14楼
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
Str a tifi e d a ir c o n diti o ni n g s ys t e m d e s i g n f or
a l a r g e s p a c e c l e a n w orks h o p
By FengBaoyue ★, Chen Zhiyue , Hao Jun andMan Xiaoxin
Abs t r a c t Ana l ys e s t he dus t emi s s i on a nd t he a i r di s t r i but i on i n l a r g e s p a c e c l e a n
wo r ks hop s. By a n e xamp l e p r oj e c t , p r e s e n t s d e s i gn of t he c l e a n s t r a t i f i e d a i r c ondi t i oni ng
s ys t em. Indi c a t e s t ha t t he s ys t em no t onl y c a n ma ke t he c l e a nl i ne s s r e a c hi ng c l a s s 10000 , but
a l s o c a n s a ve t he f i r s t i nve s tme n t a nd op e r a t i on c os t s .
Ke ywo r ds l a r g e s p a c e c l e a n wo r ks hop , s t r a t i f i e d a i r c ondi t i oni ng s ys t em , d e s i gn
★ Centre for Engineering Design and Res earch under the General Equipment Department , PLA , China
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
很大的比例。按照文献[ 1 ]所提供的数据,人静止
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8 m2 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6 m2 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
·44 · 设计参考 2001 年第31 卷第2 期
☆ 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
稿件修回日期:1999 - 06 - 30
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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72 m、宽24 m、高22 m) ,
要求14 m 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 。
图1 洁净厂房剖面图
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
的方式来保证洁净工作区(14 m 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. 25
m 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14 m 以上非洁净工作区的空气
从洁净度和温湿度上不形成死区,减少顶棚室外
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
14 m 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
14 m 以下的洁净空调区采用了15 h - 1的换气次
数,对上部非洁净区域采用小于4 h - 1 的换气次
数,实际上整个厂房的平均换气次数为10. 5 h - 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v0 = 2 m/ s ,末端速度
v = 0. 2 m/ 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
射程x/ m 2 4 6 8 10 12
相对射程x/ ds 1. 845 3. 690 5. 540 7. 380 9. 230 11. 070
相对速度v x/ v0 0. 630 0. 315 0. 210 0. 158 0. 126 0. 105
轴心速度v x/ m/ s 1. 260 0. 630 0. 420 0. 350 0. 252 0. 210
注: ds 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/ ds = 15 ,能够满足
对侧送气流12 m 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[3 ]
下,按照公式n = B H/ ( ax / x-
) 2 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
百叶风口,当Δt x = 0. 15 ℃时,共需要外形尺寸为
暖通空调HV&AC 设计参考·45 ·
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3 400 mm ×700 mm 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 + H0 + Ha
式中H 为最顶部送风口的高度,m ; H0 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; Ha 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. 3 m。
经过计算,本工程的三排送风口的高度依次确
定为15. 0 m ,9. 5 m 和5. 0 m 。
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No = 106 粒/ L ,根据14 m 以下工作区的15
h - 1换气次数和室内单位容积发尘量G = 2 ×104
粒/ (m3·min) ,求得正常情况下开机自净时间为50
min。
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. 3 m/ s ,两股
对吹气流搭接处(即射流末端) 风速为0. 20～0. 25
m/ s。洁净工作区的换气次数保证在14 h - 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52 dB ,离开回风口
1 m 以外地区均在50 dB 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≤4 h - 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.
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