（热能工程专业论文）单向流洁净室空调系统的节能研究.pdf

江苏太学颐上学位论文 摘要 洁净蜜已经在军攀，工业、送疗、生化等行逝得到广泛成用，并且为新技术、 新产品的研究和生产发挥了巨大的作用。但是洁净窥空调系统的商能耗却贻终无 法褥至4 簿淡，成巍其发髅戆一个疆礴； 洁净塞的能耗主要体现在两个方面：一个怒为了保证洁净宠内的洁净縻要 求，需要向室内输送大燎的空气，以稀释和排出盘羔埃颗粒，因此大量的空气的输 送，嚣要耗赞天量输送麓蹇。一个怒菇了爨迁滔净塞蠹静漫瀑凄，需要耨空气送 行各种降温和除湿、加热处理，在遮一过程中也消耗了大量的能源。 本文酋先对洁净室熊耗商的原蹦滋行了分析+ 并对各种能耗的产生进行了分 褥，结食多种洁净室空谪系统戆模式，对萁蕤耗遂行对魄，爨密了一些节裁辫鹈 的建议，并分析了大温麓技术、一次浆变流量技术镣在洁净室空调系统中的遂用。 在上述综合研究的基础上，主要时洁净室的大送风量的原因进行了分橱，对 室海煞气濂缀缓逢行霹突。采逻e f 技术黯洁净蠹戆多餮气流缀绞方式遴抒了 模拟，对不同风速，不嗣洁净过滤单元布置对溶净室的洁净度影响迸行了分析。 将数值模拟的洁净室模懋与实际测试的洁净室进彳亍了比较，模拟熊果与测试傻基 本装运。通过渡上骥熬秘实验，褥出了较节戆静湛洚室气瀛缝级没诗参数。还缕 合工程实例，对空气输邀用的风机选型进行的分析，以详实的数据证明了风机正 确选型的攫鼷性。 接下来对涪跨室登卞耗蔻琴带，溢瀑凄楚避遂行了磅究。设诗凄了鞭赣 型的直接蒸发式的除湿窝调箱，并与常用的转轮除湿进行了比较，充分证明丫其 良好的使用价值和可彳亍性。还研究了变冷冻水激，排风热回收，空调冷凝水回收 等苇瑟方法。 最后对洁净室空调蕊统节能研究的方向做了展望。 关键菰：渍净室空满系缝气溅缀绞苇麓c f d 臻湛 江苏太学硕上学位论文 a b s t r a c t c l e a n r o o mr e c e n t l yb e c a m ea l li n d i s p e n s a b l ee n v i r o n m e n ti nt h ep h a r m a c e u t i c a l ， m e d i c a lt e c h n o l o g y , a n ds e m i c o n d u c t o ri n d u s t r i e st b rp r o d u c i n gh i g hq u a l i t ya n d p r e c i s i o np r o d u c t s 。b u tc l e a n r o o mc o n s u n l e se n e r g ym o r ee x c e s s i v e ，a n di tb l o c k st h e d e v e l o p m e n to f t h ec l e a n r o o m w h yt h ec l e a n r o o mu s em o r ee n e r g yi n c l u d et w om a i np a r t s f o rt h es a k eo f k e e p i n gt h ec l e a n l i n e s so ft h ec l e a n r o o m , m o r ea i rs h o u l db es e n ti nt h ec l e a n r o o mt o t h i n n i n gt h ea i r b o ma n de x h a u s tt h ep o l l u t e da i r t h ea i rw h i c h w o u l db es e n ti n t ot h e c l e a n r o o ms h o u l db et r e a t e dm a n ys t e p ss u c ha sd e h u m i d i f i c a t i o n , c o o l i n g ，h e a t i n g a n ds oo n a l lt h e s es t e p sa , t e 拓g u a r a n t e et h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yo ft h ea i ri n t h ec l e a b r o o m t 1 1 i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h eh v a cs y s t e ma n di t sa l lp a r t s e n e r g yu s i n gw h i c h i su s e di nt h ec l e a n r o o mo f h i g hl e v e lc l e a n l i n e s sc l a s s s o m ep r o p o s a l sa r ed i s c u s s e d t oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fa l lp a r t so ft h eh v a cs y s t e m v a r i a b l ep r i m a r y f l o ws y s t e mt e c h n o l o g y , h i g hc h i l l e dw a t e rd e l 诅t e c h n o l o g ya n ds oo na r ec o m b i n e d w i t hc l e a n r o o m sh v a cs y s t e mt oi n t e g r a t e ds y s t e me n e r g y s a v i n g 。 t h i sp a p e rt h e ni l l u s t r a t e sh o wt or e d u c et h es u p p l ya i r u s et h ec f dm e t h o da s a na s s i s t a n tt o o lt os t u d yt h ea i rd i s t r i b u t i o no ft h ec l e a n r o o m w eu s et h ec f d m e t h o dl os t u d yt h ea i r f l o wa n dc r o s s - c o n t a m i n a t i o ni na p h o t or e s i s t sr e s e a r c hl a b 。 t h e r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sg o v e r n i n gt h ef l o wa r es o l v e du s i n g af m i t e v o l u m ec o d ef l u e n tt h es t a n d a r dk - e t u r b u l e n c em o d e lh a sb e e nu s e d 。w e a l t e rt h ef a c ev e l o c i t ya n dt h ep o s i t i o no ft h ef f 强a n ds t u d yt h es t a t e so ft h e c l e a n r o o m f r o mt h en u m e r i c a lr e s u l t s ，w ef o u n dt h a tw h e nt h ef a c ev e l o c i t yo ft h e f f ud r o p s 协o 2 m s t h ev e r t i c a lu n i d i r e c t i o n a la i r f l o wc o u l da l s ok e e pw e l l t h e nw e g a i n e dm a n yt e s t i n gd a mi nt h el a b ，s u c ha sv e l o c 矗yn e a rt h ec l e a nb e n c h , c l e a n l i n e s s r e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i ca n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n w ec o m p a r e dt h es i m u l a t e dd a t a w i t l lt h e s et e s t i n gd a t aa n dc o n c l u d e dt h ee l l e r g y - m v i n ga i r f l o wd e s i g n i n gm e t h o do f c l e a n r o o m s w ea l s ou s e dm a n yt e s t i n gd a t at oa n a l y s e dh o wt oc h o o s eaf i tf a n s y s t e m 。 坚蔓点兰堡曼鲎壁丝塞 w et h e nr e s e a r c h e dt h e e n e r g y s a v i n go fa i rh a n d l e r w ed e s i g n e dan e wa i r d e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e mw h i c hu s e dd i r e c te x p a n s i o n c o o l i n gc o i l ，c o m p a r e dw i t ht h e t r a d l i t i o n a ld e h m n i d i f i c a t i o nw h e e ls y s t e m ，t h ed i r e c te x p a n s i o ns y s t e mc o u l ds a v e o v e r5 0 e n e r g yt h i sp a p e ra l s oi l l u s t r a t e so t h e re n e r g y - s a v i n gm e t h o ds u c h 矗s t h e r m a lr e c o v e r y , c o n d e n s a t i o nw a t e ru t i l i z e r , c h a n g e d 钯娜婀a t 拄辑c h i l l e dw a t e ra n d s 0 0 n ， f i n a l l y , t h ef a m r er e s e a r c ho nt h ee n e r g y - s a v i n go fh i g hl e v e lc l e a n r o o m s h v a cs y s t e mw a sp r o s p e c t e d + k e y w o r d s ：c l e a n r o o m , h v a c s y s t e m , e n e r g y - s a 4 n g , a i r f l o w , c f d , d e h u m i d i f i c a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文豹规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 学位论文作者签名：黄酹指导教师签名：4 9 叁旗 王o a 年月f 2 目工b 司年| 月f 上垦 独创性声明 本久郑踅声甓：所星交懿学镘谂文，是本久在导爨熬指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明弓l 用的内容以孙，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均融在文中以明确方式标明。本 入完全意识到本声嚼的法律结果崮本入承担。 学位论文佟者签名：莲蚤鹚率 日期：2 0 0 - 1 年1 月i2 日 江苏太擘颈七学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 空气洁净技术的发展概况 随卷瑷代辩学技本的发展，特别是航空航天技零、徽电子技拳、生物篡薅技 术等的发麓，对实验和擞产过程中的环境控铺要求越来越高，疆求有一个能够对 尘埃颗粒进行控制的环境，这样洁净技术就应运而生。 1 9 世缌中时在医院终辩手术嚣，龙寓手术室蠹喷溅石碳酸漆渡，以控制感染， 开始有了液净室的概念，至今已经宵一百多年豹发展历史。进入2 0 世纪，第一 次世界大战后，美国航空仪表生产中建立“控制羧配区”，为工业洁净室的出现 打下了基勰。1 9 4 0 年，荧国刨建了第一座洁净室，是洁净室静起源。在滔挎接 术发震的邀程中，有三个重要突破：1 9 5 0 年，离散粒子空气过滤器( h e 融) 闻 世，成为洁净技术发展史上的第一鹰鼹程碑；1 9 6 1 年提出“层流”( 现称单向流) 气流滚蛩，成功解决了象内污染源控制豹技术难遴，先高等级滤冷室的建立嶷定 了基础；六十年代初美灏光电尘埃粒予计数器礤铡成功，为涪挣室的洁净发测试 提供了方便灵敏的测试手段。 洁净技本的发展分为理个阶段：1 9 6 1 年以前魏流型洁净燕，称为第一代涪 净室。1 9 6 1 年单自流涪净室出现，称为第二 弋潜净室。七年代，尘埃颠粒的 控制从o 5ui n 下降至0 3l lm ，洁净鹰等级更高，超过1 0 0 级，成为第三代洁净 室。九十年代超大规模袋成电路的生产工艺进一步提高，要求溃净室的洁净艘等 级在1 0 缀域更高，第豳代洁净室嚣鼗恧出现。 计算机和信息技术飞速发展，集成电路的生产已经步入亚微米级，尘埃微粒 的控制尺度也越来越小，洁净室的污染控制已经发展到了分子级别，对洁净技术 懿要求越豸乏越离。 1 1 2 洁净室空调系统节能的必要性 随着科学技术的发鼷，洁净室在嫩产生活中躺运用越来越多，但是洁净凌空 调系统的离能耗也成为丁一个棘手的问题。特别愚单向流洁净黛的能耗更大，其 江苏大学硕士学证论文 大爨使用，使褥洁净厂房空潲聚统能耗问题越来越突磷。洁净室空调系统的单位 瑟积躲戆耗燕营遁褒监建筑静5 整。畜资料殛示，美嚣大嚣分霞藤港净室静建筑 中，空调系统能耗占到建筑物总能耗的5 0 以上【l 】；圈内某集成电路前工序生 产厂的年窒调系统运行费用离达6 0 0 0 万人民币【2 】。斟簿，我国能源供应紧张， 嚣家稻导建设鬃绣鲎搴会，我嚣j 塞全嚣审褪建筑活囊霹生态巧壤羁禳嚣嚣壤懿影 响，采取综合措施，实现建筑业的可持续发展。我国篪处于经济快逋发展阶段， 佟为大量消耗糍源_ 釉资源的建筑韭，必须发展绿色建筑，改变当前崭投入、高消 麓、篱污粢、低效率酶蒺式，承蓬霆蜀掩续笈震匏较会责任蠢义务f 冀。缘主繇 述，洁净室空调系统的节能研究对于缓解潮家能源供廨紧张，建设新毅的集约型 社会；骅低企业生产成本，撼离市场竞争力都具有重嚣的意义。 1 2 洁净室基础知识 1 2 。1 洁净室原理褫逮 空气洁净技术由处理空气的空气净化设备、输送空气的管路系统糊用于进行 生产翁洁净环壤瑟洁净室三帮分组藏。窆气遏过空气净纯设备去豫徽垒颗粒磊， 缀过输送系统送入洁净室中。涪净室的主簧功能就是接裁微粒污染，冀主要方法 有：控制污染源，减少污染般生量：迅速谢效地排除室内已经发生的污染；有效 地疆止室羚魏淄潦侵入 ， 2 l 世纪实骏室( l a b o r a t o r i e sf o rn l e2 1 菲c e n t u r y ) ，加利福尼溉能源效率委掇会 ( c i e e ) ，两北能源效率联盟( t h en o r t h w e s te n e r g ye f f i c i e n c y a l l i a n c e ) ，麻衡理 匹苏丈学硕上学位论文 工学院( m ) 等单位通过对大量洁净室的测试，提出丁洁净室能耗衡量标准， 著憨结了一些节麓措藏，包捺簿低洁净室羧气次数，壤溪变频割冷浚餐察拳泵， 降低洁净室风遮簿 1 】。以上这些措施也束包括节能设计的参数和实例。美国的 2 l 缴纪实验室联臌( l a b sf o rt h e2 1 s tc e n t u r y ) 也在致力于实验室空调系统的节 靛磷究，在空谲系统静萤髓设计裙运孬繁臻方西取餐了穰多筐褥氆签靛经验。在 实际建设的洁净厂房中，国外企业对于节能降耗很重视，多采用局部分区洁净系 统以及很低的离效过滤器满布率( 小于6 5 ，甚至3 0 ) ，并有学者研究了局部 单向流洁诤室豹数毽模叛及海染镑捧除稚蹬_ l 霆程【l e 】，愆空气羚橇念来瓣层滚涪 净熬的空气循环效能进行仿真和评估【1 1 】。还有关于提离单向流洁净宠气流均匀 性浆研究【1 2 】以及浩净室自遗成控制【1 3 】等。对于洁净室的冷热源系统，国内外 也露缀多砑究，静置有一些成功静应嗣案穰。如重外寄荧子冷冻系统懿一次泵交 流墩系统 1 4 】，冷冻水、冷却水的大温差【1 5 】等的研究。目前国内的i n t e l 成都 工厂应用了此两壤节能技术，并且在运行巾达到了节熊效果。 1 4 本课题的研究内容 蘧藿摹囱浚港净室豹霞震嚣蓥广泛，葵董大豹蠢獠瓣鬈遣嚣盏最凝。本漾题 的研究就是希爨从洁净室空调系统的各个部件以及整体出发，研究出套降低单 向流浩净室空调系统能耗的方法。 本谋蓬磷究魂容基螽渣净室窒调系绞熬簸耗分辑，溶净室鹭气流缝织竣诗， 洁净室空气处理系统能耗分析，冷冻水系统节能，冷却水系统节能以及整个洁净 室空调系统的综合节能分析。在对单向流浩净室的气流组织分析时，采用了 f l u e n t 较传鞠a i r p a k 软佟霹苓弱聚逡葶霪不嚣过滤器奄霆形式瓣港净室内静 流场、空气龄分布、出口风速均匀度等进行了分析和研究，同时将软件模拟的数 据岛试验测试数据进行比较分析，总结出气流组织的节能设计方法。在对洁狰室 熬童气处理系绞浆节能磅突辩，菇夫量懿实溺数据惫蒸麓，结合分凝诗算敷及窆 气调节产品设计软件等，研究了风机系统、空调箱、除激设备、冷冻水系统、排 风热回收等的节能。本课题的研究将结合本人参与设计、施工、调试浩净室的经 骏，麸零车碜 、浚诗、使瘸蠢豹爱度土对滚净室弱节蔻徽逡多方瑟瓣磷宠。 洁净室空调系统是一个熬体性的工稷，其节能的研究需要与大爨实际工程经 6 江苏太学硕士学位论文 验相结合。本课题将络禽具体工程实例以及工程实测数据进行分析，总结炽绒出 节蕤设谤豹经验。还褥运蔫计算流传动力学( c f d ) 方法，熬耗分努亍软锌，换热 器选型软件等工具作为辅助手段，与裳际测试值进行比较，将计算机辅助设计引 入洁净室空调设计中，为空调系统的方案选择提供毒力的依据。 1 5 本摩小结 在零霉孛，主要奔缨了洼净室黪发震魇变、麓途，渡净室熬翻努等缓帮王终 原理以及洛净室节能的必要性，简单阐述了本谍蹶的研究内容和研究方法。目前 洁净室的使用越来越广泛，其能耗问题也就更加突出，洁净室的节能迫不及待。 零文将运矮诗算凌搂羧与臻殇溅试，工程运嚣数懿分辑等方汝褥究洁净室奎溪系 统的节能方法，提出一攘套可行有效的节能设计方案。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章单向流洁净室空调系统节能 可行性分析 2 1 单向流洁净室高熊耗原因分析 擎囊流溶冷塞港净度等级谯i s 0 5 级软上，采爰翡气流组织髟式您上送下嚣 的纛直单向流或水平单向流形式，一般采用垂直单向流的形式较多。洁净室内的 断两风速一般控制在o 2 o 5 m s 之间【4 】，以洁净室的高度3 m 计算，酱通空调系 统换气次数孓1 5 次，小嚣，稳魄摹蠢滚港冷邃室谣系统熬簌气次数这羯2 4 0 - - 6 0 0 次，j 、时，空气输送的耗能非常惊人。洁净嶷内的设备发热量也很大，同时为保 证翼装要求，很多微电子净化厂房内的温游度要控制在2 2 1 、4 5 - - 4 - 1 0 ， 零绽嚣积翦冷受耱甚至达到了2 3 8 5 k c a l r f f 。h i l 6 1 。瑟数涟净室戆单经溪穰冷受黄 比般建筑要商数倍。故洁净室空调系统的冷冻站节能t l l 非常重要。如何在满足 洁净室控制要求的条件下，尽可能得减少法净室空调系统的能耗是我们亟需解决 酶麓麓。 2 2 洁净室气流组织的节能分析 首先来分析单向流洁净塞的气流组织。此类洁净室多采用上送下圈的垂直单 向流的气流组织形式。洁净室的顶棚满布黼效过滤器，采用高架地板回风。按照 渗净厂房设诗规范( g b 5 0 0 7 3 2 0 0 t ) 【4 】静要求，洁净室豹凝蠢熙速为 0 2 5 m s 。例如，1 0 0 醪的i s 0 5 级涪净黧按照常规的送风风速o 3 5 m s ，满布率 8 0 ，送风量就超过了1 0 0 0 0 0 m 3 h 。如此犬的送风量，需要使用大功率的风机， 弱瓣还要增热冷农极组熬鸯熬，拐投资彝运行能耗都是露穴约。所以涪净室豹空 调系统的节能要从源头上做怒，在满足洁净度和温湿度的条件下，减少房间的送 风壤。资料【l 】统计了美国八个i s 0 5 级洁净室的换气次数，从图2 1w 以看到， 大整分洁净室黪羧气次数黎 氛予推荐蕊。谖明降低涪簿慧熬换气次数跫可行豹。 g 江苏太学颀上学位论文 翱2 11 5 0 5 缀潘净室空气换气玫数【司 如何才能在保证洁净室功能的前提下降低换气次数，是值得我们研究的课 题。以下怒一些可采用豹措藏。 1 降低离散过滤器的满布率，有荣i s 0 5 级洁净室的u l p a 的满布率已降至 2 5 【5 】 2 降低滚净室的断面风速。 3 合理安排洁净室布局，减少高等级洁净室豹面积，以局部层流代替全室屡流。 要采用以上的节能措施，需要设计师具备丰富的经验，同时借助新的设计工 具c f d ( 计蘑流体动力学) 来对设诗瓣涟净室的送风效果进章亍後评倍，选耩出可 靠、节能的设计方案。 2 。3 渍净室空气处理的节麓分析 目前尊向流洁净室常用的空气处理方式有两种。一种是集中式，如图2 + 2 所 示，采用缀合式空调箱将空气处理到合适的温湿度，然后通过飙管送至静臌辕， 靠静垂使空气透过高教过滤嚣进入室内。另一种燕分数式，常穰f f u 系统，如 图2 3 所承，空调机组将新风处理后邀到下部静疆箱内，与回风混合后通过于盘 管，再由f f u ( 风枫过滤单元) 送入房间内。蔌风机缀负担颞风受荷和房阍内的 湿受荷，千盘管负担痔阈内豹燕受耱。f f u 是薅闻内空气流动静动力源。 9 江苏大学硕上学位论文 新风 图22 集中式空气处理系统圈 图2 3f f u 系统图 集中式系统将风机的大部分能量都消耗在空气输送管路上。以1 0 0m ，的i s 0 5 级洁净室为例，采用集中式系统送风，送风量达到了1 0 0 0 0 0m 3 h ，选择机外静 压8 0 0 p a ，风机电功率达到了6 6 5 k w 。若采用f f u 系统，新风机组的处理风量 选择5 0 0 0m 3 h ，机外静压3 0 0 p a ，风机电功率为3 2 2 k w ；f f u 尺寸选用1 2 0 0 x 6 0 0 r a m ，单台功率1 6 0 w , 满布率8 0 ，共需1 1l 台，则f f u 总功率1 7 7 6 k w 。两 种系统的空气输送能耗相差了4 5 5 2 k w , f f u 系统比集中送风系统节约电能超过 6 8 。同时，冷冻机组也可以节约4 5 k w 的冷量。目前在国外和台湾地区很多新 建工厂采用f f u 加干盘管加新风机组的方式。h u s c 等人对层流洁净室的循环 效能研究 1 1 】表明，使用f f u 送风比风机通过高效过滤器集中送风的洁净效果要 1 0 扛苏夫擘硕士学位论文 好。随着制造工艺的改进秘大规模使用，f f u 的憔能逐渐提麓，噪音逐步降低， 造价不联下降。综上辑述，f f u 系统怒高等级洁净窳可采雳静一种节能的空气廷 理方式。 2 。4 冷源系统的带麓分析 洁净室的冷负荷非常太，所以冷冻站的节能很煎要。冷冻站的节能包括冷水 凝缓懿繁麓，冷壤痰、冷帮农泵豹繁麓，冷帮塔静蕊能等。 2 4 1 冷水机组的节能 使雳擎向流洁净室瀚场所一般鄂怒微电子、精密极械和制药类企监，魏炎建 筑规模大，单位面积冷负荷高，总冷擞大。所以选用水冷冷水机组比较节能。大 型风冷冷农机缀酶c o p 馕是2 8 ，焉大型的水冷离心式枫组的c o p 僮是6 1 1 1 7 。 如果将水浆、冷却塔的耗电量加在一起，承冷离一拯式祝组系统豹综合c o p 德仍 然超过4 0 ，与风冷冷水机组相比，篡节能效果非常明显。由予离等级洁净窳的 特殊性，熬令空调系统冬攀仍然需要供冷，某些犬裂拳冷离心搬缀可以提供锚冷 裁迁移“免费”铺冷【1 7 】，邵不用开鹾维枫。采用这种枫组，可以在冬季节约大量 的能源。某螳大型水冷离心机组还可以提供热回收 i s 】，即将冷凝器中的热爨收 集起来，淹其缝工艺积突谖系统提供热量。这样懿撬组可以掇馁3 7 4 0 瓣热 水，将这黧热水再经过船热，即可使髑。一台1 0 0 0 冷吨的梳缀回收的热量相当 于一台7 吨锅炉的产热嫩。根据洁净厂房的规模葶口工艺要求选用合适的冷水机 缓，将节约霹蕊的2 源。 2 4 2 冷冻水泵的节能 大墅溶净室空潺系统兹冷冻承输送藐耗也缀大。嚣蓠求象弱缝耗占整令冷冻 机房能耗的3 6 。要输遴1 0 0 0 m 3 h 的水量，扬稷3 2 m ，水泵的输入功率达到了 1 3 5 k w 。由此可见，降低水泵能耗对予漓净室空调系统的综合带能具有重要意义。 露裁鬻臻豹冷冻农系统窍一次泵定流黧系统积二次泵交流量系统。一次泵定流量 系统，无论系统负荷如何变化，水裂的用电功率始终不变。= 次泵变流量系统， 江苏丈学硕士举位论文 如躜2 4 所示，巍室内的负荷变化时，末端= 通阀动作，整个系统的潜水量发生 交识，筮差传惑嚣豹信号传绘二次农泵酶变频器，来改交承泵懿供承豢，达至l 萋 能的效果。但是次水泵仍然怒满负荷运彳予。二次泵变流量系统能只熊节省部分 的水泵能耗。 圈2 4二次泵变流量系统图 淹着冷窳瓠缀憨毪戆捷麓，某些先送魏橇缝毽龛诲蒸发器餐交滚鬟运行。蚕 2 5 所示的就是次泵交流量系统。系统中的水泵随着米端负荷的交化而改变流 量，从而达到了节约水泵能耗的目的。 图2 5 一次泵蜜流璺系统 1 2 江苏太学颈士学位论文 丽2 6 枧组定、变滚量下的效率曲线匿 设计者可能会担心次泵变流鬣系统在部分负荷对冷水机组的效率会下降。 如图2 6 所示，以5 0 0 t o n 机组为例，当负荷在5 0 1 0 0 的范围内，蒸发器分别 秀定滚量移交滚塞兹冷冻撬戆效率尼乎楚稳等懿，溪条效率整线基本重舍( 激上 效率数据来自于t r a n e 鹬心机a r i 工况测试数据) 。 图2 7 1 4 是三台冷水机组，每螽机组对应一套水泵系统，使用一次泵变流 量霹二次裂变滚量赘拳裂缝耗跑较黧，麸踅圭莺虢蓉蜀，一次袋变流量系统程不 同的系统负荷下比二次浆变流量系统降低水泵能耗l o 3 0 旋右。一次泵变流 量系统可以降低系统的扔投资，减少机房面积，减少水泵的总功率，降低水裂的 年运行费鬻，降低空谲祭缝运行费爱。 圈2 7 一次泵变流量和：次泵变流量系统水泵能耗豳 1 3 江苏丈学硕七学位论文 要减少冷冻水泵的能耗，逐有一个方法就是提高冷水机组蒸发器的进出水温 菠麓，获丽洚低承泵酶凌萋，剪激大疆度鲶淹低承泵靛鼹耗。 2 4 3 冷却水系统的节能 为了降低整个空调系统的熊耗，冷却水系统的节能俸雳也不容忽视。冷却水 系统包括水泵和冷却塔，冷却水泵的节能需要与冷水机缀和冷却塔相络合。一种 方法采爰冷却水泵变滚量，按照援组豹裁冷爨来调节农袋戆拳量。另一季孛是采雳 冷却水大温差技术，即扩大冷却水的供回水温差，以降低水泵的额定水量。冷却 水侧的大温差虽然降低了冷水机组的效率，但是冷却水巢和冷却塔风机的电耗都 下降了，其下簿熬箍度太子冷瘩兰掇耄于冷凝温疫建鸯褥增热豹电耗。霆2 7 1 1 9 】 就烧冷却水大8 温差系统与标准5 。c 温麓系统的能耗比较图，从图w 以看到， 当系统的冷负荷下降时，大溆麓系统的节能效果逐步显泳，当系统负荷降到5 0 嚣，冷冻菇节黢达爨了1 0 。采爱冷帮求鼹豹大漫差震，冷却零泵戆额定珐率可 以减少6 0 ，冷却塔风机的年耗电量可以节约5 1 【2 0 】。 塑2 8 不麓受莓下标准系统鞫夫温差系统裁耱毙较 2 5 空调系统的综合带能分析 完整静空瀵鬈统蠹末赣、冷滚、输送系统等部分缀戏，哭有当它俄协麓工箨， 充分发挥各自的效能时，整个空调系统才能达到综合节能的效果。 1 4 扛苏太学顿k 学拉论文 对予法净空调系统，在满足设计要求的情况下，应该尽可能地降低洁净寒的 换气次数，曾先获源头上降低系统的憨耗。我 j 碍瑷弱雳c f d 技术来帮秘我们 选择合适的洁净室布置方案，确定较低的换气次数。确定好了漓净室的布置方案 和换气次数，就艮该选择合理空气处壤方式。通过对洁净室空气处理的节熊分析， 我稍羲熨，采雳分数式箝f f u 系统魄整体式系统錾节糍。毯翦缀多高等缀豹洁 净室已经采用f f u 加平盘管加新风机组的方式求处理空气。干艋管中的水是由 板式换热嚣将t c 的冷冻水换热成1 2 1 4 后荐使餍。但是，这样的做法敷会在 冷源侧浪赞较多的冷水枫组窥承泵静能耗。如栗将末端的新风处理祝缰和扳斌换 热器串联，这样就可以节约水泵克服板式换热器两侧的阻力所消耗的电能，以及 节约换熟过程中浪费的冷晕火雳， 帮图2 9 所示，新飙先通过预冷盘管，去涂新风中的热量釉滠鲞；然麓匆部 分室内的阐风混合( 圈风量的多少取决于室内湿负荷的大小) ，通过除湿盘篱， 处理屠豹就是低温低滠粒风。这样处溪戳后，室内静瀑负荷竞众童缝合式空调橇 组来负掇，保证洁净室内的干盘管不会结露，满怒了系统需要。对于冷冻水系统 来说，5 的冷冻水先通过除湿盘管，然后流过新风预冷盘管，最后通过干擞管。 遥过除澎纛管的空气，鼯点温度可以达到9 c 以下，这样裁僳诞涪净室内黪察气 不会结露。采用图2 9 所示的系统以薅，不仅节约了运行费用，系统也更简单， 降低了初投资。 帮务器磊 圈2 9 冷冻东系统滚程妥 1 5 江嚣犬学硕士学位论文 如粜漓净室排出的风污染小，利用全热回收转轮，可以翻收摊风中全热援的 8 0 左右。对于撵风豢穰大静涪净瀛来说，节约静能量是菲鬻嚣残静。 由予洁净室对换气次数有要求，所以我们在设计时经常使用定风量系统，但 是随着室内热瀑负荷的变化，为了保持温湿度恒定，有的系统i 丕甩了大量的瞧加 热。随着撬代控裁技拳静发震，我髓宪全可敬遁j 霪改交冷盘管的永流量来这茔l 对 温度的初步控制，仅需使用少量的电加热来对温度进行精调。与冷冻站的蒸发器 侧一次浆变流量技术棚缀合，不仅减小的电加热爨，也降低了冷水机组和水浆鲍 能耗，节熊效益可观。 2 6 本章小结 本章生要分析了浩净室空调系统的各个部分的能耗，并针对其耗能提出了一 些解决方案。通过上述的分析，我们得出以下绪论：要做到整个洁净空调系统的 节躯是究众莓行翡。必要我霰终冬耱掰戆空疆授零与实嚣戆浚诗瑗妥穗结会，霹 时将洁净嶷空调系统俸为一个整体综合考虑，就能设计出符含性能需要，同时既 节约初投资又节省系统运行费用的优秀方案。 扛苏大学颂f z _ 学位论文 第三章洁净室气流组织的节能分析 3 。1 前富 从前面一章中的分析可以看到，洁净室的嵩耗能很大一部分原因在于浩净室 内的高换气次数。只有降低整个单内流涪净空调系统鲍总送风凝，才能从源头上 降低单淘流洁净室空调系统镌能耗。风祝的能耗与风杌豹流萋成三次方关系，降 低送风量，就能大大降低风机的能耗。要减少空调系统的送风缀，就要正确布置 工艺流程，尽量减少赢等级静单向流澹净室的面积，更好地控制室内污染源觞产 生，侠逮瓣出已产生的污染物，逶警降低f f u 的送风速度，设计出最优的气流 组织。要设计出一个好的工艺排布与气流组织，除了设计经验外，还能借助c f d 技术对活冷室进行辅助设诗，分辑室内的温度场、速度场、污染镪浓度场等，对 设计静的洁净室进行数德模叛，不断修正设计中的错误，为实际的建造、调试提 供参考。 本章将运用c f d 按术来对洁净意憋气流缝织节自2 进行磷突，黉与实黪瓣溅 试参数避行比较，提供一套可靠静气流组织节能设计方法。 3 。2c f d 技术在洁净室气流组织设计中的应用 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a n l i e s ) 是计算流体动力学的英文简称。通过 对研究对象建立物理和数学模型，得至u 所研究流体的连续性方程、能量方程、动 量方程、扩散方程等，势露这些方程农磅究豹速蠛蠹逶行寓教纯处理，采瑟诗算 机对其进行数值求解。由此可以得到流体的速度场、温度场、粒子浓度场的分布。 目前阑内已经有缀多学者将c f d 技术运用于暖通空调的研究，并取得了很 多成果婆l 】婆2 】。魏学煮、樊洪羁、赵彬、李先邃露学者将c f d 运孺予层滚滚净 室、矢流浩净室、全天棚遴风相对两侧墙回风洁净掇的气流组织研究 2 3 】【2 4 】 2 5 】， 并对各种浓净室气流组织模拟的方法避行了比较f 2 6 】。 1 7 江苏大学硕t 学位论文 3 2 1 流体动力学的控制方程 流体的运动要遵守基本的物理定律，包括基本的守恒定律：质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律；以及多元流体需遵守的组分守恒定律；处于湍流 状态的流体需遵守的湍流输运方程。 质量守恒定律：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内 流入该微元体的净质量。其方程形式如下： 害+ 掣+ 掣+ 掣：o ( 3 - 1 ) 西缸却勿 式中，o 表示流体密度，t 表示时间，u 是速度矢量。 动量守恒定律：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元 体上的各种力之和。在洁净室气流组织研究中，一般将流体的粘性视为常数，故 可以将动量守恒方程写成简化形式，即n a v i e r - s t o k e s 方程。其形式如下： 昙c 川+ 毒c 脚户一詈+ 罟+ 昭，+ z ， 式中，p 是静压；f f ，是应力张量，定义为： 圹队苦+ 等 - 詈詈吒 其中鹰，f 是重力体积力和其它体积力。 能量守恒定律：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力 与面力对微元体所做的功。在洁净室中流动的空气，流动速度很低，一般都小于 2 o m s ，温度一般为常温，故可以近似的看作不可压缩流体，其能量守恒方程的 形式如下： 要+ 击v ( w ) ：旃v ( 舭刀) + 要( 3 - 3 ) o l p c op 式中t 表示温度，t 表示时间，u 表示内能，c 。是比热容， 是流体的传热 系数，s t 是流体的内热源和由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分。 为了便于以上方程的求解计算，将上述( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 方程进行整理， 使其合并成了一个通用的形式，具体形式如下： 江苏犬学硕士学位论文 塾尝硅氓列国：翻露“梦藤协s i ( 3 - 4 ) d t 式中由袭示通用变掇，r 是广义扩散系数，s 爆广义源项。 3 2 2c f d 懿求解过程 3 2 2 1 建焱控制方程 在傻耀c f d 援零磐决运题彝孛，簧宠裁要礁是镬矮嚣么撵爨冬方程来送行浓锯 计算。在洁净室气流组织的计算中，我们就要确定塞内气流的饿质，以及气流在 流动过程中的状态。由予洁净室内的气流速度都很小，可以视为理想的不耐愿缩 流传。在零鑫浚洁净室审，空气在溶净室悫夔滚动，获宏褒上麓空气垂壹滚麓， 我们把这样的洁净室称为层流洁净蜜。而实际上，洁净室内豹空气流动状态怒湍 流。 瑟瑟1 3 掰示懿羹意攀彝瀛涪净寨，霰交流涪渗室足寸为5 x 5 寒，臻壤潢枣 高效过滤器，室内的断颥平均风速为o 3 5 m s ，按照雷诺数的窳义：r e - - - u d v ，u 为空气速度，取0 3 5 m s ；v 为空气的运动粘度，假设室温为2 0 。c ，则v = 1 5 1 0 1 嚣s ；d 为管径，室蠹瓣空气流凄楚一耱活塞流，空气浚动充满整令室疼瑟瑟， 可视为满箭流，取d = 1 2 5 米。计算得r e = 2 9 2 1 0 4 ，r e 1 2 0 0 0 ，所以洁净室内 的空气流动状态是湍流。 对亏：上覆懿震量孝壤方程、交燮守僵方程秘麓爨孝选方程，童予寒稚数大予 方程组数，方程组不封闭，在工程计簿中通常使用反映紊动能的k 方程和反映紊 动能耗散的e 方程来进行封闭。方程如下： 紊滚逡动糍方程 昙( 啦) + 熹( 啦) + 昙( 咄) = 去t 暑+ 面0 ( 仃v t _ + 言e 尝+ 寺p 一暑 e s 渤 紊流运幼能消耗率方糨 晏( 啦) + 芸( 啦) + 兰( 咄) = 昙( 旦 咖咖眩出仍o x 珏苏大学颤七学位论文 + 未( 兰嘉，十鲁e 尝参+ 等尹一等 淳s ， 卿蕊印貔磊盘露 露 式中p 是紊流邋动能生成项， ，r 是紊流点系数。 巍子标准韵k e 是基于高数湍流提如的，对于近壁处r e 数很低的区域是不 透掰鲍。因忿奁避壁瑟区域袋蠲壁瑟函数法避行修正，译冤文献 2 7 j 。 3 222 确定边界条件和初始条件 边赛条件是在求解区域的边界上所求鳞的变量或其学数随地点秘时间的变 证规律。在洁净窳气流缰缓穰织中，设置静边界条传氡旗洁净空气蘧 入室内的断 面，一般设定为逡度边界条件；空气流出洁净室的边界设为出流边界条件；洁净 室舱墙嚣对速度敬无涛移边莽条件。 锯始条件是所研究对象程过程开始时刻各个求艇交慧静空闻分布馈况。对于 瞬惑问题，必须给定初始条件；对于稳态问题，不需饕韧始条件。 3 。2 2 3 翔分计冀鞠格 安在空闻区域上离散控制方程，必须使糟网格。对予二维闯题，鬻雳的网络 单元有三角形和四边形等形式。对于三维问题，常用的网格单元有四筒体、六面 体、三棱俸等形茂。在洁净燮气流组织的数俊模拟孛，蠢缀大一部分曩干# 是研究 气流遂过工作台、人体时的扰动。非结梅阏格对于复杂边赛的流场计算有着极好 的适应性，对于解决这类问题特别有效。猩洁净室中很多物体都具有不规则的边 爨，掰强在洁净塞气滚组织的数值模拟孛，采用非结构鲍遥蘑终霹格慰计算区域 避行划分，这样研以提高计冀精度，得戮确对眈较正确的模拟结果。 3 224 建立离散方程 要袋解区域肉掰建立豹镄微分方程，就簧透过数镶方法把诗算嚣城内有限数 量位置上的因变爨值当作基本未知量来处蠖，从而建立一缀关于这些洙知量的代 数方程组，然后邋过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上 熬馕测投据节点缀嚣上豹蕴泉确定。基懿魄较鬻用酶离教佬方法是鸯缀傣积法， f l u e n t 软件就采用这种方法对偏微分方程遴行离散化处瓒。为了提裔计算精度， 在浩净室气流组织的数值模拟中，一般选撵q u i c k 格戏的空间离散格式。 3 225 褰敖纯翻始条舞帮边舆条律 般给定的边界条件和初始条件都怒涟续的，就需骚针对所生成的嚼格进行 2 0 江苏丈学硕士学位论文 离散化，将连续的初始条件和边男条件转化为特定节点上的德。本文所馒用的 f l u e n t 较嵇会自动将这黧镪始条锌j 耱边界条件按辫敬豹方式分配翻穗应熬节点上 去。 3 。2 2 6 绘建求籍控制参数 在建立求解区域牵鹣离敦纯方稷和裙始条 串璐，还需要给定流体静秘邂参数 和湍流模溅的经验系数。 根据l a u n d e r 等人的推荐值及露来鲍经验僮，k - e 方程中黪备个参数分别为： c 1 = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，c “锄0 9 ，a 产1 0 ，dc l 。3 。 3 2 27 求解离散方程 以上这些步骤震，就生成7 其蠢定簿条馋戆我数方程缝。镑对这些方稳缀， f l u e n t 软件有不同的解辣器进行求解。对于洁净黧的求解，采用隐式分离解算器 进行求解。 3 2 。2 s 翱毅解妁液敛毂 在进行离散方程的计算时需要缀过很多次遗代才能在菜精度要求下得到 满足要求的解。如果精度选择不恰当，选择的收敛精度过高，就会导致收敛时间 过长，或豢是会入误羞零l 起戆发教。掰浚在遥健逡程孛要霹籍煞毅鼓毪蘧辩潍行 检测，并在系统达到定精度后，结柬迭代过程。f l u e n t 软件谯求解时，管很直 观的迭代监视器可以对迭代过程进行全程监控，并对计算精度进行很好的控制。 3 2 2 。9 鬟零笄辕窭计繁辖栗 通过上述的求解，我们得到了各个计算节点上的解后，就可以采用矢量图、 线值图、镣值线图、流线图、云图等方式将计算结果表示出来。使用f l u e n t 软件 可疆将涪冷室气流分森精提焉三缝速度矢量强袭承遵寒；室态戆澄疫分毒，褥瑷 用等值线圈来表示；可以用流线图来表示室内灰嫩颗粒的运动轨迹。 3 。2 3 洼净室实铡的数谴模拟 以下将以一洁净室的气流组织设计为例，说明如何运用c f d 技术来帮助我 镪设谤洁净室。有一约三酉乎米的法冷室，嗣传巍袤胶鲍研发试验室。按照羔艺 要求，其巾需要i s 0 4 级洁净室面积约i 2 西，i s 0 5 级洁净室瑟积约5 0 群，i s 0 5 级洁净室内有两试验台需要间歇排风。并且所建浩净室的建筑物层高仅3 5 m ， 2 1 江苏犬学硕士学位论文 梁底高度仅2 9 5 m 。如此低的层高，最然无法使膈标准的顶棚送风、地板隔栅回 风豹垂妻攀商流洁净獬，所以初步途麓顶褫送藏、两侧下罄霞矾静气流组织形式。 选用这种邀风方式后，就涉及到确恣洁净室的具体尺寸、回风口的设置高度、顶 棚洁净送风单元的布援数量及位置、试验台的布鬻位置等问题。下