上海建筑设计研究院有限公司机电院李晓菲等：某激光实验装置净化空调系统设计

某激光实验装置净化空调系统设计

摘要  结合超强超短激光实验装置项目工程概况与项目背景，详细介绍了净化空调系统形式、空调负荷的计算、冷热源的选择、净化风量的计算与气流组织、新风量的确定及新风处理。阐述了该项目的空调自动控制系统，给出了实际运行效果及数据。

关键词 净化空调 气流组织 新风机组 自动控制

The Design of Clean Air-Conditioning for Superintense Ultrafast Laser Facility

Abstract: Incorporating the survey and background of project Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, this paper introduces system type of clean air-conditioning, HVAC system load calculation, choice of cooling and heating source, calculation of the purified air volume, how to determine air distribution type, fresh air volume and the process of fresh air handling. Discusses the auto-control of clean air-conditioning and reveals the actual operation data and effect.

Keyword: Clean air-conditioning, Air distribution, Fresh air unit, Auto-control

1 项目背景及工程概况

超强超短激光是人类已知的最亮光源，相当于把地球接收到的太阳总辐射聚焦到头发丝粗细的尺度。所谓“超强”，是激光脉冲峰值功率达到拍瓦级（ 10¹⁵W，千万亿瓦）；所谓“超短”，是脉冲宽度达到数十飞秒级（1飞秒=1千万亿分之一秒）。能量如此之高的激光，能在实验室里创造出类似于恒星内部、黑洞边缘的极端条件，在许多科技领域有重要价值。

本项目是国际上率先建成激光峰值功率达到10拍瓦的“上海超强超短激光实验装置”（Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, SULF）。该装置主要包括一套10拍瓦超强超短激光系统，同时具备高重复频率的1拍瓦级激光输出束线。本项目共六层，地上四层，地下二层，总建筑面积9150平方米。地下二层用户实验平台大厅建筑面积1100平方米，层高11.2米，吊顶高度6米。一层激光器大厅建筑面积1100平方米，层高10.9米，吊顶高度7.5米。三层以上为充电能库、常规元器件材料库房等辅助用房。如图1所示。
 

2.设计参数及负荷计算

2.1 室内设计参数

超强超短的激光在空气中穿过遇到细小的颗粒会引起散射，减弱光的强度，使得光不能聚焦为一个小点，而是变成一个光斑。因此，激光器大厅和地下室用户实验平台大厅中要求的洁净等级均为7级。而产生激光所使用的光学晶体对温度变化敏感，温度变化使得晶体的表面的曲率发生变化，进而影响激光的行走路线。空气中的湿气会腐蚀晶体表面，缩短设备的使用寿命。所以，室内温度和湿度同样是需要严格控制的。这些环境参数对科学试验的成败至关重要，洁净室具体要求见表1。

2.2空调负荷计算

激光器大厅、用户实验平台大厅为大空间实验室，分别位于地下二层、地下一层及一层、二层。底部设有浮筑楼板层，四周设置回风空腔，故围护结构负荷很小。实验区工艺设备较多，发热量较大，全年处于制冷工况。室内显热负荷主要由照明负荷 、人员负荷、围护结构、FFU风机发热、电再热盘管、工艺设备散热组成。同时需考虑工艺冷却循环水带走的热量及新风负荷，  最终确定室内负荷。显热负荷占比见图二。

经计算，激光器大厅、用户实验平台大厅、百级超净装配间、千级超级装配间、电源隔热间夏季总制冷负荷为447kW，冬季总制热负荷为165KW。激光器大厅、用户实验平台大厅的设备工艺冷却水负荷约为441KW。

 3 空调冷热源

风冷冷水机组整体性好，安装方便，运行可靠，可露天安装在室外，不占用有效建筑面积。冷水机组+冷却塔系统稳定性好，冷水机组COP高，但需要设置冷冻机房，屋顶需考虑冷却塔布置位置。由于该项目是独立单体，建筑面积较小，缺乏安装冷水机组的机房面积，故采用3台制冷量为350KW的自然冷却风冷冷水机组。考虑洁净室空调需要24小时连续运行，其中一台机组作为备用。洁净室采用干盘管+FFU的空调方式，为了确保吊顶内的干盘管无冷凝水产生，避免冷凝水泄漏损坏室内设备，采用温湿度独立控制系统，干盘管的冷水供水回水温度为14℃/19℃。

激光器大厅、用户实验平台大厅的设备工艺冷却水系统采用2台240KW的风冷冷水机组冷却，该机组的出水温度为14℃，回水温度为19℃。经过调研风冷冷水机组的多家厂商资料，风冷冷水机组不能直接制取设备工艺冷却水所要求的17℃供水温度，故配置2套板式热交换机组进行换热。

其他区域如超快化学与大分子物理用户终端实验室、光电检测操作间、走道、电梯厅前室等各个功能用房为舒适性空调区域，要求空调使用灵活，故采用热泵型变制冷剂流量多联系统。该系统节能、舒适、运行平稳，占用的建筑空间小，更能满足用户个性化的使用要求。

 
4 净化空调系统

4.1净化空调方式选择

洁净室一般采用净化空调箱或FFU（风机过滤单元）+DC（干表冷盘管）的净化空调方式，这两种方式各有优缺点，需根据工艺需求、机房情况等进行选择。洁净空调箱对室内的空气进行集中处理，处理后的空气经风管送入洁净室，该方式的优点是运转设备均在独立机房内，检修方便，室内噪声易控制，其缺点是空气输送路程较长，空气输送能耗较大，管道占用吊顶空间较大，需要一定面积的空调机房。而“FFU（风机过滤单元）+DC（干表冷盘管）”的方式将大量的FFU和DC（干表冷盘管）均匀安装在洁净室吊顶内，实现室内回风、室内送风，其优点是空气输送路程短，空气输送能耗较小，节省机房面积，缺点是有一定的噪声，设备检修不方便，干盘管有冷凝水泄漏的风险。鉴于本项目缺乏机房面积，采用“转轮除湿机+FFU（风机过滤单元）+DC（干表冷盘管）”的方式，FFU按中档风量选用并采用高效直流变速风机，节能的同时可控制室内噪音，干盘管设置冷凝水盘和冷凝水排放管路，以避免盘管结露产生的影响。

洁净区顶部均布FFU（风机过滤单元），处理后的一次风（新风与回风）在回风夹道中与循环风混合，经设置在吊顶上干式冷盘管处理后进入上部送风静压箱，经FFU加压、高效过滤后送入大厅内，回风经侧墙下部回风百叶风口（带初效过滤器），再至回风夹道。干盘管主要承担洁净室内显热负荷，洁净室内的洁净度由FFU保证^[4]。处理流程见图3。

4.2新风量的确定及新风处理过程

4.2.1新风量的确定

新风空调系统用于补偿洁净室排风量和维持洁净室正压所需的渗透风量，带走室内湿负荷，保证干盘管处于干工况运行，同时满足人员卫生需求^[3]。共设置两台双冷源新风除湿机组，风量分别为8000m³/h和7000m³/h，一台负责一层激光器大厅、百级超净装配间、千级超级装配间，一台负责用户实验平台大厅。

4.2.2新风处理过程

激光器大厅、用户实验平台大厅、百级超净装配间、千级超级装配间要求室内湿度严格控制在30%~40%之间，在室内温度22℃时，室内空气含湿量为6.56g/kg，露点温度为7.79℃，新风仅采用常规冷水机组进行冷冻除湿难以达到以上湿度要求，需要采用转轮除湿方式进行除湿。

冷冻除湿法具有除湿效率高、除湿量大、耗电量小的优点，但常温冷冻机组不能进行深度除湿，适用于空气露点温度较高的场合。转轮除湿法具有深度除湿、湿度调节精度高等优点，特别适宜于低温、低湿状态下应用，缺点是需要电热再生，耗电量大。采用冷冻除湿与转轮除湿二级联合除湿的方法可结合两种除湿方法的优点，减小室外新风湿度对室内的干扰，减小室内湿度的波动，同时提高冷冻除湿的机器露点和冷水机组的效率，降低了转轮除湿机组的除湿量，节省了再热量，实现了节能运行。

冷冻除湿与转轮除湿二级联合除湿系统由双冷源新风除湿机组和转轮除湿空调箱组成。双冷源新风除湿机组为带有预冷盘管的直膨式冷冻除湿机组，室外新风经过高温冷冻水（14℃）预冷盘管预冷后，经过低温蒸发器进一步降温除湿，在转轮除湿空调箱中与室内回风进行混合后，经过分子筛转轮深度除湿升温，再经过高温冷冻水（14℃）表冷盘管进行降温，最后送入洁净室回风空腔，实现了室内的湿度控制。新风处理流程如图4、5所示。在转轮除湿机组中设置电极加湿器，满足冬季室内加湿的要求。

  为了延长FFU中高效过滤器的使用寿命，新风除湿机组设置了粗中效纤维层过滤器和高效滤过滤器。双冷源新风除湿机组的冷凝器夏季排风温度在40~50℃，将冷凝器排风作为转轮除湿机组的再生空气可节约电加热量，该排风在进入转轮除湿机组再生段前，经过热管热回收器与再生出口排放的高温空气进行换热升温，进一步节约再生电加热量，减少再生空气的加热量约为50%。

4.3净化风量计算

根据GB50472-2008《电子工业洁净厂房设计规范》中对洁净室内送风量的要求，分别计算净化风量和负荷风量。一层激光器大厅及地下室用户实验平台大厅为7级（万级）净化要求，根据GB50472-2008规定，空气洁净度等级为7级，气流流型为非单向流，换气次数为15~25次/h^[1]，由于洁净室内发热量较大，故选择换气次数为25次/h。根据GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，工艺性空调的送风温差根据室温允许波动范围选取，故选择送风温差为2.5℃^[2]。一层5级（百级）装配间根据工艺要求，独立设置净化空调系统，面风速按0.20 m/s。一层6级（千级）装配间根据工艺要求，换气次数60次/时，独立设置净化空调系统。

 4.4气流组织

洁净区顶部均布FFU（风机过滤单元），送风口、回风口的送回风温度、位置、风速对室内的气流组织、室内的温度场、速度场影响很大，借助CFD三维气流组织数值计算仿真模拟技术，可以以直观的方式表示出各种不同风口位置尺寸和送风温度下的温度场和速度场，分析讨论其不同参数下的气流分布的规律、特点及其改进方向，寻求合适的气流组织形式以满足节能和工艺性的需要。本项目采用CFD软件来模拟温湿度和洁净度要求较高的激光器大厅和用户实验大厅的气温度场和速度场，温度场及速度场气流流型图如图6、7所示。
 

根据CFD模拟来确定FFU的台数、位置及送风风速，确定回风口的位置和数量，同时校核实验平台的气流速度。

5空调自动控制系统

5.1温度控制

采用干表冷盘管+电加热器相结合的系统控制室内的温度。在激光器大厅、用户实验大厅、百级装配间、千级装配间的四周墙体及中间的柱子上设置室内温度探头，实时采集室内温度与设定值进行比较。通过DDC控制干表冷盘管回水管上电动三通阀的开度，调节水流量，使洁净室的温度保持在控制范围内。另外配置电加热器安装在吊顶静压箱内，电加热器前后均设置温度探头，通过电加热器前的温度传感器控制电加热器的加热量，同时检测电加热器后的送风温度，以控制送风温度精度。

5.2湿度控制

采用双冷源新风除湿机组和转轮除湿机组控制室内的湿度。在激光器大厅、用户实验大厅、百级装配间、千级装配间的四周墙体及中间的柱子上设置室内湿度探头。双冷源新风除湿机组和转轮除湿机组自带控制系统，能在不同工况下，根据室内湿度调节除湿以及加湿量，满足洁净室湿度要求，并留有大楼BA控制接口。

5.3压差控制

《电子工业洁净厂房设计规范》中要求洁净室（区）与周围的空间应保持一定的静压差，目的是为了确保洁净室（区）的正常工作状态或空气平衡暂时受到破坏时，空气流只能从空气洁净度等级高的房间流向空气洁净度等级低的房间，使洁净室（区）内的空气洁净度不会受到污染空气的干扰。在激光器大厅、用户实验大厅内设置压差传感器，根据室内外的压差控制大厅内的排风机变频运行，同时风管上设置电动调节阀与风机联锁控制。百级装配间、千级装配间设有余压阀，自动调节室内外的压差。

6检测结果

经运行后检测，单点温度波动度±0.1℃/24h以内，整个大厅工作面二十多个温度监控点均匀度达到±0.2℃/24h以内，湿度波动度实现了±1%RH/24h的指标，洁净度也达到7级要求。温湿度波动检测如图8、9所示。

7结语

本项目目前已建成并投入使用，经检测各项指标均满足使用要求。激光器大厅和用户实验大厅是该项目最重要的两个科研区域，在高大空间内控制室内温湿度波动范围和保证洁净度要求，气流组织及其稳定性是关键，需要在换气次数较大的情况下，能够保证工作区具有均匀而较小的气流速度。在实际工程中还应综合考虑冷热源等整体的经济性和适用性，同时冷冻除湿与转轮除湿相结合的二级除湿方式等问题还值得继续研究与探讨。

参考文献

[1]中国电子工程设计院.电子工业洁净厂房设计规范：GB50472-2008[S].北京：中国计划出版社，2008：19-20

[2] 中国建筑科学研究院.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB50736-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：58

[3]中国电子工程设计院.净化厂房设计规范：GB50073-2013[S].北京：中国计划出版社，2013：19

[4]姚洪娥.某硅晶片生产厂房净化空调设计[J].暖通空调，2010，40（4）：22-25

作者：李晓菲，上海建筑设计研究院有限公司机电院机电一所

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