凈化實驗室室內(nèi)環(huán)境控制改造設(shè)計分析本項目為中國科學(xué)院上海某研究所潔凈實驗室項目改造，改造區(qū)域在地面一層，建筑面積為６５９ｍ２。其中包括千級的凈化實驗室２間，百級凈化實驗室２間。特別是其中一間面積約１２ｍ２的使用曝光機的實驗室，既要滿足百級凈化的要求，又要求嚴(yán)格控制房間的溫濕度，溫度控制精度要求達(dá)到±０．１℃，是空調(diào)系統(tǒng)及自動控制設(shè)計的難點與重點，也是格外需要關(guān)注和研究的。

該百級并±０．１℃高精度溫度控制的實驗室根據(jù)空調(diào)設(shè)計所提的工藝要求［１-３］，建筑設(shè)計上周邊三面由隔離走廊包圍，另一面與另一間百級凈化室（±１℃溫度控制）相鄰。其建筑層高４．２ｍ，吊頂下緣高度３．０ｍ，整個潔凈室底部鋪設(shè)有架高０．６ｍ的防靜電地板，因此實際高度為２．４ｍ。其空調(diào)設(shè)計要求為：１）潔凈等級：１００級；２）溫度控制：２３±０．１℃；３）濕度控制：４５±３％；４）新風(fēng)風(fēng)量：≥４０ｍ３／ｈ為實現(xiàn)設(shè)計要求，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試過程中的關(guān)鍵點包括：１）降低外圍冷熱源的干擾；２）多級隔離的空調(diào)機組；３）有效的過濾和氣流形式；４）高精度的傳感器；５）快速響應(yīng)的控制器與末端設(shè)備。

１冷熱源和熱交換器１．１冷熱源整個改造區(qū)域的空調(diào)總冷負(fù)荷約為２５５ｋＷ，區(qū)域內(nèi)的百級、千級潔凈室及輔助房間由１臺的模塊化風(fēng)冷冷水機組，冷量為（６３×２）ｋＷ，提供全年制冷冷源；同時采用另１臺模塊化風(fēng)冷熱水熱泵機組提供夏季高峰冷量和冬季的熱量供應(yīng)，其冷量為（６１×３）ｋＷ，熱量為（６５×３）ｋＷ。

１．２板式熱交換器以往高精度溫濕度控制的實踐證明，不加隔離地直接從冷水機組接收冷凍水（１２℃／７℃），由于冷水機組，無論是風(fēng)冷式機組、螺桿式機組或其他形式的，都無法避免冷源的出水溫度或流量的突變對末端空調(diào)機組的精度控制所帶來的非常不利的影響，特別是對于±０．１℃高精度溫度控制要求的房間。

所以，在深化設(shè)計中采用了專用的板式熱交換器來控制水溫和流量的波動。項目中實際增設(shè)了１臺板式熱交換器，并配置板交專用水泵兩臺，一用一備，水泵與下述用于±０．１℃溫度控制的潔凈室獨立空調(diào)機組風(fēng)機聯(lián)動。布置如圖１所示，其運行參數(shù)如下：換熱量：額定值２１０ｋＷ；一次側(cè)：供水溫度７℃；回水溫度１２℃；二次側(cè)：供水溫度１６±０．３℃（出水溫度控制要求）；回水溫度１８℃。

在板式熱交換器的二次側(cè)出水位置設(shè)水溫傳感器，并在一次側(cè)冷水進水管上加裝高靈敏的電動調(diào)節(jié)水閥控制，二次側(cè)的出水溫度在設(shè)定值±０．３℃的誤差范圍內(nèi)，以減小由于冷水溫度的劇烈波動對后端空調(diào)機組高精度控制的干擾。

同時，除了冷水供應(yīng)時溫度波動的影響之外，后端空調(diào)機組的冷水水壓差也是一個重要的干擾源，不穩(wěn)定的水壓必然會對水溫控制帶來負(fù)面影響，從而波及到被控房間的溫度。因此，本項目在板式熱交換器的二次側(cè)的出水管和回水管之間裝設(shè)了一只電動二通閥，通過水閥的無級調(diào)節(jié)來穩(wěn)定二次側(cè)出水管和回水管之間的水壓差?；芈纷枇τ嬎愫同F(xiàn)場實際調(diào)試中，２ｋｇ／ｍ２設(shè)定值的穩(wěn)定效果較理想。

２多級空調(diào)機組的布置２．１新風(fēng)機組與***處理一般夏季空調(diào)系統(tǒng)處理后的室內(nèi)相對濕度在６０％￣７０％，本改造項目中的百級和千級潔凈室的設(shè)計濕度要求在４５±３％或４５±５％，***處理后需要達(dá)到露點溫度１０℃左右才能滿足下一步處理及高精度控制的工藝要求，通過簡單的表冷器***難以保證達(dá)到１０℃￣１５℃的送風(fēng)露點溫度的要求，勉強為之，表冷器表面會有結(jié)霜的風(fēng)險。

在深化設(shè)計當(dāng)中，在表冷器后端串入１臺轉(zhuǎn)輪式除濕機，處理新風(fēng)量為５５００ｍ３／ｈ，經(jīng)計算***量為３９．５ｋｇ／ｈ，通過新風(fēng)出口的露點傳感器調(diào)節(jié)***功率，實際運行可使表冷器和除濕機兩級處理后的新風(fēng)送風(fēng)露點溫度達(dá)到當(dāng)初設(shè)計的要求，露點溫度１０．５℃。在冬季室外空氣濕度較低時，新風(fēng)不需要轉(zhuǎn)輪處理，從節(jié)能角度考慮新風(fēng)設(shè)計成通過旁通風(fēng)門直接送到下級空調(diào)機組，整個夏季、過渡季及冬季的轉(zhuǎn)換均有ＢＡ系統(tǒng)的傳感器收集信息，并自動判斷及邏輯切換。

２．２±０．１℃精度潔凈室空調(diào)機組針對±０．１℃精度要求的百級潔凈室，獨立配置了１臺總風(fēng)量為１６０００ｍ３立式空調(diào)機組，分別在風(fēng)機的前后端加設(shè)初中效過濾段和亞高效過濾段，百級潔凈必需的高效過濾器設(shè)在潔凈室吊頂上方（具體介紹請見“３潔凈室氣流組織”章節(jié)）。

為實現(xiàn)±０．１℃精度要求的溫度和±３％精度要求的濕度控制，在深化設(shè)計中空調(diào)機組在風(fēng)機前端配置了冷水盤管、熱水盤管以及電加濕器，在風(fēng)機的后端即送風(fēng)管上配備用于溫度微調(diào)的２組電加熱絲，一組為１ｋＷ，另一組為９ｋＷ。這樣通過兩級溫度控制來實現(xiàn)±０．１℃精度的要求，具體控制方法如下。

２．２．１送風(fēng)溫度控制在空調(diào)機組內(nèi)的風(fēng)機出口處設(shè)置溫度傳感器（Ｔ２），在深化設(shè)計和現(xiàn)場控制中，設(shè)T２的設(shè)定溫度為２３－０．１＝２２．９℃，（２３℃為房間控制溫度中間值），通過前端冷水盤管和熱水盤管聯(lián)合調(diào)節(jié)控制。對于夏季工況：調(diào)節(jié)冷水盤管控制風(fēng)機出口處溫度（T２），使其基本在２２．９℃的設(shè)定范圍內(nèi)；對于冬季工況：當(dāng)風(fēng)機出口處溫度（T２）低于２２℃時，且冷水閥開度為０％，打開熱水閥調(diào)節(jié)控制；當(dāng)熱水閥開度為０％，且送風(fēng)溫度仍然高于設(shè)定值時，開啟冷水閥門。

２．２．２房間溫度控制房間溫度的微調(diào)的由送風(fēng)風(fēng)管的２組電加熱絲進行調(diào)節(jié)控制。通過房間溫度傳感器首先調(diào)節(jié)第１組電加熱絲（功率１ｋＷ），電加熱絲調(diào)節(jié)采取可控硅無級調(diào)節(jié)方式，保證了及時的響應(yīng)；當(dāng)?shù)冢苯M電加熱絲功率輸出大于等于８０％時，采用同樣的無級調(diào)節(jié)方式投入第２組電加熱絲（功率９ｋＷ），*終實現(xiàn)房間溫度保持在２３±０．１℃范圍內(nèi)。實際運行中，得益于合理的設(shè)計、分級的空調(diào)機組、干擾源的排除、有效的自控，整個運行季（夏＼冬＼過渡季），第２組電加熱絲較少投入使用。

２．２．３濕度控制通過安裝在潔凈室內(nèi)的濕度傳感器調(diào)節(jié)電加濕器，控制送風(fēng)濕度在４５％，實際運行可以保持房間濕度在４５±３％范圍內(nèi)。

３潔凈室氣流組織潔凈室建筑層高４．２ｍ，吊頂下緣高度３．０ｍ，整個潔凈室底部鋪設(shè)有架高０．６ｍ的防靜電地板，實際室內(nèi)高度為２．４ｍ。頂部設(shè)置送風(fēng)靜壓室，周邊設(shè)回風(fēng)管道。整個百級區(qū)域為上送底回的垂直層流氣流形式，深化設(shè)計中斷面風(fēng)速?。埃矗恚蟆?/p>

常規(guī)百級潔凈一般都會選用高效過濾空氣單元（ＦＦＵ）作為相當(dāng)末端的送風(fēng)設(shè)備，以保證層流的效果。但對于本項目中由于存在更嚴(yán)格的±０．１℃溫度精度控制要求，在末端使用ＦＦＵ反而會帶來問題。因為ＦＦＵ均采用直流或交流電氣驅(qū)動風(fēng)機均勻送風(fēng)的方式，并鋪滿整個潔凈室的頂部。經(jīng)計算１２ｍ２的地板面積，使用ＦＦＵ后總的驅(qū)動電機功率在３￣３．３ｋＷ，這些電機產(chǎn)生的散熱量會隨著送風(fēng)進入潔凈室內(nèi)，對室內(nèi)的負(fù)荷產(chǎn)生干擾，從而影響相當(dāng)末級的室溫精確控制。所以在深化設(shè)計中，取消了ＦＦＵ的原布置，采用送風(fēng)靜壓箱＋高效過濾器的自然送風(fēng)方式，讓在新風(fēng)機組、空調(diào)機組、風(fēng)管電加熱絲等三級處理的風(fēng)均勻從頂部經(jīng)高效過濾送入室內(nèi)，再有地板回風(fēng)經(jīng)兩側(cè)的回風(fēng)管道回出。由于取消了ＦＦＵ末端的機械送風(fēng)，為保證潔凈室內(nèi)的正壓，在空調(diào)自控設(shè)計中加入了壓差傳感器監(jiān)測室內(nèi)外靜壓差，通過調(diào)節(jié)潔凈室空調(diào)機組的風(fēng)機頻率來使得房間正壓達(dá)到設(shè)定值。

４自控設(shè)備的選擇４．１傳感器的精度一般空調(diào)系統(tǒng)中各式常規(guī)傳感器是能夠勝任的，但為實現(xiàn)±０．１℃，±３％ＲＨ的控制要求傳感器精度就顯得十分重要。精度范圍太寬泛，肯定不能滿足精確控制的需求；范圍過窄，超出了實際需求和供應(yīng)商的能力同樣也無必要。所以在深化設(shè)計中針對各個應(yīng)用地點，如風(fēng)管、房間和板式交換器等處，規(guī)定并按下面的精度范圍選取相應(yīng)的傳感器，見表１。４．２現(xiàn)場控制器的選擇有效的控制除了合理的系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)定，和確定合適的控制邏輯之外，可靠有效的現(xiàn)場控制器也是至關(guān)重要的?，F(xiàn)代電腦和控制器的計算速度完全能夠跟上計算的變化和作出相應(yīng)的邏輯指令。但現(xiàn)場控制器是否能及時和穩(wěn)定地掃描到外部信號的變化，卻不是所有常用的現(xiàn)場控制器能夠做到的。在深化設(shè)計中針對這種情況，選用了兩款現(xiàn)場控制器，分別滿足不同的應(yīng)用場合。

４．２．１非±0.1℃潔凈室的控制器在新風(fēng)處理機組和板式交換器的監(jiān)視信號的采集和控制指令的發(fā)出，采用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司高端的ＸＬ８００系列ＣＰＵ主機及其Ｉ／Ｏ擴展模塊，由于它的工業(yè)化設(shè)計，耐用可靠，完全能夠適應(yīng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)控制要求。在本項目中包括上述的新風(fēng)處理與板交外，其他冷源、熱源、非±０．１℃精度百級潔凈室、千級潔凈室、輔助用房等的空調(diào)設(shè)備監(jiān)控，均采用ＸＬ８００系列的控制單元實施。

４．２．２±0.1℃級用控制器對于本項目要求的±０．１℃精度要求的空調(diào)系統(tǒng)控制來講，任何一點瞬時的外圍環(huán)境變化，送風(fēng)量的波動，水系統(tǒng)進水溫度的變化，甚至風(fēng)機變頻的變化都會直接帶來負(fù)荷的變化。這就要求現(xiàn)場控制器必須能及時捕捉這些受控信號，特別是像溫度和濕度等模擬量的數(shù)值變化，并及時做出反應(yīng)。為此專門選用了Ｈｏｎ－ｅｙｗｅｌｌ公司工業(yè)級ＨＣ９００控制器來實現(xiàn)對瞬間外界變化的高速響應(yīng)，除了強大的運算和存儲能力外，它的快速數(shù)據(jù)更新的能力（邏輯量掃描更新：２７ｍｓ；邏輯量掃描更新：０．５ｓ）是收集溫度、濕度信號的快速變化并及時邏輯響應(yīng)，并*終實現(xiàn)±０．１℃控制的有力保障。

實際運行中ＨＣ９００控制器的工作效率和穩(wěn)定性完全滿足了深化設(shè)計的要求，有效實現(xiàn)了±０．１℃，±３％ＲＨ的控制。現(xiàn)場空調(diào)機組及被控區(qū)域的監(jiān)控信號畫面截圖如圖３所示。

５結(jié)語從本項目的深化設(shè)計、設(shè)定參數(shù)計算、控制方案的確認(rèn)以及現(xiàn)場調(diào)試的實施工程中。筆者有如下體會，以及經(jīng)驗的總結(jié)。

（1）分級設(shè)計新風(fēng)的處理和±０．１℃區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)能有效地減少室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境傳遞的影響；（2）采用板式熱交換器可以進一步穩(wěn)定冷凍水的供應(yīng)，使得冷水機組對空調(diào)系統(tǒng)調(diào)溫調(diào)濕的影響降到相當(dāng)?shù)?；?）常用的高效過濾空氣單元（ＦＦＵ）并不適合有±０．１℃要求的潔凈區(qū)域，使用自然垂直平流送風(fēng)的設(shè)計在符合百級凈化要求的同時有效地控制室內(nèi)溫度；（4）傳感器精度對于溫度濕度的控制至關(guān)重要，同時高速更新特別是模擬量的快速更新的控制器是*終完成±０．１℃自控控制的設(shè)備關(guān)鍵；（5）在受控區(qū)域空調(diào)機組水閥雖采用了高靈敏的電動調(diào)節(jié)水閥，但由于電動水閥本身的交流電機的散熱會不規(guī)律地傳入運行系統(tǒng)，在調(diào)控初期不免影響到控制的穩(wěn)定。建議以后的工程中盡量選取同樣快速響應(yīng)性能的氣動閥門。