淺談冬季工廠潔凈車間空調制冷與周邊環境采暖能源利用的具體

摘要:無塵車間，也叫潔凈廠房、潔凈室(Clean Room）、無塵室，一般存在于電子廠、醫藥廠、食品廠等潔凈度要求高的工廠范圍內，它是將一定空間范圍內空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除，并將室內溫度、潔凈度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內，而所給予特別設計的房間。亦即是不論外在空氣條件如何變化，其室內也能具有維持原先所設定要求的潔凈度、溫濕度及壓力等性能的特性。所以，在冬季，多數無塵車間也存在制冷需求，而工廠周邊普通區域，特別是北方地區均要求采暖，由此造成能源浪費。本文通過實際案例，探討冬季工廠潔凈車間空調制冷與周邊環境采暖能源利用的可行性解決方案。 
　　關鍵詞:潔凈車間 采暖 能源利用 探討 
　　

　　采暖――又稱供暖，是指向建筑物供給熱量，保持室內一定溫度。 
　　空氣調節――實現對某一個房間或空間內的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等進行調節與控制。潔凈室為空氣調節中一個很典型的例子。 
　　從國家2003年正式實施《室內空氣質量標準》以后，室內溫度已經成為室內空氣質量的一個重要組成部分。標準中明確規定夏季空調房間室內溫度的標準值為22℃～28℃，冬季采暖時室內溫度的標準值為16℃～24℃。達到這個標準的室內溫度就是舒適的室內溫度。在北方，冬季室溫低于16℃的區域，為了達到舒適室內溫度均需要采暖。所以，在北方的工廠中就大量存在著這樣的現象：冬季，潔凈車間需要制冷，而周邊環境區域需要采暖，從而形成奇怪的能量消耗問題。下面就實際廠房改造工程中碰到的潔凈室需要制冷，周邊環境需要采暖的問題進行探討。 
　　一、冬季還需進行空調制冷的原因 
　　工廠潔凈室的冷負荷主要組成部分有：建筑維護結構的冷負荷（包括內維護結構冷負荷和外圍護結構冷負荷），人體散熱形成的冷負荷，設備散熱形成的冷負荷，燈光照明散熱形成的冷負荷，新風負荷。而工廠潔凈車間設備冷負荷、新風負荷和人員冷負荷占據大部分比例，當設備冷負荷和人員冷負荷遠大于建筑維護結構熱負荷和新風熱負荷時，此時就要求在冬季進行空調制冷。因此，這成為冬季還需制冷的根本原因。由于有些潔凈室在冬季還需進行空調制冷，來調節室內溫度以滿足生產環境的要求，加之周邊區域非潔凈區域的范圍在冬季較冷的地區需要進行采暖以達到滿足室內舒適環境，因此就會帶來浪費能源，消耗大量費用的問題。下面，本文針對此問題提出一些個人淺薄的探討意見。 
　　二、原設計方案簡介 
　　某地工廠項目為北京市某電子廠的廠房改造工程，潔凈車間總面積為12530平方米，周邊采暖面積為6212平方米，依據《北京市供熱管理辦法(草案)》，草案將目前冬季供暖室內溫度由16℃提高至18℃。因此對該工廠周邊采暖面積設置溫度至少為18度。該工廠原設計為潔凈車間和周邊區域夏天共用一套空調制冷設備，潔凈區域采用組合式空調機組全空氣系統，周邊區域采用風機盤管系統對區域內進行空氣調節。冬季的時候周邊區域單獨采用市政的采暖，潔凈區域采用原本的制冷系統。 
　　根據設計要求，北京市的氣象參數：北緯39°48’,東經116°28’,年平均溫度11.4°C,冬季采暖室外計算干球溫度為-9°C，夏季空氣條件室外計算干球溫度為33.2°C，根據原設計查得該工廠冬季周邊區域采暖平均負荷為82W每平米，固需要總的采暖負荷為：Q1=6212X82=509384W約等于510KW，潔凈車間區域的冬季制冷平均冷負荷為208w每平米，固需要總的制冷負荷為Q2=12530x208=2606240W約等于2606kw（740冷噸），按照原本的設計要求，冬天需要消耗的能量為周邊區域采暖熱量Q1+潔凈車間冷負荷Q2，原設計采用的是1000冷噸的離心機，運行功率為623KW,按照無極調節的能力算，制冷總用電:Q3=623x740/1000=461.02kw，按照工業用電標準收費每度電是1元，固冬季制冷每小時總費用為：M1=461.02x1=461元,每天運行16小時算，根據北京采暖常規時間為當年的11月15日，到隔年的3月15日，共計4個月120天計，冬季制冷需要花費費用為M冷=461 X120X16=885120元；冬季采暖費用，根據北京市規定天然氣采暖為每平米30元，固總費用為M暖=30X6212=186360，這樣看來該工廠冬季空調總的能量消耗費用為M冷+M暖=885120+186360=1071480元，我們取個整數方便計算，為110萬元。 
　　三、原設計優化方案 
　　1.針對原設計，我們大膽提出如下改造方案： 
　　1.1去除原設計由市政提供采暖的冬季采暖方案，改為自己生產采暖暖源。 
　　1.2增加一套冷熱回收機組，用于替換冬季原本的制冷系統。 
　　1.3增加空氣處理機組的新風量，用于降低原潔凈車間制冷所需的冷負荷消耗。優化后的設計示意圖如下（圖3）： 
　　1.4增加一套熱泵熱水機組，用于補充采暖所需。
　　空氣源熱泵熱水機組 
　　全熱回收機組及空氣源熱泵熱水機組能量轉移示意圖　　 
　　2.根據大方向具體優化設計如下： 
　　為了首先保證滿足潔凈室制冷的需要，固制冷冷負荷必須跟原本一樣為2606kw，以此保證不影響工廠生產環境，冷熱回收機組既提供冷源又提供熱源，所以，冷熱回收機組制冷量+新風負荷必須要滿足總制冷負荷，采暖總負荷不變，跟原本一樣為Q1=510KW。詳細計算如下：潔凈車間溫度保持25±1°C，相對濕度55%±10%，HR=53.5KJ/KG（該狀態點以R表示）原總送風量Q送=587000M3/H,原新風比為8%，即新風量為Q新=587000X8%=49600 M3/H,由于溫度要控制在正負1度內，根據規范要求送風溫度為6-10度，由于冷負荷已定，送風量已定，根據負荷公式 q(w)=0.33xQx△h (Q為送風量，△h為計算焓差)（公式1） 
　　我們可計算得出△h=13.5KJ/KG,由于室內狀態焓值為HR=53.5KJ/KG，固我們得出送風狀態點的焓值為H送=40KJ/KG,因此我們根據規范要求，和便于設備溫度控制，我們取機器露點為溫度控制點，考慮到風機溫升1度，所以最終得出為送風狀態點S送，S送的送風溫度為15.5°C（滿足規范要求的送風溫差的范圍內），根據焓值和送風溫度，查焓濕圖，得送風狀態點相對濕度為90%。北京冬季室外計算溫度為-9°C，相對濕度95%，由于擔心北京市室外新風溫度太低凍壞制冷盤管，固新風需要預熱到5°C，預熱到5°C屬于一個等濕加熱過程，因此空氣含濕量不變，根據焓濕圖查得5°C時候的狀態點（以O1表示）為：5°C時，相對濕度31%，H01=9.5KJ/KG,用直線在焓濕圖上連接R和O1點，在送風狀態點S送的等焓線上找到與R,O1的交點M（見圖4），M點為我們人為干預需要滿足的混風狀態點，從焓濕圖我們可查處M點的狀態值為:19°C,相對濕度58%，HM=41.5KJ/KG。　 
　　根據負荷公式： 
　　q(w)=0.33xQx△h (Q為送風量，△h為計算焓差)（公式1） 
　　及能量守恒定律我們可知，新風消耗的全熱負荷與回風消耗的全冷負荷是相等的，因此我們得出q新=q回：0.33×Q新(HM-H01)= 0.33XQ回(HR-HM),得出 
　　Q新/Q回=3/8，因此我們從計算得出新的新風比為3/11，由此得出新風量 
　　Q新＝Q送×新風比=587000X3/11=160090 M3/H。根據熱負荷計算公式 
　　q(w)=0.33xQx△Ｔ (Q為送風量，△Ｔ為計算溫差)（公式２） 
　　我們得出把新風預熱到５度的熱量為：q＝0.33×160090×14=739620w（此過程為等濕加熱過程）,為了便于計算我們取整為740KW。根據公式1我們得出新風承擔的全冷負荷為q冷=1690560w,為了便于計算取整為1690KW。前面我們可知，總需要的制冷量為2606KW,為了滿足潔凈車間的需要，我們需要再用冷凍機提供2606-1690=916KW的冷量，即機組的總制冷負荷為Q冷要滿足916KW的制冷量,制冷量為Q熱=740+510=1250KW,根據Q冷和Q熱這兩者的條件，以Q冷為主要控制點，選取某品牌機組冷熱回收制冷量為996KW，熱回收量為1080KW,輸入功率為117KW,的全熱回收機組，由于全熱回收機組在制冷工況優先的情況下，滿負荷運轉的回收熱量滿足不了采暖和再熱的需求，這期間的差額熱量為1250-1080=170KW,根據差額選取某品牌的熱泵熱水機組，此機組具體參數為制熱量Q=180KW，輸入功率為50KW。 
　　３.改造后與原設計運轉的比較 
　　當冬季來的時候，我們開啟全熱回收機組，全熱回收機組滿負荷運轉，此時全熱回收機組把制冷端的冷凍水通過水泵送至AHU處，另一端的熱回收器又將制熱的熱水送至水箱，當采暖負荷大于全熱回收機組產出的熱水熱量時，此時的空氣源熱泵熱水機組就會啟動，用于補充全熱回收機組產熱不足的狀況，以此來穩定平衡全廠的冷暖需求。通過實際運轉測試，完全滿足此工廠的制冷及采暖要求。優化后的方案，單測試主機運行費用為（117+50）X1=167元/時，按照上述原制冷的主機運轉時間和采暖周期計算，冬季年運行費用為： 
　　M改=167X16X120=320640元，固改造后每年單主機節約的費用為M暖+M冷-M改=1071480-320640=750840元，為方便計算我們取整為75萬元整。由此節省的經濟費用是相當可觀的。 
　　四、改造投入費用 
　　改造投入費用主要有：冷熱回收設備的采購（約85萬），板式換熱器采購（約4萬），空氣源熱泵熱水機組（約32萬元），水泵（約4萬元），設備管道安裝（約5萬元），管材費用（約3萬元），總計改造成本為M改=85+32+4+4+3=128萬元。比較上述年回收的資金，兩年內就可回收初期投資成本。 
　　五、結語 
　　對于此項目的改造，僅從每年運行費用方面就能得到大量的節省，更不說談及更深層次的環境問題，因此對于能源重新分配利用使其達到較為合理的配置是一個非常重要的問題。對于日后的眾多項目的設計應綜合考慮當地環境與運行的成本的矛盾關系，使其達到最低的能源消耗，避免能源浪費，這對于暖通空調的節能改造問題有深刻的意義，這也是我們今后努力完善設計方面指導的重要思想之一。