全解耦式净化空调系统及其应用

同济大学 刘燕敏

    【摘  要】 服务于受控的洁净区域的传统净化空调系统，由于系统自身的耦合性，难以适应受控区域内洁净空间不同的环境控制要求，以及不断更新的工艺。由于将传统的净化空调系统完全解耦，可以按工艺要求任意组合系统的组件能独立解决各自的环境控制要求与更新的工艺，而不影响到整个受控区域或邻近空间。

    【关键词】洁净受控区域  洁净空间  环境控制要求  系统耦合与解耦

Abstract:The traditional clean air conditioning system serviced by a controlled clean area, is because of the coupling of its system itself, it is difficult to adapt to the different environmental control requirements in controlled clean area, and updated process constantly. Due to decoupling of traditional clean air conditioning system completely, according to the technical requirements any combination of the components in the system can solve the environmental control requirements of a new process or updated process independently, and not affect the whole controlled area or adjacent space.          
Key words:controlled clean area  clean space  environmental control requirements  system coupling and decoupling

0 引言

    所谓洁净室是浮游颗粒数量受控的空间，是一个低污染的环境。这浮游颗粒物可以尘埃、微生物，气溶胶粒子和化学蒸气。洁净空间的布局，空间划分，系统设计等一般来说都是围绕着某一工艺过程开展的。常常用于电子、医药产品、生物实验室、医疗关键科室、医学实验室、中试平台或其他类型的科学研究等领域。
洁净室工程往往服务于高科技。所谓高科技产品就是知识密集、技术含量大、具有高附加值的创新产品，产品开发与更新速度已成为竞争的主要手段。为加快高科技产品的更新换代迫使着工艺不断更新，或使建造符合新工艺的洁净设施尽早运行，如何使为之配套的净化空调系统尽快地服务于新的工艺是一个值得探讨的问题。

1 传统洁净厂房及其控制系统

    近代的洁净厂房服务于电子芯片等工艺，厂房的中心层为大面积的洁净生产区域（或称工艺层）；区域内布置特定工艺区和中央走廊，关键工艺处设置高洁净度的产品走道和微环境设施。上层的巨大空间用于布置送风管网或整个用作送风静压箱；其下层准洁净区域（或称设施层）是用来安排从洁净区移出去的设备、工艺设施以及公用设施的集中管网；在设施层和工艺层之间设有回风空间；洁净区域周围设置竖井用于回风。由于工艺过程热负荷大大高于湿负荷（或热湿比线垂直），由独立新风处理系统，集中将新风直接处理到室内状态的露点（承担全部潜热负荷），然后进入循环风系统。在循环风的通道中设置干式冷盘管，处理室内显热负荷。洁净厂房这种成熟的热湿解耦的处理模式十分成熟，又可以方便地利用建筑空间作为风道，能够较为简单地、迅速地适应不断更新的工艺^[1] 。所不同的只是循环风系统的设计思路，对不同工艺有相应的循环风系统的解决方法。

    洁净室这种成熟的热湿解耦的处理技术不断地推广应用到医药、生物、实验室、甚至民用的领域。也出现了五花八门的新名词，产生了各种各样的专利，如温湿度分开处理、温湿度独立调节、温湿度独立控制等等。

    正是因为洁净空间除了像电子、制药等大型洁净厂房外，更多的受控环境如医疗关键科室、中试平台、临床GMP医学实验室等。受控区域被分隔成不同的洁净空间，空间较多、相对较小，辅助空间相对又低又小，难以布置机房与相应管线。各空间的温湿度、洁净度、压差控制要求又不同，造成热负荷与湿负荷之比也各不相同。为此，常常各自独立设置净化空调系统，有的甚至要求全新风全排风。根据不同环境控制要求，又采用了大量的不同类型的通风柜、排风式洁净工作台、生物安全柜等排风设备。而这些排风设备并非长期恒定工况运行，如工作状态的正常面风速排风量、待机状态的低面风速排风量或关闭状态。室内多台排风设备同时使用系数不一。尽管对通风空调系统配有自控，有的也采用热湿负荷解耦处理，但是各排风设备运行状态的变化难免会造成对所在的实验环境的控制参数（如温湿度、洁净度、内外压差、甚至区域内有序梯度压差）有所影响。可见，传统净化空调系统当工艺过程更新，各空间的温湿度、洁净度、内外压差等参数随之变化时，不可能在较短时间内调整或改造以相适应。

    这是因为服务于工艺过程的传统净化空调系统模式，不仅仅在热湿处理过程中，显热负荷和潜热负荷处理是耦合的，或者说在处理潜热负荷必然会影响到显热负荷。例如，系统的冷冻水不得不为了满足工艺过程的湿度处理要求而降低水温或加大水量，达到设计所要求的较低的机器露点温度。又为了满足工艺过程的温度控制要求，不得不再加热。

    其次传统净化空调保证洁净空间正压的新风量与保障工艺所需的新风量是耦合的。一般来说工艺所需的新风量最大、保证洁净空间正压的新风量稍次，而保障室内人员卫生的新风量最低。洁净空间有时为了满足工艺要求或正压控制需求而加大了新风量，或者为了满足保证工艺要求的新风量而不得不加大了排风量以维持所需正压。或当室内有工艺过程的持续排风，或室内设置通风柜、生物安全柜等间歇局部排风、或变风量排风，又不得不变化新风供给量满足室内正压控制要求。特别是对整个工艺区域的有序梯度压差，更是牵一发而动全身，任一空间的送风量、回风量或排风量的变化，都会影响到整个区域的压差分布。

    另外，传统净化空调系统达到洁净度级别要求所需风量与消除热湿负荷风量是耦合的。对于低洁净度级别的空间，消除室内热湿负荷的风量可能会大于达到洁净度级别的风量。一般来说，达到洁净度级别要求所需风量总是大于消除热湿负荷风量，而且洁净度级别越高的系统两者风量相差越大。净化空调系统设计者只能取两者风量中较大者作为设计风量，为了满足净化所需风量不得不减少了送风温差，以满足消除热湿负荷。或者说不同洁净度级别房间的送风状态点不同，难以将区域内不同洁净度级别的房间组合在一个系统。如果采用一个集中式净化空调系统，洁净空间一般又不能采用变风量措施，只能在送风末端设置再加热，以动态控制送风状态点的变化。如果设置独立分散式净化空调系统，相应的空调箱与送风、回风、排风、与新风管也难以在辅助空间内安排。即使能够实现，当工艺更新，或运行工况变化，设施系统根本无法及时更新、改造，使新的工艺尽快投入运行。

2 解耦式空调系统在不同领域的洁净空间的应用与发展

    要适应受控区域内多空间、不同环境控制要求、解决不同的热湿负荷与颗粒负荷（尘埃、微生物等），唯一的有效措施试图将传统的净化空调系统解耦。

    我们在2000年期间试图为解决洁净手术部内多间不同级别、不同运行状况手术室的环境控制以及整个手术部控制区域的有序梯度压差控制提出了新的控制思路与措施。提出了系统层面上湿度优先控制，将热、湿负荷处理解耦；为保障在任一手术室不同运行工况转换时区域内有序梯度压差不变，将正压控制新风量与运行状态新风量解耦；为保证独立深度处理的同一新风状态点适应不同级别的手术室，将实现不同级别的风量作为循环风量解耦出去（原理见图1）。大大简化了系统控制、有效地实现手术部内各洁净空间的环境控制[2]，并在大量的工程实践中得到了证实。该方法被国家标准“医院洁净手术部建筑技术规范”，GB50333-2002所采纳。

    2003年SARS疫情期间，按烈性空气传染的隔离病房的要求，须采用全新风全排风的直流空调系统，室内换气不小于12次，排风须高效过滤器除菌后排出，室内维持负压（见表1中传统方案）。为保证在一周内改造完成上海第一间SRAS隔离病房，我们的改造方案是将一个集中式全新风直流系统，解耦为新风机组、自循环机组和排风机组。这样将隔离病房的保证卫生新风量与满足室内换气风量解耦，将排风量与实现室内负压风量解耦；将消除热湿负荷与满足室内换气风量解耦；完美地完成SARS隔离病房改造任务。这两种方案比较见表1。在这基础上开发了多用途隔离病房和无凝水空调技术^[3] ，完成了上海传染病医院SRAS病区的改建工程。利用系统解耦技术实现了非疫情期间，将烈性空气传染隔离病房按需转换成接触传染隔离病房、正压普通病房（见表2）。为此获得了2004年上海市科技进步奖三等奖。

    继而我们又将解耦的思路用在实验动物房的环境控制，同样用新风机组、排风机组和自循环机组简易而有效地解耦控制，在同一个集中式净化空调系统中实现了实验动物房不同房间、不同控制要求以及5种不同运行工况的转换。这5种不同运行工况分别为上班运行工况、下班运行工况、自净运行工况、备用运行工况和紧急运行工况^[4] 。利用系统解耦，可以较为方便地开发新的控制系统，也有利于降低运行能耗[5]。

3 全解耦式净化空调系统的提出及其应用

    基于以上成熟的系统部分解耦技术，并得到大量工程实践的证实。但是以上系统在洁净空间内还缺少间歇运行或变风量运行的局部排风设备，如通风柜、排风式洁净工作台、生物安全柜等，也会影响所在空间的温湿度、洁净度乃至压差的控制。本文提出了一种全解耦的净化空调系统。有效地实现洁净区域内不同洁净空间的不同环境参数（如温湿度、洁净度、内外压差）的控制要求，保证在任何运行工况下维持环境参数（如温湿度、洁净度、内外压差）稳定，不需要复杂的自控系统（已经申请发明专利）。

    全解耦的净化空调系统主要是由专用新风处理机组1、独立排风机组2、高效送风口3、插管式排风静压箱4、室内自循环净化机组5、定风量控制装置6、局部排风装置7、回风口或排风口8组成（见图3）。

    全解耦的净化空调系统中的专用新风处理机组1对新风进行深度处理、消除全部潜热负荷，并经粗效、中效和亚高效三级空气过滤，消除尘埃或微生物颗粒负荷。由定风量控制装置6提供恒定送风量经由高效送风口3送入每个受控的空间，以消除室内潜热负荷与保持室内压力控制。当工艺要求的新风量大于正压控制新风量时，空间内需要考虑相应的排风。或考虑工艺要求的排风量，而增大新风供给量以维持该空间的正压。这样空间所维持的正压只与新风量与排风量有关，与传统净化空调的送风量与回风量无关，或者说在系统上解耦了。如要维持某空间的负压，则按此原理，根据差值风量要求调节新风量与排风量。当然，可以根据控制要求新风量与排风量间设连锁，保证运行程序。

    由于在室内设置自循环净化机组5，室内自循环风量与空间所维持的正压（或负压）无关，或者说在系统上解耦了。自循环净化机组由高效过滤器、显热处理装置和风机组成，所提供的风量与达到室内所需空气洁净度级别，以及消除室内显热负荷相关。根据显热负荷特性与控制要求，自循环净化机组内设置再加热器或干冷盘管，或不设置。

    图3表示的是受控洁净区域中常见的洁净空间的控制类型，全解耦式的净化空调系统可以独立解决各自的环境控制，而不影响到整个受控区域或邻近空间。

    图3中左边的空间是最常见的洁净空间，室内新风量按工艺要求设置，排风量根据室内正压值要求的差值风量与新风量确定。自循环净化机组的风量以及内置的显热处理装置取决于室内洁净度级别（或无菌程度）与显热特点。

    图3中间的空间，是室内有局部排风设备7（如通风柜、排风式洁净工作台或生物安全柜）的受控空间，为使间歇运行或变风量运行的局部排风设备不影响室内压差控制，安装了插管式排风静压箱4，将排风设备7的排风管插入插管式排风静压箱，禁止采用法兰等硬连接。独立排风机组2将由定风量控制装置6控制的恒定排风量直接排出室外。不管局部排风设备间歇运行或变风量运行，室内的排风量始终维持恒定，或者说从系统上解耦了。室内新风量按所在空间正压（或负压）控制的差值风量确定。如消除室内显热负荷需要，可在新风口设置再加热器。

    图3右边的空间，是要求在室内形成局部高洁净度的层流区域，以保障关键工艺过程的控制需求。这可以自循环净化机组，也可以是风机过滤器单元（FFU），根据局部洁净度级别要求与控制面积来确定室内风机过滤器单元的台数。通过专用回风道与送风静压箱形成自循环通道，实现局部层流区域。避免了传统净化空调系统因十分状态点差异太大无法同时供给乱流与层流洁净空间。

    正是由于整个净化空调系统全解耦，在一个洁净受控区域内，不管各洁净空间工艺要求的控制参数不同、或热湿负荷与颗粒（尘埃或微生物）负荷不同，或者工艺要求更新等，只要调整所在洁净空间的新风量、排风量与自循环风量及其设置就能尽快达到工艺要求、不需要涉及整个净化空调系统。由于整个受控区域只有集中式新风送风管，风管截面很小，也无回风管，对辅助空间要求不高。即使局部新风送风管要改造或送风量要调整也十分方便。

4 结论

    除大型洁净厂房外，更多的受控环境如医疗关键科室、中试平台、临床GMP医学实验室等。洁净受控区域被分隔成不同洁净空间，空间较多、相对较小，辅助空间相对又低又小，难以布置机房与相应管线。各空间的温湿度、洁净度、压差控制要求又不同，造成热负荷与湿负荷之比也各不相同。传统的净化空调系统由于系统自身的耦合性，难以适应受控区域内洁净空间不同的环境控制要求，以及不断更新的工艺。本文提出将传统的净化空调系统完全解耦，而不仅仅将热湿负荷处理解耦，还将工艺需求的新风量与正压（负压）控制新风量解耦，满足净化要求的送风量与消除热湿负荷的送风量解耦，只要有机地组合系统的各个组件，就能独立解决各自的环境控制要求，就能满足工艺过程以及不断更新的工艺要求，而不会影响到整个受控区域或邻近空间。

    也许从全寿命周期来说，全解耦式的净化空调系统的造价或运行能耗并非十分完美。不同于普通舒适性空调，对于工艺性空调来说，满足工艺过程要求以及可适应工艺不断更新，能尽快投入运行才是最大的效益，才能保持高科技产品的竞争优势，只有掌握这一关键因素才能使高科技产品进入良性的发展。这正是全解耦式的净化空调系统的优越性所在。

参考文献

    [1] 沈晋明，洁净厂房的送风模式[J].洁净与空调技术，2001（4）：2-7.
    [2] 沈晋明,孙光前,洁净手术部空调系统与正压控制[J].洁净与空调技术,2000(4):9-13.
    [3] 沈晋明. 多用途隔离病房和无凝水空调技术[J]. 建筑热能通风空调, 2005, 24 (3):22-26.
    [4] 何婧,沈晋明,汪亚兵,实验动物房环境特点与空调设计[J].洁净与空调技术,2003(1):32-37.
    [5] 吴美玲,刘燕敏, 开放式笼具系统与独立通风笼具（IVC）系统的空调能耗分析[J].空调暖通技术, 2014 (4) :17-22

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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