净化空调MAU FFU DCC系统设计探讨

由于其具有温度分区域控制、布局灵活、 FFU 负压密封、节约回风输送能等特点，十分适合电子厂房热湿比大（热负荷极大、而散热量小）、回风量大、大面积净化的特点，因而广泛应用在电子洁净厂房设计中。在实际设计、工程安装过程中，笔者接触这类系统也不少，发现目前很多类似项目在设计工程中缺乏明确的依据、数据作为参考（规范没有详细的规定及要求），甚至很多项目存在设计与规范有抵触的现象。因此，有必要对一些问题做进一步探讨。

1 FFU 静压箱内压力问题

1.1  负压形成的主要因素

FFU 上部静压箱相对于室内为负压，可起到负压密封的作用。这也是 FFU  系统的一个公认的优点。当然在 MAU+FFU+DC  亦是如此。

但是，一般工程项目中 FFU 静压箱相对于室外亦是负压（ 为此笔者曾做过测试）。特别是 MAU+FFU+DC 系统中 FFU 静压箱内，由于回风经过干盘管，存在较大风压损失（有资料或者普遍认为 30 Pa ~50 Pa ，第 2 节将做具体分析）；在保证室内一定正压值的情况下（如按照规范洁净区与非洁净区不小于 10 Pa ）势必造成 FFU  静压箱内相对于室外成负压。例如：若洁净室内保证 +10 Pa （相对室外非洁净区），回风孔板和回风夹道风压损失 5 Pa ，若干盘管风压损失为 40 Pa ，则可知静压箱内压力为-  35 Pa （相对室外非洁净区）。

因此，我们可得到一个结论，同时也有一个问题。第一，造成静压箱内负压的主要原因是干盘管的风压损失（回风夹道和孔板阻力损失相对小得多）。第二，静压箱内（相对室外非洁净区）负压是否合理？

1.2  对静压箱内负压的讨论

FFU 上部静压箱相对于室内为负压，可起到负压密封的作用，这对保证洁净区内的洁净度无疑是起积极作用的。但是相对于室外非洁净区（一般是技术夹层）为负压，必然导致室外空气直接泄漏到静压箱内，影响 FFU 过滤器使用寿命，这无疑是有害的或者叫做不利因素。

这种情况，其实就相当于将 FFU  置于负压段（相对室外非洁净区）。这与 GB 50073-2001 《洁净厂房设计规范》条款有所冲突。

其一，第 6.4.1  条规定中效（高中效）空气过滤器宜集中设置在空调系统的正压段，其原因是因为考虑到负压段易漏气（见条文说明）；何况 FFU 内一般都是高效或者超高效过滤器。其二， MAU+FFU+DC  系统新风，都是经过高效过滤器过滤后与洁净回风在静压箱内混合，说明静压箱内仍然是洁净区，至少是准洁净区（这个可以通过计算可知）。第 6.2.2 要求，不同等级的洁净室以及洁净区与非洁净区之间的压差，应不小于 5 Pa ，洁净区与室外的压差，应不小于 10 Pa 。

在工程设计中，必须从经济性（包括造价与运行）、先进性（技术方面）、节能等多方面加以综合比较，才能得出合理与否。不能单纯从某一方面去看，大多数设计工程设计中规范在选择技术手段、确定某个参数的时候都是遵循这个原则的，因此， FFU 静压箱内相对于室外成一定的负压具有合理的（见下面具体的计算分析），这也与工程设计指导思想是一致的。问题关键是如何确定这个负压值？我们暂且称为经济值，这个值的合理性、经济性才是我们最关心的。

下面先举一个具体的例子。某项目采用 MAU+FFU+DC 系统，其中一个房间的参数如表 1 所列，房间空调设备布局如图 2 所示。

很明显如果遵照规范， FFU 上部静压箱相对于室外不能为负压，而且还应该保证应不小于 10 Pa 的正压。

假定洁净室内为 15 P a  （相对室外非洁净区），反推一下，要保证静压箱内为 10 Pa （相对室外），则回风干盘管、回风夹道、地格栅风压损失之和必须小于等于 5 Pa 。若先不考虑回风夹道及地格栅损失，仅以干盘管阻力损失为 5 Pa 计算（计算方法见本文第 2 节），得出迎面风速约为 0 . 3 4kg/(m 2 .s) ，按此风速，从新选择干盘管，则至少需要 13 台相同型号的干盘管 , 是原设计的 3 倍多。而要保证如此小的压力损失，地格栅（回风有效）面积、回风夹道面积也必然大大增加。

从上例看出，如果依照规范保持静压箱内正压，这种情况必然会造成初投资极大增加，净化面积减少（回风夹道增加），使得 MAU+FFU+DC 系统造价更加昂贵，也不利于 MAU+FFU+DC 系统的推广使用，因此这是十分不合理的。

规范第 6.4.1  条规定条文说明，因为考虑到负压段易漏气，影响过滤器使用寿命。一般国内洁净室空调系统设计中，以初、中、高效过滤器配置的系统，使用寿命也仅在 1~3  年。因此，如果所漏入静压内风量，使 FFU 过滤器使用寿命能在正常设计寿命范围内，笔者认为这个泄漏风量就是可以接受的。在 1.3 节将具体做详细计算分析。

既然如此，笔者认为，此处压差值的设定可不执行《规范》规定；或者说规范应根据不同系统形式，在此做出调整或更为详细合理的规定。

这里还必须说明，上述例子，在不增加 DC  数量的情况下，通过提高室内的压力设定值，依然可以保证 FFU 静压箱内相对室外为正压值。例如，若洁净室内保证 +45 Pa （相对室外非洁净区），回风孔板和回风夹道风压损失 5 Pa ，若干盘管风压损失为 30 Pa ，则可知静压箱内压力为 +10 Pa （相对室外非洁净区）。

但是，这样一来有 3  个问题：第一，这样必然使得新风量大大增加，新风表冷量和输送能都要增加。显然 MAU+FFU+DC  系统失去了其优点之一。第二，洁净室压差过大也影响到门的开启，一般设置为小于 50 Pa 。第三，若一个净化区域存在几个不同等级洁净区，按照上述，最低级别相对非洁净区压差就应该保持在 +45 Pa ，则其它高级别区域则应该按照规范以 5 Pa 的梯度往上递增。显然这使得第一、二条的问题更加严重。

因此，笔者在以下计算分析中，暂未从提高洁净室相对压差考虑干盘管风阻的设置问题。实际工程中也没有遇见这种做法，但是，这可以作为一个保留手段，值得广大设计人员去思考。

1.3  合理性、经济性值

根据上面的思想，下面我们从理论上试计算 FFU  静压箱在不同压力时 FFU  的理论使用寿命。

FFU 使用寿命，即是 FFU 内高效过滤器使用寿命，可以采用如下公式计算：

式中： T  为过滤器使用寿命， d ； P 为过滤器容尘，量 g ； N 1 为过滤器前空气的含尘浓度， mg/m 3 ； Q 为过滤器的风量， m 3 /h ； t  为过滤器一天的工作时间， h  ； η 为计算过滤器的计重效率。其中：

N 1 =  M ( 1- S )( 1-  η n ) + N r S ( 1-  η r )  （ 2 ）

式中： M  为大气含尘浓度， mg/m 3 ； S 为循环风比例； N r 为回风浓度，对于浓度最高的 10  万级洁净室，也不会超过 0.001 mg/m 3 ~0.01 mg/m 3 ； η n 为过滤器前的新风通路上的过滤器计重效率； η r 为过滤器前的回风通路上的过滤器计重效率。

对于不同的系统， η n 和 η r 是不同的 N 1 也不同。对于 MAU+FFU+DC 系统而言（典型形式如图 1 所示），过滤器前空气的含尘浓度应包括 3  个部分：一是由回风带入部分，二是由新风带入部分，三是由于  FFU  静压箱相对于室外为负压，外界空气直接漏入部分。因此，可以表达为：

N 1 =  M （ 1- S ）（ 1-  η n ） + N r S (1-  η r )+  MS l  （ 3 ）

根据 S  的定义，我们可以把 S l 叫做漏风比例；漏风占总风量的比值。

由于 MAU+FFU+DC 系统新风通路上装有高效过滤器，一般对于高效过滤器可认为 η ≈  1 ，因此 η n  = 1  ，式（ 3 ）可以写成：

N 1 =  N r S （ 1-  η r ） +  MS l  （ 4 ）

（ 4 ）式即 MAU+FFU+DC  系统， FFU  静压箱内空气的含尘浓度计算式。

FFU 静压箱漏风量的计算，一般有换气次数法和缝隙法两种计算方法 [4] 。采用缝隙法计算渗透风量，既考虑了洁净室维护结构的气密性，又考虑了室内维持不同压差值所需要的正压风量，因而比较准确可靠。其次， FFU 静压箱一般都是由保准宽度净化彩钢板构成，其缝隙长度可以比较准确的计算出。因此，可以采用缝隙法计算 FFU 静压箱漏风量。

对于不同压差及不同材料缝隙的漏风量 [4] 给出了实验值，可按照表 2 选取。

下面仍然以图 2 所示房间为例，计算 FFU 静压箱不同负压值情况下， FFU  过滤器使用寿命。

①  FFU  静压箱缝隙长度的计算。注意，这里缝隙长度只能计算静压箱与非洁净区直接接触的部分，不包括与洁净室直接接触部分。如图 2 ，其静压箱顶板采用彩钢板为：宽 1.150 m ，长度为 3 m 。顶板竖向接缝为 12  条，每条长度 6.2 m ，横向接缝 7  条，每条长度为 32.6 m ，则静压箱顶面接缝长度为 302.6 m 。静压箱高度为 2 m ，同样采用 1.15 m  宽彩钢板，其接缝长度为 204 m 。静压箱接缝总长 506.6 m 。

一般洁净室所采用彩钢板宽度均为 1.15 m ，受强度影响，每块板子一般也不超过 4 m ，因此本例计算结果具有普遍性，其数据可作为参考。

②  FFU 静压箱漏风量的计算。由表 2 及①节所得出接缝长度，计算结果见表 3 。

③  FFU  过滤器使用寿命计算。新风（室外大气）计重浓度一般取值 M  = 0.3 mg/m 3 ， N r 取  0.005mg /m 3 [ 3 ] ，由公式（ 1 ）及（ 4 ）可计算，其结果如表 4  所列。

④ 结果分析。由表 4 计算结果可以看出，当 FFU  静压箱负压值大于等于 20 Pa  时， FFU  过滤器使用寿命已经不足 2 年，因此，单从 FFU  使用寿命看，笔者认为静压箱负压值最好控制在小于等于 20 Pa  范围内。郭鹏学暖通当负压值在这个范围内时，可认为 FFU 使用寿命理论上能达到正常值（一般国内洁净室空调系统设计中，以初、中、高效过滤器配置的系统，使用寿命也仅在 1~3  年），因此笔者认为这时的负压值是合理的。

2  干盘管选择

由 1.1  已知道，干盘管是造成 FFU  静压箱负压（相对室外非洁净区）的主要因素，而负压值大小决定了 FFU 过滤器使用寿命及干盘管面积大小。通过上述分析， FFU 静压箱负压值需控制在小于等于 20 Pa  范围内。此时在保证 FFU  过滤器使用寿命下，干盘管面积最小（即投资最少）。

空气流动阻力与表面式空气加热器的型式、结构和空气质量流速等因素有关，通常由实验确定其经验公式。

式中： C 、 y  分别为与表面式空气加热器结构有关的实验数据； v  ρ 为管外空气质量流速 kg/(m 2 .s)  ； v ρ  = G / f ； G  为空气质量流量 kg/s ； F 为表面式空气加热器通风的有效面积， m 2 。

国产部分表面式空气加热器的阻力计算公式可由参考文献表 3.1-7 计算。

以 B  型或 U-  Ⅱ表冷为例，干工况时空气压力失计算为：

若洁净室内为 10 Pa （相对室外非洁净区），使 FFU  静压箱负压值控制在小于等于 20 Pa ，则干盘管空气阻力损失应小于等于 30 Pa 。

由式（ 6 ）反算可得到干盘管最大允许流速为： 0.97 kg/ ( m 2 .s ) 。仍以此流速为 1.2  例子计算选择干盘管，仅需要 6  台同型号的干盘管（即只比原来多 2  台）。从增加投资来看，远远小于 1.2  计算结果，因此是合理的。在保证 FFU 过滤器正常使用寿命前提下，干盘管风速控制在 0.97 kg/(m 2 .s) 附近是经济、合理的。

因而，值得引起注意的是：一般认为，在空调工程设计中，空气的质量流速通常取为 6~ 10kg/(m 2 .s) 。通过上述分析计算，此值不能用于 MAU+FFU+DC  系统干盘管的选型计算。

3  结论

（ 1 ）在 MAU+FFU+DC  系统中，造成 FFU  静压箱内负压（相对于非洁净区大气）的主要原因是干盘管的风压损失。在设计过程中，合理确定 FFU 静压箱相对压力值，影响到 FFU 过滤器寿命及系统造价。

（ 2 ）本文通过计算分析， FFU  静压箱负压值控制在小于等于 20 Pa  范围内，可在保证 FFU  正常使用寿命前提下，最大程度节约 DC  数量，可以作为工程设计参考。

（ 3 ）对于 FFU  静压箱成内负压与规范有相抵触的情况，通过理论计算分析，笔者认为，此处可不执行《规范》规定。也希望规范在下次规范的修订时，能根据不同系统形式，在此做出调整或更为详细合理的规定。

（ 4 ）工程设计过程中，在选择干盘管时，千万不能忽略干盘管的风阻。