溶剂柜等设备，这些设备的排风量是稳定不变的。在它们的排风支管上设定风量阀（CAV）以保证排风量的恒定。因单个设备的排风量很小，因此可将多台设备排风合成一个系统；（3）实验室全面排风：实验室有最小送风风量的要求，当多数通风柜在最小排风量或局部设备总排风量很小时，为满足房间负压要求，须有可动态调节的辅助全室排风，因此该房间除了设局部排风外，在吊顶上另设一辅助排风口，其支管上设变风量装置（VAV）。4.2实验室排风处理实验室内的排风被双风机空调系统的排风机排入静压小室，静压小室顶部设实验室专用高射程排风机，使气流以较高的速度被排放至高空大气中。典型单个实验室空调排风原理如图1所示。5风量平衡计算用Excel函数的表达方式来计算风量关系如下：SAmin=Max（SA1，SA2，SA3）（1）即SA1、SA2、SA3三者间最大值。SA3=EA1min+EA2＋FA（2）SAmax=MAX（SAmin，（EA1max＋EA2＋FA））（3）即“SAmin”和“EA1max＋EA2＋FA”两者间的最大值。EA3=IF（（SAmin-FA-EA1min-EA2）0，0，（SAmin-FA-EA1min-EA2））（4）即如果“（SAmin-FA-EA1min-EA2）0”，那么EA3=0，否则“EA3=（SAmin-FA-EA1min-EA2）”EA=Max（EA1max+EA2，EA3）（5）即“EA1max+EA2”和“EA3”两者间的较大的一个值。EA1=υ·F（6）式中EA1—通风柜的排风量，m3/h；EA1min—通风柜最小排风量，m3/h；EA1max—通风柜最大排风量，m3/h；EA1min+EA2—设备局部排风最小排风量，m3/h；EA1max+EA2—设备局部排风最大排风量，m3/h；FA—负压渗透风量（FA0），m3/h；图1空调排风系统原理图工程设计51No.5/2008总第123期第29卷制冷空调与电力机械RefrigerationAirConditioning&ElectricPowerMachinery溶剂柜万向排风罩万向排风罩实验台FH09FH01FH02FH03FH04FH03实验台实验台实验台EA2—诸如烘箱、万向排风罩、溶剂柜等的总排风量，m3/h；EA3—房间辅助最大排风量，m3/h；EA—房间总最大排风量，m3/h；SA1—处理室内负荷所需的送风量，m3/h；SA2—满足最小换气次数所需送风量，m3/h；SA3—通风柜最小排风量时维持室内压力所需送风量，m3/h；SAmin—房间设计最小送风量，m3/h；SAmax—房间设计最大送风量，m3/h；υ—通风柜面风速，m/s；F—通风柜操作口面积（有效通风面积），m2。应注意以下几点：（1）EA1min和EA1max可根据要求的面风速和通风柜操作口面积自行计算或由通风柜供应商提供；（2）EA2实验室家具供应商提供数值；（3）通风柜面风速υ，一般为80~120fpm[2]，本项目定为100fpm，即0.5m/s。面风速过低会导致有害气体外逸，面风速过高会导致通风柜内部形成紊流和涡流，也可能给有害气体外逸的机会；（4）最小换气次数可根据设施危险等级的定义来确定[1]，本项目中最小换气次数为6次/h。6典型变风量实验室房间计算实例房间平面图如图2所示。已知参数：室内设计温度：24℃，相对湿度：55％吊顶高度：2.7m，面积：63.5m2FH01型通风柜：EA1min＝355m3/h，EA1max＝1775m3/hFH02型通风柜：EA1min＝369m3/h，EA1max＝1834m3/hFH03型通风柜：EA1min＝213m3/h，EA1max＝1065m3/hFH04型通风柜：EA1min＝365m3/h，EA1max＝1826m3/hFH09型通风柜：EA1min＝369m3/h，EA1max＝1834m3/h万向排风罩EA2＝180m3/h溶剂柜EA2＝100m3/h计算可得：因此局部排风最小排风量EA1min+EA2＝2344m3/h局部排风最大排风量EA1max+EA2＝9859m3/h负压渗透风量FA＝－171m3/h（可根据缝隙法计算或换气次数估算）SA1=Q×3600/1.01/1.2/△T＝1662m3/h，其中Q—夏季室内总负荷为5.59kW；△T—送风温差，△T=10℃。SA2＝2.7×63.5×6＝1029（m3/h）SA3＝（EA1min＋EA2）＋FA＝2344－171＝2173（m3/h）SAmin＝Max（SA1，SA2，SA3）＝2173m3/hSAmax＝Max（SAmin，（EA1max＋EA2＋FA））＝9688m3/hEA3＝SAmin-FA-（EA1min＋EA2）＝2173+171-2344＝0EA＝Max（EA1max+EA2，EA3）＝9859m3/h房间最大换气次数ACH＝9688/2.7/63.5＝57次/h由此可见该实验室内有6个通风柜，其换气次数是相当大的。根据以上得到：1）EA1min和EA2max的范围，可以用来选择通风柜VAV装置；2）SAmin和SAmax的范围，可以用来选择送风VAV装置；3）EA2的数值，可以用来选择排风CAV装置；4）EA3，可以用来选择辅助排风VAV装置。7实验室室内参数及风机控制原理7.1温度控制（1）实验室控制器通过房间温度传感器来连续测量房间温度，通过送风温度传感器来连续测量房间送风温度，通过调节送风VAV或CAV再热盘管电动二通阀的开度，可将室温保持在设计温度范围内；（2）再热盘管电动二通阀已经处于关闭位置时，如房间的需冷量增加，控制器会通过增加房间的辅助排图2典型房间平面图工程设计52No.5/2008总第123期第29卷制冷空调与电力机械RefrigerationAirConditioning&ElectricPowerMachinery风量和送风量，增加供冷量，来维持房间温度以满足设计要求，并保持风量平衡；（3）如果房间需冷量连续减少，控制器会通过尽量减少房间的一般排风量和送风量，以减少冷量，节省能耗，直至达到房间最小换气次数时为止。在房间的换气次数处于最小值时，维持房间送风量保持不变，调节送风VAV或CAV再热盘管的再热量以达到房间温度设定点。7.2湿度控制（1）因本项目对实验室室内的湿度要求并不严格，因此根据调节AHU新风机组送风的露点温度来保证室内的湿度设定值；（2）CTR房间的湿度由恒温恒湿机组自带的控制器来控制。7.3压力控制（1）“采用送风量跟踪排风量”加“房间压力控制”联控方法；（2）实验室控制器可以连续累计所有的房间排风量，包括排风柜排风量、LEV定风量设备排风和房间辅助排风量等，作为总的室内排风量，也能通过一个安装在房间送风末端的风量传感器来连续测量房间送风量；（3）实验室控制器可以将房间送风量控制在一定的数值（介于SAmin和SAmax之间），以维持总的房间排风量和房间送风量之间的预定风量跟踪差（可调节）；（4）房间送风和排风按照跟踪差控制方式运行，房间压力传感器监控房间与外界的压力差，然后根据压力来调节送风和排风的设定差值，从而实现最安全的房间压力控制。7.4内有