同濟大學 劉燕敏

    【摘  要】 服務于受控的潔凈區域的傳統凈化空調系統，由于系統自身的耦合性，難以適應受控區域內潔凈空間不同的環境控制要求，以及不斷更新的工藝。由于將傳統的凈化空調系統完全解耦，可以按工藝要求任意組合系統的組件能獨立解決各自的環境控制要求與更新的工藝，而不影響到整個受控區域或鄰近空間。

    【關鍵詞】潔凈受控區域  潔凈空間  環境控制要求  系統耦合與解耦

Abstract:The traditional clean air conditioning system serviced by a controlled clean area, is because of the coupling of its system itself, it is difficult to adapt to the different environmental control requirements in controlled clean area, and updated process constantly. Due to decoupling of traditional clean air conditioning system completely, according to the technical requirements any combination of the components in the system can solve the environmental control requirements of a new process or updated process independently, and not affect the whole controlled area or adjacent space.          
Key words:controlled clean area  clean space  environmental control requirements  system coupling and decoupling

0 引言

    所謂潔凈室是浮游顆粒數量受控的空間，是一個低污染的環境。這浮游顆粒物可以塵埃、微生物，氣溶膠粒子和化學蒸氣。潔凈空間的布局，空間劃分，系統設計等一般來說都是圍繞著某一工藝過程開展的。常常用于電子、醫藥產品、生物實驗室、醫療關鍵科室、醫學實驗室、中試平臺或其他類型的科學研究等領域。
潔凈室工程往往服務于高科技。所謂高科技產品就是知識密集、技術含量大、具有高附加值的創新產品，產品開發與更新速度已成為競爭的主要手段。為加快高科技產品的更新換代迫使著工藝不斷更新，或使建造符合新工藝的潔凈設施盡早運行，如何使為之配套的凈化空調系統盡快地服務于新的工藝是一個值得探討的問題。

1 傳統潔凈廠房及其控制系統

    近代的潔凈廠房服務于電子芯片等工藝，廠房的中心層為大面積的潔凈生產區域（或稱工藝層）；區域內布置特定工藝區和中央走廊，關鍵工藝處設置高潔凈度的產品走道和微環境設施。上層的巨大空間用于布置送風管網或整個用作送風靜壓箱；其下層準潔凈區域（或稱設施層）是用來安排從潔凈區移出去的設備、工藝設施以及公用設施的集中管網；在設施層和工藝層之間設有回風空間；潔凈區域周圍設置豎井用于回風。由于工藝過程熱負荷大大高于濕負荷（或熱濕比線垂直），由獨立新風處理系統，集中將新風直接處理到室內狀態的露點（承擔全部潛熱負荷），然后進入循環風系統。在循環風的通道中設置干式冷盤管，處理室內顯熱負荷。潔凈廠房這種成熟的熱濕解耦的處理模式十分成熟，又可以方便地利用建筑空間作為風道，能夠較為簡單地、迅速地適應不斷更新的工藝^[1] 。所不同的只是循環風系統的設計思路，對不同工藝有相應的循環風系統的解決方法。

    潔凈室這種成熟的熱濕解耦的處理技術不斷地推廣應用到醫藥、生物、實驗室、甚至民用的領域。也出現了五花八門的新名詞，產生了各種各樣的專利，如溫濕度分開處理、溫濕度獨立調節、溫濕度獨立控制等等。

    正是因為潔凈空間除了像電子、制藥等大型潔凈廠房外，更多的受控環境如醫療關鍵科室、中試平臺、臨床GMP醫學實驗室等。受控區域被分隔成不同的潔凈空間，空間較多、相對較小，輔助空間相對又低又小，難以布置機房與相應管線。各空間的溫濕度、潔凈度、壓差控制要求又不同，造成熱負荷與濕負荷之比也各不相同。為此，常常各自獨立設置凈化空調系統，有的甚至要求全新風全排風。根據不同環境控制要求，又采用了大量的不同類型的通風柜、排風式潔凈工作臺、生物安全柜等排風設備。而這些排風設備并非長期恒定工況運行，如工作狀態的正常面風速排風量、待機狀態的低面風速排風量或關閉狀態。室內多臺排風設備同時使用系數不一。盡管對通風空調系統配有自控，有的也采用熱濕負荷解耦處理，但是各排風設備運行狀態的變化難免會造成對所在的實驗環境的控制參數（如溫濕度、潔凈度、內外壓差、甚至區域內有序梯度壓差）有所影響。可見，傳統凈化空調系統當工藝過程更新，各空間的溫濕度、潔凈度、內外壓差等參數隨之變化時，不可能在較短時間內調整或改造以相適應。

    這是因為服務于工藝過程的傳統凈化空調系統模式，不僅僅在熱濕處理過程中，顯熱負荷和潛熱負荷處理是耦合的，或者說在處理潛熱負荷必然會影響到顯熱負荷。例如，系統的冷凍水不得不為了滿足工藝過程的濕度處理要求而降低水溫或加大水量，達到設計所要求的較低的機器露點溫度。又為了滿足工藝過程的溫度控制要求，不得不再加熱。

    其次傳統凈化空調保證潔凈空間正壓的新風量與保障工藝所需的新風量是耦合的。一般來說工藝所需的新風量最大、保證潔凈空間正壓的新風量稍次，而保障室內人員衛生的新風量最低。潔凈空間有時為了滿足工藝要求或正壓控制需求而加大了新風量，或者為了滿足保證工藝要求的新風量而不得不加大了排風量以維持所需正壓。或當室內有工藝過程的持續排風，或室內設置通風柜、生物安全柜等間歇局部排風、或變風量排風，又不得不變化新風供給量滿足室內正壓控制要求。特別是對整個工藝區域的有序梯度壓差，更是牽一發而動全身，任一空間的送風量、回風量或排風量的變化，都會影響到整個區域的壓差分布。

    另外，傳統凈化空調系統達到潔凈度級別要求所需風量與消除熱濕負荷風量是耦合的。對于低潔凈度級別的空間，消除室內熱濕負荷的風量可能會大于達到潔凈度級別的風量。一般來說，達到潔凈度級別要求所需風量總是大于消除熱濕負荷風量，而且潔凈度級別越高的系統兩者風量相差越大。凈化空調系統設計者只能取兩者風量中較大者作為設計風量，為了滿足凈化所需風量不得不減少了送風溫差，以滿足消除熱濕負荷。或者說不同潔凈度級別房間的送風狀態點不同，難以將區域內不同潔凈度級別的房間組合在一個系統。如果采用一個集中式凈化空調系統，潔凈空間一般又不能采用變風量措施，只能在送風末端設置再加熱，以動態控制送風狀態點的變化。如果設置獨立分散式凈化空調系統，相應的空調箱與送風、回風、排風、與新風管也難以在輔助空間內安排。即使能夠實現，當工藝更新，或運行工況變化，設施系統根本無法及時更新、改造，使新的工藝盡快投入運行。

2 解耦式空調系統在不同領域的潔凈空間的應用與發展

    要適應受控區域內多空間、不同環境控制要求、解決不同的熱濕負荷與顆粒負荷（塵埃、微生物等），唯一的有效措施試圖將傳統的凈化空調系統解耦。

    我們在2000年期間試圖為解決潔凈手術部內多間不同級別、不同運行狀況手術室的環境控制以及整個手術部控制區域的有序梯度壓差控制提出了新的控制思路與措施。提出了系統層面上濕度優先控制，將熱、濕負荷處理解耦；為保障在任一手術室不同運行工況轉換時區域內有序梯度壓差不變，將正壓控制新風量與運行狀態新風量解耦；為保證獨立深度處理的同一新風狀態點適應不同級別的手術室，將實現不同級別的風量作為循環風量解耦出去（原理見圖1）。大大簡化了系統控制、有效地實現手術部內各潔凈空間的環境控制[2]，并在大量的工程實踐中得到了證實。該方法被國家標準“醫院潔凈手術部建筑技術規范”，GB50333-2002所采納。

    2003年SARS疫情期間，按烈性空氣傳染的隔離病房的要求，須采用全新風全排風的直流空調系統，室內換氣不小于12次，排風須高效過濾器除菌后排出，室內維持負壓（見表1中傳統方案）。為保證在一周內改造完成上海第一間SRAS隔離病房，我們的改造方案是將一個集中式全新風直流系統，解耦為新風機組、自循環機組和排風機組。這樣將隔離病房的保證衛生新風量與滿足室內換氣風量解耦，將排風量與實現室內負壓風量解耦；將消除熱濕負荷與滿足室內換氣風量解耦；完美地完成SARS隔離病房改造任務。這兩種方案比較見表1。在這基礎上開發了多用途隔離病房和無凝水空調技術^[3] ，完成了上海傳染病醫院SRAS病區的改建工程。利用系統解耦技術實現了非疫情期間，將烈性空氣傳染隔離病房按需轉換成接觸傳染隔離病房、正壓普通病房（見表2）。為此獲得了2004年上海市科技進步獎三等獎。

    繼而我們又將解耦的思路用在實驗動物房的環境控制，同樣用新風機組、排風機組和自循環機組簡易而有效地解耦控制，在同一個集中式凈化空調系統中實現了實驗動物房不同房間、不同控制要求以及5種不同運行工況的轉換。這5種不同運行工況分別為上班運行工況、下班運行工況、自凈運行工況、備用運行工況和緊急運行工況^[4] 。利用系統解耦，可以較為方便地開發新的控制系統，也有利于降低運行能耗[5]。

3 全解耦式凈化空調系統的提出及其應用

    基于以上成熟的系統部分解耦技術，并得到大量工程實踐的證實。但是以上系統在潔凈空間內還缺少間歇運行或變風量運行的局部排風設備，如通風柜、排風式潔凈工作臺、生物安全柜等，也會影響所在空間的溫濕度、潔凈度乃至壓差的控制。本文提出了一種全解耦的凈化空調系統。有效地實現潔凈區域內不同潔凈空間的不同環境參數（如溫濕度、潔凈度、內外壓差）的控制要求，保證在任何運行工況下維持環境參數（如溫濕度、潔凈度、內外壓差）穩定，不需要復雜的自控系統（已經申請發明專利）。

    全解耦的凈化空調系統主要是由專用新風處理機組1、獨立排風機組2、高效送風口3、插管式排風靜壓箱4、室內自循環凈化機組5、定風量控制裝置6、局部排風裝置7、回風口或排風口8組成（見圖3）。

    全解耦的凈化空調系統中的專用新風處理機組1對新風進行深度處理、消除全部潛熱負荷，并經粗效、中效和亞高效三級空氣過濾，消除塵埃或微生物顆粒負荷。由定風量控制裝置6提供恒定送風量經由高效送風口3送入每個受控的空間，以消除室內潛熱負荷與保持室內壓力控制。當工藝要求的新風量大于正壓控制新風量時，空間內需要考慮相應的排風。或考慮工藝要求的排風量，而增大新風供給量以維持該空間的正壓。這樣空間所維持的正壓只與新風量與排風量有關，與傳統凈化空調的送風量與回風量無關，或者說在系統上解耦了。如要維持某空間的負壓，則按此原理，根據差值風量要求調節新風量與排風量。當然，可以根據控制要求新風量與排風量間設連鎖，保證運行程序。

    由于在室內設置自循環凈化機組5，室內自循環風量與空間所維持的正壓（或負壓）無關，或者說在系統上解耦了。自循環凈化機組由高效過濾器、顯熱處理裝置和風機組成，所提供的風量與達到室內所需空氣潔凈度級別，以及消除室內顯熱負荷相關。根據顯熱負荷特性與控制要求，自循環凈化機組內設置再加熱器或干冷盤管，或不設置。

    圖3表示的是受控潔凈區域中常見的潔凈空間的控制類型，全解耦式的凈化空調系統可以獨立解決各自的環境控制，而不影響到整個受控區域或鄰近空間。

    圖3中左邊的空間是最常見的潔凈空間，室內新風量按工藝要求設置，排風量根據室內正壓值要求的差值風量與新風量確定。自循環凈化機組的風量以及內置的顯熱處理裝置取決于室內潔凈度級別（或無菌程度）與顯熱特點。

    圖3中間的空間，是室內有局部排風設備7（如通風柜、排風式潔凈工作臺或生物安全柜）的受控空間，為使間歇運行或變風量運行的局部排風設備不影響室內壓差控制，安裝了插管式排風靜壓箱4，將排風設備7的排風管插入插管式排風靜壓箱，禁止采用法蘭等硬連接。獨立排風機組2將由定風量控制裝置6控制的恒定排風量直接排出室外。不管局部排風設備間歇運行或變風量運行，室內的排風量始終維持恒定，或者說從系統上解耦了。室內新風量按所在空間正壓（或負壓）控制的差值風量確定。如消除室內顯熱負荷需要，可在新風口設置再加熱器。

    圖3右邊的空間，是要求在室內形成局部高潔凈度的層流區域，以保障關鍵工藝過程的控制需求。這可以自循環凈化機組，也可以是風機過濾器單元（FFU），根據局部潔凈度級別要求與控制面積來確定室內風機過濾器單元的臺數。通過專用回風道與送風靜壓箱形成自循環通道，實現局部層流區域。避免了傳統凈化空調系統因十分狀態點差異太大無法同時供給亂流與層流潔凈空間。

    正是由于整個凈化空調系統全解耦，在一個潔凈受控區域內，不管各潔凈空間工藝要求的控制參數不同、或熱濕負荷與顆粒（塵埃或微生物）負荷不同，或者工藝要求更新等，只要調整所在潔凈空間的新風量、排風量與自循環風量及其設置就能盡快達到工藝要求、不需要涉及整個凈化空調系統。由于整個受控區域只有集中式新風送風管，風管截面很小，也無回風管，對輔助空間要求不高。即使局部新風送風管要改造或送風量要調整也十分方便。

4 結論

    除大型潔凈廠房外，更多的受控環境如醫療關鍵科室、中試平臺、臨床GMP醫學實驗室等。潔凈受控區域被分隔成不同潔凈空間，空間較多、相對較小，輔助空間相對又低又小，難以布置機房與相應管線。各空間的溫濕度、潔凈度、壓差控制要求又不同，造成熱負荷與濕負荷之比也各不相同。傳統的凈化空調系統由于系統自身的耦合性，難以適應受控區域內潔凈空間不同的環境控制要求，以及不斷更新的工藝。本文提出將傳統的凈化空調系統完全解耦，而不僅僅將熱濕負荷處理解耦，還將工藝需求的新風量與正壓（負壓）控制新風量解耦，滿足凈化要求的送風量與消除熱濕負荷的送風量解耦，只要有機地組合系統的各個組件，就能獨立解決各自的環境控制要求，就能滿足工藝過程以及不斷更新的工藝要求，而不會影響到整個受控區域或鄰近空間。

    也許從全壽命周期來說，全解耦式的凈化空調系統的造價或運行能耗并非十分完美。不同于普通舒適性空調，對于工藝性空調來說，滿足工藝過程要求以及可適應工藝不斷更新，能盡快投入運行才是最大的效益，才能保持高科技產品的競爭優勢，只有掌握這一關鍵因素才能使高科技產品進入良性的發展。這正是全解耦式的凈化空調系統的優越性所在。

參考文獻

    [1] 沈晉明，潔凈廠房的送風模式[J].潔凈與空調技術，2001（4）：2-7.
    [2] 沈晉明,孫光前,潔凈手術部空調系統與正壓控制[J].潔凈與空調技術,2000(4):9-13.
    [3] 沈晉明. 多用途隔離病房和無凝水空調技術[J]. 建筑熱能通風空調, 2005, 24 (3):22-26.
    [4] 何婧,沈晉明,汪亞兵,實驗動物房環境特點與空調設計[J].潔凈與空調技術,2003(1):32-37.
    [5] 吳美玲,劉燕敏, 開放式籠具系統與獨立通風籠具（IVC）系統的空調能耗分析[J].空調暖通技術, 2014 (4) :17-22

    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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