基于系统动态平衡的洁净室空调水优化设计
摘要
关键词
洁净室;动态平衡;建筑设计;优化
正文
引言:在洁净室的设计和建设中,空调水系统的优化设计是一个重要问题,如何能够在保证系统稳定运行的同时降低能耗成为洁净室设计中面临的主要挑战。传统的洁净室空调水系统的设计方法是在保证系统稳定运行的前提下,尽可能地降低空调水系统中各个部件的参数,以满足用户对空气品质的要求。但这种设计方法对于空调水系统的动态特性考虑得较少,且采用固定参数进行优化,无法根据用户对空气品质的要求变化而随时调整其参数,导致系统能耗过高。本
一、洁净室空调系统概述
1.1 洁净室空调系统组成
冷源是指将室内空气加热,然后通过换热设备传递给冷水机组,以产生温度较低的冷量;冷热源转换装置是将冷源的冷量进行转换,使之能适应洁净室的需要;空调风系统包括冷(热)水回路和新风机组;空调水系统由冷水机组、冷热水管、过滤器、空调器及相关阀门组成。洁净室空调系统中冷源、冷热源转换装置与空调水系统的作用类似,但在其设计过程中,不能简单地将各部分设备按照其在洁净室空调系统中的作用进行简单地分配,而应充分考虑各个设备之间的相互关系。
1.2 空调系统的工作原理
空调系统的工作原理是通过设置在洁净室新风系统的送风机和排风机,将室内新风和排风进行混合处理,将室内空气的温度、湿度和有害气体浓度等参数调节到洁净室所需要的水平,保证洁净室在运行过程中保持较高的洁净度。净化空调系统具有明显的季节性,夏季空调机组冷却除湿后将室内湿热空气排出室外;冬季空调机组制冷后,将室内湿热空气排至室外。通常情况下,空调系统的制冷采用一次泵、一次风机和二次泵的循环方式,而制热则采用二次泵和二次风机的循环方式。
二、系统动态平衡理论
2.1 系统动态平衡的概念
系统动态平衡是指空调水系统在运行过程中,通过对水系统的调节,使各用户的热湿负荷保持在一定的范围内,不出现大的波动或失调,使水系统各环节的运行工况始终处于相对稳定状态。例如当空调水系统运行时,用户通过调节冷水机组和水泵的启停来改变冷水机组和水泵的流量,当用户需要最大流量时,冷水机组则需要增大出水温度来满足用户需要。对于整个空调水系统而言,如果能够在满足各用户热湿负荷需求的同时,保持各用户之间热湿负荷平衡,则整个空调水系统就处于动态平衡状态。
2.2 系统动态平衡的方法
当设计的系统存在着水力失调时,为了使系统达到动态平衡,必须采取相应的措施使水力失调状态得到缓解。具体方法为:1.系统各环路之间水力平衡是通过各环路阀门的调节实现的,因此各环路阀门的调节是系统动态平衡的主要内容;2.对于系统各环路之间水力失调,则需通过对各环路阀门进行调整来达到各环路流量平衡。各环路阀门的调整又是通过对各环路阀门开度进行改变来实现的,因此可以通过对系统各环路阀门开度和时间进行调整来实现整个系统的水力平衡;3.当各环路之间流量不平衡时,则需在调节各环路阀门的同时,调节各支路阀门开度及时间。
2.3 系统动态平衡在洁净室空调系统中的应用
空调系统的水力平衡设计,就是根据空调系统的特点,分析系统各组成部分之间的相互关系,在满足相关规范要求的基础上,通过计算各环路的流量和压力,并对空调系统进行调节,使各个子系统之间达到理想的平衡状态。平衡调节过程中需要考虑系统中各个环路之间、各组成部件之间以及整个空调系统内部各单元之间的关系,并合理地进行设计计算。系统动态平衡在洁净室空调水系统中主要应用于末端设备(如风机盘管、风机、过滤器等)与回水管道(如回水总管、回水管等)的水力平衡计算。
三、洁净室空调水优化设计方法
3.1 洁净室空调水系统概述
洁净室空调水系统是指为保证空气洁净度而对空气进行冷却、加热、除湿和加湿的水系统。其具有两个特点:一是室内的温湿度需要在一定范围内变化,所以系统中需要设置冷源(风机盘管或蒸发冷却机组)、热源(电加热器、电热风机等)和回风(空调新风机组、排风机组等),因此系统的水力工况也非常复杂;二是系统中需要设置冷却塔或冷却水塔,并且这些设备的数量和规格根据实际情况会有所变化。
3.2 优化设计的目标和约束条件
空调水系统的优化设计目标是在保证空调水系统满足室内温湿度要求的前提下,使水系统总投资最小,并使水系统的能耗最小。优化设计的约束条件包括:(1)满足洁净室工艺对温湿度的要求,即满足洁净室工艺要求;(2)满足洁净室工艺对水系统洁净度和卫生标准的要求,即满足洁净室工艺要求;(3)考虑水系统安装、维护、管理方便,即考虑水系统安装和管理方便;(4)综合考虑空调水系统初投资、运行成本和后期维护等费用,即综合考虑空调水系统初投资和后期维护等费用。
3.3 优化设计方法的选择
对洁净室空调水系统进行优化设计,有两种方法:①静态平衡法,该方法将系统中所有设备的工况点进行一一对应,并对每一工况点的流量、压差、阻力进行计算,以计算结果作为设计变量进行优化设计;②动态优化法,该方法是在静态平衡法基础上,采用动态模型来优化系统中各设备的工况点,以计算结果作为设计变量进行优化设计。本文采用动态模型进行洁净室空调水系统的优化设计,但在实际中需要对每个工况点进行动态模拟计算。
3.4 洁净室空调水优化设计实例分析
以某洁净室为例,共有两个空调系统。其中一个为冷冻水系统,另一个为冷水系统。空调水系统的主要设备包括:冷却塔、冷却器、过滤器、水泵和阀门等。根据设备的功能,可知其各设备间存在着动态的水量平衡关系,各设备的动态水量平衡关系设备间的动态水量平衡方程所描述。空调水系统的动态水量平衡方程为:
式中:Q——冷水机组的供回水流量;Q——冷水机组的供回水温度;Q——冷冻水供水温度;Q——冷却水供水温度。
四、建筑设计对洁净室空调系统的影响
4.1 建筑设计对空调系统的影响因素
当建筑设计为平顶时,空调水系统的末端形式需考虑风压和冷量的平衡问题。对于无风管的平顶洁净室,房间内的风量平衡由风机盘管完成,风量平衡是通过采用合理的吊顶风压和房间压差来实现。对于有吊顶的洁净室,建筑设计为平顶时,风压平衡可以通过风阀设置在吊顶上或空调设备上来实现。然而,这种方式无法满足局部负荷需求。
当建筑设计为架空地板时,空调水系统的末端形式需考虑与建筑相适应,避免气流组织紊乱。同时,架空地板需考虑风压、水流量、冷热负荷等因素,结合相应的设计要求,综合确定系统末端形式及送风方式。
参考文献
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