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净化实验室室内环境控制改造设计分析本项目为中国科学院上海某研究所洁净实验室项目改造，改造区域在地面一层，建筑面积为６５９ｍ２。其中包括千级的净化实验室２间，百级净化实验室２间。特别是其中一间面积约１２ｍ２的使用曝光机的实验室，既要满足百级净化的要求，又要求严格控制房间的温湿度，温度控制精度要求达到±０．１℃，是空调系统及自动控制设计的难点与重点，也是格外需要关注和研究的。
该百级并±０．１℃高精度温度控制的实验室根据空调设计所提的工艺要求［１-３］，建筑设计上周边三面由隔离走廊包围，另一面与另一间百级净化室（±１℃温度控制）相邻。其建筑层高４．２ｍ，吊顶下缘高度３．０ｍ，整个洁净室底部铺设有架高０．６ｍ的防静电地板，因此实际高度为２．４ｍ。其空调设计要求为：１）洁净等级：１００级；２）温度控制：２３±０．１℃；３）湿度控制：４５±３％；４）新风风量：≥４０ｍ３／ｈ为实现设计要求，在空调系统设计及调试过程中的关键点包括：１）降低外围冷热源的干扰；２）多级隔离的空调机组；３）有效的过滤和气流形式；４）高精度的传感器；５）快速响应的控制器与末端设备。
１冷热源和热交换器１．１冷热源整个改造区域的空调总冷负荷约为２５５ｋＷ，区域内的百级、千级洁净室及辅助房间由１台的模块化风冷冷水机组，冷量为（６３×２）ｋＷ，提供全年制冷冷源；同时采用另１台模块化风冷热水热泵机组提供夏季高峰冷量和冬季的热量供应，其冷量为（６１×３）ｋＷ，热量为（６５×３）ｋＷ。
１．２板式热交换器以往高精度温湿度控制的实践证明，不加隔离地直接从冷水机组接收冷冻水（１２℃／７℃），由于冷水机组，无论是风冷式机组、螺杆式机组或其他形式的，都无法避免冷源的出水温度或流量的突变对末端空调机组的精度控制所带来的非常不利的影响，特别是对于±０．１℃高精度温度控制要求的房间。
所以，在深化设计中采用了专用的板式热交换器来控制水温和流量的波动。项目中实际增设了１台板式热交换器，并配置板交专用水泵两台，一用一备，水泵与下述用于±０．１℃温度控制的洁净室独立空调机组风机联动。布置如图１所示，其运行参数如下：换热量：额定值２１０ｋＷ；一次侧：供水温度７℃；回水温度１２℃；二次侧：供水温度１６±０．３℃（出水温度控制要求）；回水温度１８℃。
在板式热交换器的二次侧出水位置设水温传感器，并在一次侧冷水进水管上加装高灵敏的电动调节水阀控制，二次侧的出水温度在设定值±０．３℃的误差范围内，以减小由于冷水温度的剧烈波动对后端空调机组高精度控制的干扰。
同时，除了冷水供应时温度波动的影响之外，后端空调机组的冷水水压差也是一个重要的干扰源，不稳定的水压必然会对水温控制带来负面影响，从而波及到被控房间的温度。因此，本项目在板式热交换器的二次侧的出水管和回水管之间装设了一只电动二通阀，通过水阀的无级调节来稳定二次侧出水管和回水管之间的水压差。回路阻力计算和现场实际调试中，２ｋｇ／ｍ２设定值的稳定效果较理想。
２多级空调机组的布置２．１新风机组与***处理一般夏季空调系统处理后的室内相对湿度在６０％￣７０％，本改造项目中的百级和千级洁净室的设计湿度要求在４５±３％或４５±５％，***处理后需要达到露点温度１０℃左右才能满足下一步处理及高精度控制的工艺要求，通过简单的表冷器***难以保证达到１０℃￣１５℃的送风露点温度的要求，勉强为之，表冷器表面会有结霜的风险。
在深化设计当中，在表冷器后端串入１台转轮式除湿机，处理新风量为５５００ｍ３／ｈ，经计算***量为３９．５ｋｇ／ｈ，通过新风出口的露点传感器调节***功率，实际运行可使表冷器和除湿机两级处理后的新风送风露点温度达到当初设计的要求，露点温度１０．５℃。在冬季室外空气湿度较低时，新风不需要转轮处理，从节能角度考虑新风设计成通过旁通风门直接送到下级空调机组，整个夏季、过渡季及冬季的转换均有ＢＡ系统的传感器收集信息，并自动判断及逻辑切换。
２．２±０．１℃精度洁净室空调机组针对±０．１℃精度要求的百级洁净室，独立配置了１台总风量为１６０００ｍ３立式空调机组，分别在风机的前后端加设初中效过滤段和亚高效过滤段，百级洁净必需的高效过滤器设在洁净室吊顶上方（具体介绍请见“３洁净室气流组织”章节）。
为实现±０．１℃精度要求的温度和±３％精度要求的湿度控制，在深化设计中空调机组在风机前端配置了冷水盘管、热水盘管以及电加湿器，在风机的后端即送风管上配备用于温度微调的２组电加热丝，一组为１ｋＷ，另一组为９ｋＷ。这样通过两级温度控制来实现±０．１℃精度的要求，具体控制方法如下。
２．２．１送风温度控制在空调机组内的风机出口处设置温度传感器（Ｔ２），在深化设计和现场控制中，设T２的设定温度为２３－０．１＝２２．９℃，（２３℃为房间控制温度中间值），通过前端冷水盘管和热水盘管联合调节控制。对于夏季工况：调节冷水盘管控制风机出口处温度（T２），使其基本在２２．９℃的设定范围内；对于冬季工况：当风机出口处温度（T２）低于２２℃时，且冷水阀开度为０％，打开热水阀调节控制；当热水阀开度为０％，且送风温度仍然高于设定值时，开启冷水阀门。
２．２．２房间温度控制房间温度的微调的由送风风管的２组电加热丝进行调节控制。通过房间温度传感器首先调节第１组电加热丝（功率１ｋＷ），电加热丝调节采取可控硅无级调节方式，保证了及时的响应；当第１组电加热丝功率输出大于等于８０％时，采用同样的无级调节方式投入第２组电加热丝（功率９ｋＷ），最终实现房间温度保持在２３±０．１℃范围内。实际运行中，得益于合理的设计、分级的空调机组、干扰源的排除、有效的自控，整个运行季（夏＼冬＼过渡季），第２组电加热丝较少投入使用。
２．２．３湿度控制通过安装在洁净室内的湿度传感器调节电加湿器，控制送风湿度在４５％，实际运行可以保持房间湿度在４５±３％范围内。
３洁净室气流组织洁净室建筑层高４．２ｍ，吊顶下缘高度３．０ｍ，整个洁净室底部铺设有架高０．６ｍ的防静电地板，实际室内高度为２．４ｍ。顶部设置送风静压室，周边设回风管道。整个百级区域为上送底回的垂直层流气流形式，深化设计中断面风速取０．４ｍ／ｓ。
常规百级洁净一般都会选用高效过滤空气单元（ＦＦＵ）作为相当末端的送风设备，以保证层流的效果。但对于本项目中由于存在更严格的±０．１℃温度精度控制要求，在末端使用ＦＦＵ反而会带来问题。因为ＦＦＵ均采用直流或交流电气驱动风机均匀送风的方式，并铺满整个洁净室的顶部。经计算１２ｍ２的地板面积，使用ＦＦＵ后总的驱动电机功率在３￣３．３ｋＷ，这些电机产生的散热量会随着送风进入洁净室内，对室内的负荷产生干扰，从而影响相当末级的室温精确控制。所以在深化设计中，取消了ＦＦＵ的原布置，采用送风静压箱＋高效过滤器的自然送风方式，让在新风机组、空调机组、风管电加热丝等三级处理的风均匀从顶部经高效过滤送入室内，再有地板回风经两侧的回风管道回出。由于取消了ＦＦＵ末端的机械送风，为保证洁净室内的正压，在空调自控设计中加入了压差传感器监测室内外静压差，通过调节洁净室空调机组的风机频率来使得房间正压达到设定值。
４自控设备的选择４．１传感器的精度一般空调系统中各式常规传感器是能够胜任的，但为实现±０．１℃，±３％ＲＨ的控制要求传感器精度就显得十分重要。精度范围太宽泛，肯定不能满足精确控制的需求；范围过窄，超出了实际需求和供应商的能力同样也无必要。所以在深化设计中针对各个应用地点，如风管、房间和板式交换器等处，规定并按下面的精度范围选取相应的传感器，见表１。４．２现场控制器的选择有效的控制除了合理的系统设计、参数设定，和确定合适的控制逻辑之外，可靠有效的现场控制器也是至关重要的。现代电脑和控制器的计算速度完全能够跟上计算的变化和作出相应的逻辑指令。但现场控制器是否能及时和稳定地扫描到外部信号的变化，却不是所有常用的现场控制器能够做到的。在深化设计中针对这种情况，选用了两款现场控制器，分别满足不同的应用场合。
４．２．１非±0.1℃洁净室的控制器在新风处理机组和板式交换器的监视信号的采集和控制指令的发出，采用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司高端的ＸＬ８００系列ＣＰＵ主机及其Ｉ／Ｏ扩展模块，由于它的工业化设计，耐用可靠，完全能够适应常规空调系统的系统控制要求。在本项目中包括上述的新风处理与板交外，其他冷源、热源、非±０．１℃精度百级洁净室、千级洁净室、辅助用房等的空调设备监控，均采用ＸＬ８００系列的控制单元实施。
４．２．２±0.1℃级用控制器对于本项目要求的±０．１℃精度要求的空调系统控制来讲，任何一点瞬时的外围环境变化，送风量的波动，水系统进水温度的变化，甚至风机变频的变化都会直接带来负荷的变化。这就要求现场控制器必须能及时捕捉这些受控信号，特别是像温度和湿度等模拟量的数值变化，并及时做出反应。为此专门选用了Ｈｏｎ－ｅｙｗｅｌｌ公司工业级ＨＣ９００控制器来实现对瞬间外界变化的高速响应，除了强大的运算和存储能力外，它的快速数据更新的能力（逻辑量扫描更新：２７ｍｓ；逻辑量扫描更新：０．５ｓ）是收集温度、湿度信号的快速变化并及时逻辑响应，并最终实现±０．１℃控制的有力保障。
实际运行中ＨＣ９００控制器的工作效率和稳定性完全满足了深化设计的要求，有效实现了±０．１℃，±３％ＲＨ的控制。现场空调机组及被控区域的监控信号画面截图如图３所示。
５结语从本项目的深化设计、设定参数计算、控制方案的确认以及现场调试的实施工程中。笔者有如下体会，以及经验的总结。
（1）分级设计新风的处理和±０．１℃区域空调系统能有效地减少室外环境对室内环境传递的影响；（2）采用板式热交换器可以进一步稳定冷冻水的供应，使得冷水机组对空调系统调温调湿的影响降到相当低；（3）常用的高效过滤空气单元（ＦＦＵ）并不适合有±０．１℃要求的洁净区域，使用自然垂直平流送风的设计在符合百级净化要求的同时有效地控制室内温度；（4）传感器精度对于温度湿度的控制至关重要，同时高速更新特别是模拟量的快速更新的控制器是最终完成±０．１℃自控控制的设备关键；（5）在受控区域空调机组水阀虽采用了高灵敏的电动调节水阀，但由于电动水阀本身的交流电机的散热会不规律地传入运行系统，在调控初期不免影响到控制的稳定。建议以后的工程中尽量选取同样快速响应性能的气动阀门。
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