上海盛能环境工程有限公司201103
摘要：实验室空调空调系统的主要作用是控制实验室的温湿度。空调系统与实验室通风系统配合，才能真正有效地保证实验室的温湿度和房间压力的有效控制。结合实验室的实际用途，控制房间的温度湿度，以及温度湿度变化梯度的范围。
关键词：实验室温度湿度；温度湿度变化梯度；冷热负荷；新风负荷；加热；加湿
改实验室位于上海市浦东新区，用途有汽车零部件工厂测量室和燃烧残留物检查室。实验室室内面积128m2，共分为4个区域，分别为残留物测试件，准备间，量具间，CMM测试室。
1、相关设计参数
（1）室外环境参数
地点：上海市；
夏季：室外干球温度：35℃，相对湿度：80%，含湿量29.28g/kg干空气，焓值110.46kj/kg干空气；
冬季：室外干球温度：-4℃，相对湿度：65%，含湿量1.68g/kg干空气，焓值0.15kj/kg干空气；
（2）室内参数要求
（3）室内设计参数
残留物测试间：干球温度20℃，相对湿度50%，露点温度9.28℃，含湿量7.34g/kg干空气，焓值38.84kj/kg干空气；
准备间、量具间：干球温度20℃，相对湿度55%，露点温度10.7℃，含湿量8.09g/kg干空气，焓值40.73kj/kg干空气；
CMM测试间：干球温度20℃，相对湿度55%，变化梯度±0.3℃/H，露点温度10.7℃，含湿量8.09g/kg干空气，焓值40.73kj/kg干空气。
2、其余参数
残留物测试间有间歇性工艺排风需求，排风量为2300CMH。
残留物测试间内设备的电功率总计为15kW。
准备间、量具间与CMM测试间内设备的电功率总计为10kW。
残留物测试间，准备间、量具间以及CMM测试间的工作人员均按4个人计算，成人的散湿量按134g/h计算。
3、方案设计及设备选型计算
由于残留物测试间和准备间、量具间以及CMM测试间参数要求、使用时间等基本一致。室内房间的控制要求很高，为了满足使用需求，降低能源消耗。本系统采用室外风冷冷水主机+全新风空调箱+室内循环空调箱的形式进行。夏季由室外冷水机组供冷，冬季采用空调箱的电加热进行制热。新风由室外全空调箱进行集中处理，再送入室内循环空调箱，室内热负荷由室内循环空调箱进行处理。相关分析、计算如下：
设备的发热量根据总配电功率计算，根据Qs=n1*n2*n3*N/η；n1=0.9；n2=0.4；n3=0.8；η=0.75计算得出。
3.3残留物测试间空调箱参数计算：
便于设备选型及系统控制，回风空调箱按定风量选择，即冬夏季送风量一致，通过控制送风温差进行室内的负荷处理。
夏季制冷、除湿：由于新风为露点状态进入空调箱与室内的回风进行混合，为控制室内的湿度（室内散湿量不确定），需通过表冷将混风处理至送风状态点。
根据以上计算可知室内夏季最大余热量为8.7kW，湿负荷按0g/s，送风温差按8℃计算，根据焓湿图可计算出送风量为：3190CMH；
根据以上计算可知室内夏季最大余热量为8.7kW，室内人员按4人，散湿量为134g/H.人，则湿负荷为0.15g/s，其他湿负荷按0.35g/s计算，送风温差按8℃计算，根据焓湿图可计算出送风量为：2728CMH；
残留物测试间为十万级洁净区，为满足洁净要求，其换气次数按15次/小时计算，即换气量为：54m2*3m*20=2430CMH。因此送风量取大值，即：3190CMH，，按3200CMH进行设计。则实际换气次数为3200CMH/54m2/3m≈20次/小时。
防止残留物测试间被外界污染，保证房间为正压，按正压值为10Pa设计，其正压风量按3次换气次数计算，即：54m2*3m*3=485CMH，按500CMH设计。残留物测试间有工艺排风需求，排风量为2300CMH。因此，本空调箱的最小新风量为500CMH，则对应回风量为2700CMH；最大新风量为500CMH+2300CMH=2800CMH，则对应回风量为400CMH。
根据以上数据，可计算出空调箱在不同新风量时，所需的制冷量等参数如下：
最小新风与室内回风混合后的状态为：
干球温度18.63℃，相对湿度55.32%，露点温度9.51℃，含湿量为7.46g/kg干空气，焓值37.74kj/kg干空气。
若室内湿负荷按0g/s计算，则送风状态点为：干球温度12℃，相对湿度83.4%，露点温度9.28℃，含湿量为7.34g/kg干空气，焓值30.65kj/kg干空气。由此计算出将混风处理至送风状态点的制冷量为：Ql=3200*1.2*（37.74-30.65）/3600=7.6kW，除湿量为：G=3200*1.2*（7.46-7.34）/1000=0.46kg。
若室内湿负荷按0.5g/S计算，则送风状态点为：干球温度12℃，相对湿度77.22%，露点温度8.14℃，含湿量为6.79g/kg干空气，焓值29.26kj/kg干空气。由此计算出将混风处理至送风状态点的制冷量为：Ql=3200*1.2*（37.74-29.26）/3600=9kW，除湿量为：G=3200*1.2*（7.46-6.79）/1000=0.7kg。
最大新风量与室内回风量混合后的状态为：
干球温度12.51℃，相对湿度87.73%，露点温度10.54℃，含湿量为8g/kg干空气，焓值32.83kj/kg干空气。
若室内湿负荷按0g/s计算，则送风状态点为：干球温度12℃，相对湿度83.4%，露点温度9.28℃，含湿量为7.34g/kg干空气，焓值30.65kj/kg干空气。由此可计算将混风处理至送风状态点的制冷量为：Ql=3200*1.2*（32.83-30.65）/3600=2.3kW，除湿量为：G=3200*1.2*（8-7.34）/1000=2.5kg/H。
若室内湿负荷按0.5g/S计算，则送风状态点为：干球温度12℃，相对湿度77.22%，露点温度8.14℃，含湿量为6.79g/kg干空气，焓值29.26kj/kg干空气。由此可计算将混风处理至该露点状态的制冷量为：Ql=3200*1.2*（32.83-29.26）/3600=3.8kW，除湿量为：G=3200*1.2*（8-6.79）/1000=1.3kg/H。
空调箱的夏季制冷量需求为：9kW。
夏季再热量：由于是表冷处理至室内送风状态点送风，因此不需要电加热再热。
冬季加热量：根据以上计算，冬季室内围护结构的热负荷为1.62kW，照明热负荷为0.54kW，室内设备的最大发热量为5.76Kw，人员散热量为0.8KW。冬季室内照明关闭、设备无开启、无人员时，维护结构需要1.62kW热量补充；冬季设备全开时，需要补充的热量为：1.62kW-0.54kW-5.76kW-0.8kW=-5.48kW，即需要降温处理。
冬季的新风空调箱经预热后的送风状态点参数为：干球温度6℃，露点温度-9℃，焓值10.28kj/kg干空气，含湿量1.68g/kg干空气，相对湿度28.89%。
室内设备停机无发热时，维护结构需求补充的热量为1.62kW：
最小新风由新风状态点加热至室内状态点的热量为：Qd=500*1.01*1.2（20-6）/3600=2.36kW；
最大新风由新风状态点加热至室内状态点的热量为：Qd=2800*1.01*1.2*（20-6）/3600=13.2kW（不生产排风时），则电加热量为分别为：1.62+2.36=3.98kW，1.62+13.2=14.82kW。送风量3200CMH，则送风温差为1.5℃，则冬季的送风温度为：20℃+1.5℃=21.5℃；
室内设备全开时，需要补充的热量为：-5.48kW（冬季需要制冷）；
最小新风量由预热送风点与室内回风混合，可提供的冷量为：Ql=500*1.01*1.2*（20-6）/3600=2.36kW，因此，仍需表冷器提供的冷量为：-5.48+2.36=3.12kW；
最大新风由预热送风点与室内回风混合，可提供的冷量为：Qd=2800*1.01*1.2*（20-6）/3600=13.2kW，由于冬季新风负荷提供的冷量13.2kW大于需求的冷量5.48kW，因此需要电加热补充的热量为：13.2-5.48=7.72kW，送风量为3200CMH，则送风温差为5.1℃，则冬季的送风温度为：20℃-5.1℃=14.9℃。
因此，冬季的电加热量为：14.82kW。
冬季加湿量：冬季的最大加湿量为最大新风时，需将新风状态的含湿量加至室内回风状态的含湿量。则冬季的加湿量为：G=2800*1.2*（7.34-1.68）/1000=19kg/H。
空调箱采用工频电机运行，机外余压为800Pa。
3.4准备间、量具间、CMM房间空调箱参数计算：
便于设备选型及系统控制，回风空调箱按定风量选择，即冬夏季送风量一致，通过控制送风温差进行室内的负荷处理。
夏季制冷、除湿：由于新风为露点状态进入空调箱与室内的回风状态混合，为控制控制室内的湿度（室内散湿量不确定），需通过表冷将混风处理至送风状态点。
根据以上计算可知室内夏季最大余热量为7.6kW，若湿负荷按0g/s，送风温差按4℃计算，根据焓湿图可计算出送风量为：5570CMH；
根据以上计算可知室内夏季最大余热量为7.6kW，室内人员按4人，散湿量为134g/H.人，则湿负荷为0.15g/s，其他湿负荷按0.35g/s计算，送风温差按4℃计算，根据焓湿图可计算出送风量为：4640CMH；
按湿负荷为0g/s计取风量为：5570CMH，新风量按循环风量的10%计算，新风量为5570*10%=557CMH。为了便于计算，空调箱送风量按5600CMH，其中新风量按600CMH、回风5000CMH进行设计。
根据以上参数，可计算出空调箱所需的制冷量等参数如下：
新风量与回风混合后的状态为：室内干球19.08℃，相对湿度58.31%，露点温度10.7℃，含湿量为8.09g/kg干空气，焓值39.77kj/kg干空气。
若室内湿负荷按0g/s计算，则送风状态点为：干球温度16℃，相对湿度70.76%，露点温度10.7℃，含湿量为8.09g/kg干空气，焓值36.63kj/kg干空气。由此可计算出将混风处理至送风状态点的制冷量为：Ql=5600*1.2*（39.77-36.63）/3600=5.86kW，该过程为等湿降温。
若室内湿负荷按0.5g/S计算，则送风状态点为：干球温度16℃，相对湿度67.26%，露点温度9.94℃，含湿量为7.68g/kg干空气，焓值35.6kj/kg干空气。由此可计算出将该工况下的混风处理至送风状态点的制冷量为：Ql=5600*1.2*（39.77-35.6）/3600=7.8kW，该过程为等湿降温。
空调箱的夏季制冷量需求为：7.8kW。
夏季再热量：由于是表冷处理至室内送风状态点送风，因此不需要电加热再热。
冬季加热量：根据以上计算，冬季室内围护结构需求的补充热量为2.22kW，照明热负荷为0.74kW，室内设备的最大发热量为3.84Kw，人员散热量为0.8KW。冬季室内照明关闭、设备无开启、无人员时，维护结构需要2.22kW热量补充；冬季设备全开时，需要补充的热量为：2.22kW-0.74kW-3.84kW-0.8kW=-3.16kW，即需要降温处理。
冬季的新风空调箱经预热后的送风状态点参数为：干球温度6℃，露点温度-9℃，焓值10.28kj/kg干空气，含湿量1.68g/kg干空气，相对湿度28.89%。
室内设备停机无发热时，维护结构需求补充的热量为2.22kW；新风由送风状态点加热至室内状态点需求热量为：Qd=600*1.01*1.2（20-6）/3600=2.83kW；则电加热量为：2.22+2.83=5.05kW。送风量5600CMH，则送风温差为2.67℃，则冬季的送风温度为：20℃+2.67℃=22.67℃；
室内设备全开时，需要补充的热量为：-3.16kW（冬季需要制冷）；新风由送风状态点与室内回风混合后，可提供的冷量为：Ql=600*1.01*1.2*（20-6）/3600=2.83kW；因此需要表冷提供的冷量为：-3.16+2.83=-0.33kW。因此，可以降低新风的预热温度，以提供新风所送的冷量。根据送风量为5600CMH，可以计算得出。新风经过新风机预热至的送风温度为：
△t=20℃-3.16kW*3600/600/1.01/1.2=4.36℃，则冬季的送风温度为：20℃-0.18℃=19.82℃。
因此，冬季的电加热量为：5.05kW。
冬季加湿量：冬季的加湿量为将新风状态的含湿量加至室内回风状态的含湿量。则冬季的加湿量为：600*1.2*（8.09-1.68）/1000=4.62kg/H。
空调箱采用工频电机运行，机外余压为200Pa。
3.5新风空调箱参数计算：
根据以上计算，全新风空调箱的最小新风量为:500CMH+600CMH=1100CMH，最大新风量：1100CMH+2300CMH=3400CMH。因此，可以计算出以下参数：
夏季制冷、除湿：为了满足CMM房间室内温湿度的控制，行空调箱的送风露点温度由CMM房间的湿度控制，即新风空调箱夏季的送风状态的含湿量与CMM房间的室内状态的含湿量一致。CMM房间室内干球20℃，相对湿度55%，露点温度10.7℃，含湿量为8.09g/kg干空气，焓值为40.73kj/kg干空气。则新风空调箱送风状态点的干球温度为11.47℃、相对湿度95%计算，露点温度10.7℃，含湿量为8.09g/kg干空气，焓值为31.99kj/kg干空气。因此，可计算出：
非排风状态下新风冷负荷为：QX1=1100*1.2*(110.46-31.99)/3600=28.8kW；
最大新风量状态下新风冷负荷为：QX2=3400*1.2*(110.46-31.99)/3600=88.9kW。
夏季再热量：新风空调箱露点送风，不考虑再热。
冬季预热量：空调箱表冷器的冬季防冻温度为5℃，设定冬季新风的送风温度为6℃，则冬季新风的加热量为：Qd=3400*1.01*1.2*（6+4）/3600=11.5kW。
冬季加湿量：新风空调箱不加湿，加湿由回风空调箱处理。
新风空调采用变频电机以控制送风量，机外余压为200Pa。
3.6制冷主机配置选型：
根据以上计算可知，各空调箱的的制冷量均按最大值计算：
非排风状态下的系统制冷量为：9kW+7.8kW+28.8kW=45.6kW；
排风状态下的系统制冷量为：9kW+7.8kW+88.9kW=105.7kW。
残留物测试间以及CMM房间的两台回风空调箱在处理新风与回风混合后的空气时，在湿度达到设计要求时，不需要将循环空气处理至露点，而是处理至室内状态点的等湿点。因此，系统实际所需的制冷量会小于以上计算的非排风状态下和排风状态下的制冷量。
因此，在室外主机的选择上，为了保证设备具有一定的备用性，选择两台同型号的制冷机组，则每台机组的制冷量约55kW左右即可，选用两台制冷量为65kW的风冷冷水机组。非排风状态下单台机组运行，排风状态下可开启两台主机同时运行，同时两台主机互为备用。制冷主机自带循环泵及相关阀门组件，并控制水泵的起停运行。为了保证系统的稳定运行，避免机组的频繁起停，系统配置一个闭式不锈钢保温水箱，有效容积为：2000L。
系统的制热量由空调箱的电加热提供，系统可提供的最大电加热量为：14.82kW+5.05kW+11.5kW=31.37kW。
结束语
本论文以暖通系统基本设计理论为依据，采用理论与实践相结合的方法，以上海浦东新区汽车工厂实验室温湿度设计为实例，详细分析并计算了空调系统的冷热负荷计算，及空调箱设备的选型。
参考文献：
[1]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）
[2]《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）
[3]《实验室变风量排风柜》（JGT222-2007）
[4]《空气洁净度等级划分》（ISO14644-1）
[5]《洁净厂房设计规范》（GB50073-2013）