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浅谈净化空调系统节能控制技术

2017/3/8 15:54:43      点击:
摘要:本文通过对洁净室的特点研究,提出采用变频技术;研究开发使用新型能耗低的高效过滤器;合理对回风的利用以达到洁净室能源的节约。
1. 研究意义
我国人均能源资源占有量约为世界平均值的1/2,且不及同期发达国家的20%,而我国能源消费量约占世界能源消费总量的10%,能源利用效率很低,万元GDP总能耗值约为世界平均值的3倍,是发达国家如日本的6倍。广东能源更显匮乏,人均拥有一次能源资源储量约为全国人均储量的1/20,一次能源消费量约90%需靠外调和进口,2003年广东万元产值能耗约是日本的4倍。近些年来依靠消耗大量的能源来支撑经济的增长,不仅使我国能源供需矛盾更加突出,环境保护压力加大,而且也制约着我国经济增长质量的进一步提高,影响着可持续发展战略的实施。因此,国家《节能法》规定“节能是国家发展经济的一项长远战略方针”,强调能源节约与能源开发并举,把能源节约放在首位。
据统计,近年来夏热冬暖地区夏季用电高峰期空调耗电已占该地区用电总量的30%~40%,2004年夏季用电高峰期广东空调用电量占总用电量的37%,致使供电负荷缺口增大,造成全天候用电紧张,一些城市不得不拉闸限电,对正常经济生活造成影响。电力是清洁能源也是用量最大的二次能源。因此,依靠技术创新,提高能源利用效率,切实实现空调节能尤其是节电,对经济持续发展不仅具有重大的社会意义,而且具有迫切的现实意义。 
1.1 洁净室的节能潜力巨大
随着科学技术的进步,经济的发展,洁净技术的应用越来越广泛。诺贝尔得奖者著名的科学家杨振宁在2001年中国科协学术会议年会上判断,未来的二三十年中①芯片的广泛应用、②医学与药物的高速发展、③生物工程这三个方面将成为科技发展的火车头,是未来科技发展的三大战略方向。如今,现代工业产品生产和现代化科学实验活动要求微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性,带来洁净技术也随着科学技术的发展和工业产品的日新月异而健康、高速地发展,并在三大战略外的食品、化妆品、军工等行业有更好的表现。然而,目前我国洁净技术总产值约占我国国民经济的0.15‰,而同时期日本的此比例为1.5‰;另一个数据是目前我国生产的集成电路数量仅是韩国的1/20。这就要求我国洁净技术生产规模在一定时期内要比目前提高10-20倍,为此我国在将来要建立更多的洁净室 。
洁净室是能量消耗大户,这是因为要保持洁净的生产环境所必需的空气洁净度等级、压差、温度、相对湿度要求;防止污染和交叉污染,洁净室内应根据产品生产过程的要求排除生产过程产生的粉尘、热量、有机溶剂等所需的全室或局部排风装置,与此同时需向洁净室送入相应的或必需的室外新鲜空气;根据不同的空气洁净度等级的要求需要有必须的换气次数/送风量。为进行正常的产品生产,洁净室内的生产工艺设备需按产品的特点供应电力、纯水、高纯化学品等,这些也需消耗大量的能源,伴随着电力等能量的消耗,在洁净室内生产的各种形式的发热量还需要进行冷却,有时这种需进行冷却的热负荷量是不可忽视的。
洁净室所需的净化空调系统的冷负荷与一般工业厂房或写字楼的一般空调系统的冷负荷相比,前者因空气洁净度等级和洁净室内生产工艺的要求不同,冷负荷大约为2093-6280KJ/(m2.h),而写字楼的一般空调系统冷负荷仅335-502KJ/(m2.h)。半导体集成电路制造或生物医药产品的主要生产工序都要求在洁净室内进行,为了保持所必须的空气洁净等级,需要将大量的空气通过高效过滤器过滤后送入洁净室内,写字楼的一般空调房间换气次数为10次/h以下,而大规模的集成电路生产所需的5级(100级)、4级(10级)、3级(1级)洁净室的换气次数可能达到百次,其送风量将会比前者大数十倍以至百倍以上,因此洁净室的净化空调系统及其制冷机的耗电量比其他类型建筑物的一般空调系统及其制冷机的耗电量大得多,据调查统计大规模集成电路制造工厂洁净厂房的净化空调系统及其制冷机的耗电量约占工厂总耗电量的50%左右;制药工厂洁净厂房的净化空调系统及其制冷机的耗电量约占工厂总耗电量的60%左右。
洁净室的能量消耗包括:洁净室中的生产设备用电、用热、用冷,净化空调系统的耗电、耗热和冷负荷,冷冻机组的耗电,排气装置的耗电、耗热,各种高纯物质的制取、输送耗电、耗热和冷负荷,公用设施的用电和照明用电等。洁净室的能量消耗是一般写字楼的10-30倍,据了解目前一个大规模集成电路生产用洁净厂房的电力负荷约数万千瓦。在各类能量消耗中除生产设备随产品品种、生产工艺不同而不同外,能量消耗总量中比例较大的是冷冻机的电耗,通常要占总量的15-30%,洁净室的净化空调系统的冷负荷是一般空调的5-15倍。
可以看出,洁净室的耗电量是很大的,若洁净室设计时精心设计,周密规划,节约能源、降低能耗是可能的,节能的潜在容量是不小的。随着科学技术的发展,工程设计技术水平的提高,各类净化空调和制冷设备技术性能的改进,使洁净室的能量消耗降低的可能成为现实。据有关调查分析表明,即使空气洁净度相同的洁净室,由于设计和设备配置的不同,能源消耗量可能相差50%以上。


2洁净室空调系统的特点
2.1 风量大
洁净室主要是通过空气量的循环来过滤空气中的尘埃、细菌等,实现对空气中非生物粒子和生物粒子的控制,达到洁净的标准。因此需要有足够的风量来保证室内的洁净度。洁净室的风量一般按照室内换气次数来计算,通常是10倍,甚至几十倍,尤其是单向流洁净室,换气次数达到房间体积的几百倍。
大风量对空气处理机组的强度是个考验,目前市面上常见的空气处理机组的都是采用铝合金框架结构、方钢结构的比较多,如果面板的厚度和框架的强度不够,容易造成空气处理机组变形,特别是医用空气处理机组,一般要采用正压设计,如果面板和框架固定不够,就有可能会出现面板飞出砸人的恐怖现象。所以洁净用空气处理机组首先要满足高强度的要求,目前市面上常见的面板厚度有30mm和50mm,也有一些厂家率先推出60mm的面板的高端机组,相信在洁净场合将得到广泛的应用。
2.2 风机的压头高
洁净室一般至少要采用初、中、高三级过滤器过滤,而这三级过滤器的阻力加起来就有700~800帕左右,洁净室一般也要采用集中送、回风的方式,以保证维持洁净室的正负压调节的要求,所以洁净室的管道阻力一般比普通空调的要多一倍以上。需要克服这些阻力,就要求空气处理机组的送风机有足够的压头,所以洁净室的空气处理机组的送风机组一般采用后弯机翼型的风机,或者是无窝壳的风机,才能达到足够高送回风压头。
在这种大风量,大压头的情况下,对机组的漏风率也是一种考验,洁净室用空气处理机组的漏风率越低,为客户节省的能源就越多,运行费用就越低。 
2.3 温湿度控制精度高
和普通舒适性空调的满足人员舒适的要求不同,洁净室的温湿度控制的精度是为了满足工艺要求,如在某些电子产品的制造中,对温湿度的控制要求非常严格,在医用和实验动物等方面,对温湿度的控制精度也有明确的要求。为了实现恒温恒湿,那么要求空气处理机组中至少要具备制冷、制热、加湿、除湿等功能段,而且需要精密控制的方式;如换热器要采用高效率的亲水翅片,并且水流量采用比例积分控制,加湿量也要采用比例积分或者是PID调节的方式,以便实现更高的控制精度。
2.4 正负压控制严格
无论是电子厂房还是隔离病房、制药厂、实验动物室等,为了防止粉尘、细菌扩散到其他的洁净区域,还是为了防止病毒细菌的扩散引起交叉感染,洁净房间的正负压控制非常重要,特别是在医用场合需要防止放射性尘埃、有害气体、臭气及细菌向外扩散,准确有效的控制正负压极其关键。实际工程应用中,工业洁净室和一般生物洁净室都是采用正压维持,但对于使用有毒、有害气体或使用易燃易爆溶剂以及其他有特殊要求的生物洁净室则采用负压控制。要想有准确的压差控制值,在洁净室空气处理机组要求要有较低的漏风率,才能有较高的控制精度。同时采用集中送回风的分流段将在空调箱中被广泛应用。
2.5 拥有良好的过滤系统
无论是满足工艺设计要求的工业洁净室,还是满足医用、制药、实验动物等的生物工程,共同的特点是要满足无尘,这将靠一套良好的空气过滤系统来完成。洁净技术对微生物、尘埃等的控制程度,主要取决于过滤器的性能。洁净室一般至少要经过三级过滤,空气处理机组配备初、中效过滤器,送风末端配高效过滤器。空气过滤器需要有良好的品质,一旦发生泄漏,就再也不可能达到洁净的可能。除了本身不能有任何的泄漏,过滤器在空调箱的密封也要引起注意。
2.6 采用变频技术
洁净空调系统大风量的特点带来了高能耗,各种节能技术在洁净空调系统中得到广泛的应用。其中变频技术在洁净空调系统中被广泛的选用。由于洁净空调一般至少要经过初效过滤器、中效过滤器(亚高效过滤器)、高效过滤器的过滤,而过滤器都是随着使用的时间越来越久,其阻力也越来越大,和普通空气处理机组的送风机是按过滤器的计算阻力来选型的不同,在洁净室中选用空气处理机组的送风机电机功率都是按过滤器的终阻力来选型的,在空调系统运行初期,风机的压力是绝对足够克服系统的阻力来满足使用要求的,这时候采用变频器,可以将风机的转速降低,减少功耗,起到良好的节能目的;随着系统的运行,过滤器的阻力越来越大,空调系统的风量将会减少,通过风管里风量或者是静压变化提供变化的数据给变频器,又变频器将风机的转速变大,就可以满足系统风量的要求,同时也可以对风机转速的调节,对房间的正负压保持有良好的调节作用。另外选用变频风机,也可以在洁净室不使用时,将机组的转速变低,送风机的风量减少,相当于值班风机的使用。
2.7 相当的稳定性和可靠性
现代工业的高度发展,使得工业产品拥有体积小、高价值的特点,如果洁净空调机出现故障,将带来数于千计的损失,特别是医用洁净室中,如果在手术或者是产房过程中,如果空调机组出现故障,将带来生命的安危,因此要求空调机组拥有相当的稳定性和可靠性,要求空气处理机组的每一个部件采购中应该采用拥有良好的品质管理的厂家的产品,如在机组内部应该选用有AMCA认证的高品质风机和高品质的电机,对过滤器的选用也要非常慎用,特别是高效过滤器,如果有一个小孔,就带来无数的细菌,后果是无法想像的。另外在空气处理机组的生产和检测也要严格按照国家的标准制造。
3国内外研究现状
近年来,我国夏季空调用电量急剧上升。在东南沿海地区,空调用电激增的趋势已引起电网供电紧张,各地纷纷拉闸限电或错峰用电。据统计,2003年全国有21个省市拉闸限电,2004年拉闸限电的省市已扩大到24个。电力紧张已成为制约我国社会经济发展的一大瓶颈。因此,抑制空调能耗增加,积极研发推广绿色节能型空调技术和设备,已成为建筑暖通空调领域一个迫切而热门的研究课题。然而,国内外大部分研究都集中在中央空调的研究上,而关于日益增长的洁净室空调系统的研究和文章较少。一般主要集中在以下几个方面:
(1) 采用变频技术,通过变频器,降低风机转速,从而减少能耗;
(2) 研究开发新型能耗低的高效过滤器; 
(3) 对回风的利用;