洁净空调分类与特性应用

• 洁净空调机组种类、特点、应用与分析
如今，现代工业产品生产和现代化科学实验活动要求微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性，带来洁净技术也随着科学技术的发展和工业产品的日新月异而健康、高速地发展，并在三大战略外的食品、化妆品、军工等行业有更好的表现。要创造一个良好的洁净室微环境，一套高效、安全、可靠、实用、简单的空气洁净系统是其所有相辅相成的系统的核心部分，而空气处理机组是完成换热、过滤、加湿、送风等功能的重要部件；和普通舒适性空气处理机组有许多不同，本文从洁净室的角度，谈谈洁净室用空气处理机组的应用。
1.洁净室空调机组的特点
1.1风量大
洁净室主要是通过空气量的循环来过滤空气中的尘埃、细菌等，实现对空气中非生物粒子和生物粒子的控制，达到洁净的标准。因此需要有足够的风量来保证室内的洁净度。洁净室的风量一般按照室内换气次数来计算，通常是10倍，甚至几十倍，尤其是单向流洁净室，换气次数达到房间体积的几百倍。
大风量对空气处理机组的强度是个考验，目前市面上常见的空气处理机组的都是采用铝合金框架结构、方钢结构的比较多，如果面板的厚度和框架的强度不够，容易造成空气处理机组变形，特别是医用空气处理机组，一般要采用正压设计，如果面板和框架固定不够，就有可能会出现面板飞出砸人的恐怖现象。所以洁净用空气处理机组首先要满足高强度的要求，目前市面上常见的面板厚度有30mm和50mm，也有一些厂家率先推出60mm的面板的高端机组，相信在洁净场合将得到广泛的应用。
1.2风机的压头高
洁净室一般至少要采用初、中、高三级过滤器过滤，而这三级过滤器的阻力加起来就有700～800帕左右，洁净室一般也要采用集中送、回风的方式，以保证维持洁净室的正负压调节的要求，所以洁净室的管道阻力一般比普通空调的要多一倍以上。需要克服这些阻力，就要求空气处理机组的送风机有足够的压头，所以洁净室的空气处理机组的送风机组一般采用后弯机翼型的风机，或者是无窝壳的风机，才能达到足够高送回风压头。在这种大风量，大压头的情况下，对机组的漏风率也是一种考验，洁净室用空气处理机组的漏风率越低，为客户节省的能源就越多，运行费用就越低。
1.3温湿度控制精度高
和普通舒适性空调的满足人员舒适的要求不同，洁净室的温湿度控制的精度是为了满足工艺要求，如在某些电子产品的制造中，对温湿度的控制要求非常严格，在医用和实验动物等方面，对温湿度的控制精度也有明确的要求。为了实现恒温恒湿，那么要求空气处理机组中至少要具备制冷、制热、加湿、除湿等功能段，而且需要精密控制的方式；如换热器要采用高效率的亲水翅片，并且水流量采用比例积分控制，加湿量也要采用比例积分或者是PID调节的方式，以便实现更高的控制精度。
1.4正负压控制严格。
无论是电子厂房还是隔离病房、制药厂、实验动物室等，为了防止粉尘、细菌扩散到其他的洁净区域，还是为了防止病毒细菌的扩散引起交叉感染，洁净房间的正负压控制非常重要，特别是在医用场合需要防止放射性尘埃、有害气体、臭气及细菌向外扩散，准确有效的控制正负压极其关键。实际工程应用中，工业洁净室和一般生物洁净室都是采用正压维持，但对于使用有毒、有害气体或使用易燃易爆溶剂以及其他有特殊要求的生物洁净室则采用负压控制。要想有准确的压差控制值，在洁净室空气处理机组要求要有较低的漏风率，才能有较高的控制精度。同时采用集中送回风的分流段将在空调箱中被广泛应用。
1.5拥有良好的过滤系统
无论是满足工艺设计要求的工业洁净室，还是满足医用、制药、实验动物等的生物工程，共同的特点是要满足无尘，这将靠一套良好的空气过滤系统来完成。洁净技术对微生物、尘埃等的控制程度，主要取决于过滤器的性能。洁净室一般至少要经过三级过滤，空气处理机组配备初、中效过滤器，送风末端配高效过滤器。空气过滤器需要有良好的品质，一旦发生泄漏，就再也不可能达到洁净的可能。除了本身不能有任何的泄漏，过滤器在空调箱的密封也要引起注意。
1.6采用变频技术。
洁净空调系统大风量的特点带来了高能耗，各种节能技术在洁净空调系统中得到广泛的应用。其中变频技术在洁净空调系统中被广泛的选用。由于洁净空调一般至少要经过初效过滤器、中效过滤器(亚高效过滤器)、高效过滤器的过滤，而过滤器都是随着使用的时间越来越久，其阻力也越来越大，和普通空气处理机组的送风机是按过滤器的计算阻力来选型的不同，在洁净室中选用空气处理机组的送风机电机功率都是按过滤器的终阻力来选型的，在空调系统运行初期，风机的压力是绝对足够克服系统的阻力来满足使用要求的，这时候采用变频器，可以将风机的转速降低，减少功耗，起到良好的节能目的；随着系统的运行，过滤器的阻力越来越大，空调系统的风量将会减少，通过风管里风量或者是静压变化提供变化的数据给变频器，又变频器将风机的转速变大，就可以满足系统风量的要求，同时也可以对风机转速的调节，对房间的正负压保持有良好的调节作用。另外选用变频风机，也可以在洁净室不使用时，将机组的转速变低，送风机的风量减少，相当于值班风机的使用。
1.7相当的稳定性和可靠性。
现代工业的高度发展，使得工业产品拥有体积小、高价值的特点，如果洁净空调机出现故障，将带来数于千计的损失，特别是医用洁净室中，如果在手术或者是产房过程中，如果空调机组出现故障，将带来生命的安危，因此要求空调机组拥有相当的稳定性和可靠性，要求空气处理机组的每一个部件采购中应该采用拥有良好的品质管理的厂家的产品，如在机组内部应该选用有AMCA认证的高品质风机和高品质的电机，对过滤器的选用也要非常慎用，特别是高效过滤器，如果有一个小孔，就带来无数的细菌，后果是无法想像的。另外在空气处理机组的生产和检测也要严格按照国家的标准制造。
2.工业洁净空调机组的特点
工业洁净室主要是控制污染，保证产品的合格率，其主要特点有如下：
2.1对洁净度要求
工业洁净室需要满足工艺要求，产品的性能指标不断提升，也要求洁净室洁净度不断提高，需要用到超高效过滤器，那么要求空气处理机组也至少要配置初效、中效、亚高效过滤器系统，这样对机组的强度要求更高，对空气处理机组送风机的压头会更大。
2.2温度控制优先
工业洁净室一般需要人员操作，所以空气处理机组要尽量以温度控制优先，保证一定的湿度控制，满足人员的温湿度要求，才能保证产品的质量。
2.3满足特殊工艺的要求
如有些产品，需要用到化学制剂，所以机组要求耐腐蚀，还有些需要用到爆炸性的气体，这就要求空气处理机组防爆、防静电，有些工艺对于震动的要求很高，所以空气处理机组就要有更好的防震措施。
3.生物洁净空调机组的特点
3.1生物洁净室空调系统的一个显著的特点是要防止交叉感染，这个表现在空气处理机组上面，主要是生物洁净室用空气处理机组要求采用全正压设计，即把空气处理机组的送风机放在最前面，其余的功能段放在气流的正压段，防止外面的气流进入空气处理机组，引起交叉感染。防止交叉感染需要注意的是：转轮热回收、板式热回收等不适合在医院场合使用。尽管医院是能耗大户，但转轮热回收其工作原理是通过转轮在排风和新风之间进行交换，容易产生交叉感染，在生物洁净室中，热管热回收、盘管热回收等技术由于没有新排风接触，而被广泛的采用。
3.2生物洁净室空调系统的第二个显著特点防止空调系统的二次污染。这个特点表现在空气处理机组中主要有如下注意点：
3.2.1空气处理机组应该内壁板和内置件应该保持光洁，而且要耐消毒品腐蚀，宜采用不锈钢板，并把机组底部的直交角改为圆角，以方便清洁。
3.2.2空气处理机组采用湿度控制优先，防止潮湿的空调在风管和高效过滤器表面滋生细菌。
3.2.3把热交换器、过滤器等放在正压段，风机一般要在停机时立即关闭新风阀，防止机组内表面结露，表冷器关闭后依然需要送风，吹干盘管和水盘的水，内壁温度逐渐回升，防止细菌滋生，过滤器放在正压段也可以避免空气过滤器受潮，有效的防止细菌的滋生
3.2.4热交器采用亲水赤片，单位英寸的翅片不宜过多，否则换热翅片容易积尘。采用无凝水盘管。只要使机组进水温度高于室内露点温度与传热温差之差，就可以保证空调机组中的换热盘管干工况，这个需要和空调系统相结合才能实现，由新风来承担室内的湿负荷。
3.2.5生物洁净室用空气处理机组一般不采用档水板，这就要求盘管的迎面风速一般要小于2.5米/秒。
3.2.6电加热采用不锈钢光管制作-光滑无翅片、耐腐蚀、不容易积尘、易清洗。
防止二次污染需要注意的是：
3.2.7湿膜加湿器绝对不能用在医院场合。湿膜加湿器的初投资和运行费用都非常便宜，而被广泛地应用在民用建筑中需要加湿但对湿度控制要求又不高的地方。但由于湿膜的加湿原理是通过空气和水在湿膜上进行交换，而潮湿的湿膜是细菌最容易滋生的环境，因此对于特别要注意防止二次污染的生物洁净空调来讲，是绝对不容许的。因此，湿膜加湿是绝对不能应用于医院、制药等生物洁净场所，而没有冷凝水产生的干蒸汽加湿、电极加湿、电热加湿才被广泛地应用于生物洁净室空调。
3.2.8风机盘管、自带冷热源的挂机、柜机不适合在手术室、产房、ICU、感染隔离室、各种实验室、放射科等场所使用。风机盘管、挂机等都有一个冷凝水盘，里面潮湿的环境也是细菌容易滋生。同样的道理，医院的空调主机也尽量选用风冷主机，因为水冷主机的冷却塔也是军团菌等容易细菌生长的地方。
3.3机组要有良好的杀菌灭毒功能。
3.3.1空气处理机组至少要有两级过滤器，过滤器可以有效的空气的尘埃，也可以阻断细菌和病毒在空调系统中传播和扩散，特别是高效过滤器，对于大气中浮游的病毒、细菌的捕捉效率实际上能达到100%，也可采用有效防止过滤器细菌滋生的过滤器。如含抗菌剂INTESEPT的过滤器、二氧化钛过滤器等，过滤器要定期更换。
3.3.2在机组的回风口加电子灭菌装置
3.3.3初效过滤器一般采用一次性的过滤器，使用一段时间后直接丢掉，而不应该再次使用。
3.3.4机组设置紫外线杀菌灯，紫外线照射的杀菌机理是使微生物细菌内核酸、原浆蛋白和酶发生化学变化而死亡。紫外线消毒有广谱杀菌作用，能杀灭各种微生物，紫外线杀菌灯一般装在空调箱的下游段，如盘管段和过滤段的迎风面前面。
3.4自动控制程度高。由于医院各部门使用时间、要求的温湿度、负荷各不相同，空调系统分区要细化，各个房间独立控制与调节，这就要求医用的空气处理机组配备高配置的控制系统。
3.5防止空调系统的噪音、设备的震动及较大的风速刺激病人。由于医院的病人抵抗能力比较弱，噪声、和设备的震动都会引起其不安，影响治疗的效果，所以医院空气处理机组需要有更好的减震降噪措施。
3.6药厂对特殊药品生产造成的污染和交叉污染会严重影响其他药品，需要严格分开。如：青霉素类、避孕药品、放射性药品、疫苗、血液制品等，这在空气处理机组的选型特别要主要，应该多了解工艺流程，对于不合理的空调系统，应该反应给设计院和业主。
3.7排风机尽可能设在排风管末端，使整个排风管路为负压，排放有害物以及放射性气溶胶等的污染物质，应在排风入口设HEPA过滤器。

洁净室FFU控制系统
• 随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对产品质量的要求也越来越高。而生产技术和生产环境决定了产品质量，这就迫使厂家追求更好的生产技术和更高的生产环境。特别是电子、制药、食品、生物工程、医疗、实验室等领域对生产环境有着苛刻的要求，它综合了工艺、建筑、装饰、给排水、空气净化、暖通、空调、自动控制等多方面的技术。衡量这些行业生产环境质量的主要技术指标有温度、湿度、洁净度、风量、室内正压等。因此，对生产环境的各个技术指标进行合理的控制，以满足特殊生产工艺的要求，成为了现在洁净工程的研究热点之一。FFU作为一种净化设备，目前在各种洁净工程中得到广泛应用。FFU的全称叫Fan Filter Unit“风机过滤单元”，也就是风机和过滤器连接在一起，能自己提供动力的洁净设备，早在二十世纪六十年代，世界上第一个层流洁净室的建立就已经开始出现FFU的应用了。
2.FFU控制方式现状
目前FFU一般采用单相多速交流电机、三相多速交流电机和直流电机。电机的供电电压大致有110V、220V、270V、380V四种。其控制方式主要分为以下几种：
◆ 多档开关控制
◆ 连续速度调节控制
◆ 计算机控制
◆ 遥控控制
下面对以上四种控制方式做一简单分析与比较：
2.1多档开关控制
多档开关控制系统只包括FFU自带的一个调速开关和一个电源开关。由于控制元件为FFU自带，分布在洁净室吊顶内的各个位置，工作人员必须在现场通过拨挡开关来调节FFU，控制起来极不方便，而且FFU的风速可调范围有限，仅限于几档。我们曾经做过一个项目，为了克服FFU控制操作不方便的因素，经过电气线路的设计，把所有FFU的多档开关集中起来，放到地面上一个柜子内，实现集中操作，但无论是从外观还是功能上都存在其局限性。采用多档开关控制方式优点是控制简单、成本低，但存在许多缺陷：比如：能耗大、不能平滑调速、没有反馈信号、不能实现灵活的组群控制等。
2.2连续速度调节控制
连续速度调节控制与多档开关控制方式相比，多了一个连续速度调节器，使FFU风机转速连续可调，但同时也牺牲了电机效率，使其能耗比多档开关控制方式还要高。
2.3计算机控制
计算机控制方式一般采用直流电机，与前面两种方式相比，计算机控制方式具有以下先进的功能：
◆ 采用集散型控制方式，能够很方便的实现FFU的集中监测和控制。
◆ 可方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。
◆ 智能化控制系统具有节能功能。
◆ 可采用可选的遥控方式进行监测和控制。
◆ 控制系统预留通信接口，可与上位机或网络进行通讯，从而实现远程通信和管理功能。
控制直流电机的突出优点在于：容易控制、调速范围较宽。但该控制方式也有一些致命的缺陷：
◆ 由于洁净厂房不允许FFU电机带有电刷，因此，FFU的电机均采用无刷直流电动机，换相问题则由电子换相器解决，而电子换相器的寿命短使整控制系统的使用寿命也大大降低。
◆ 整套系统造价昂贵。
◆ 后期维护费用高。
2.4遥控控制方式
遥控控制方式作为计算机控制方式的一种补充，可使用遥控器对每台FFU进行控制，与计算机控制方式相辅相成。
综上所述：前两种控制方式能耗高、控制不方便；后两种控制方式寿命短、成本高。那有没有一种控制方式既能做到能耗低、控制方便，又能保证使用寿命、成本不高呢？有，那就是采用交流电机的计算机控制方式。
交流电动机同直流电动机相比较，具有结构简单、体积小、制造方便、运行可靠、价格低谦等一系列的优点，由于其不存在换相问题，其使用寿命远远超过直流电机。长期以来由于其调速性能很差，因此，调速方式一直被直流调速方式所占领。但随着新型电力电子器件与大规模集成电路的出现和发展，以及新的控制理论不断的出现及应用，交流控制方式也逐渐发展起来，并将最终取代直流调速系统。
在FFU交流控制方式中，又主要分为两种控制方式：调压控制方式和变频控制方式。所谓调压控制方式，就是通过直接改变电动机定子电压的大小来调整电动机的转速。调压方式的缺点是：调速时的效率较低，低速时，电机发热严重、调速范围较窄等。但是，调压方式对于FFU风机负载来说，其缺陷不是很明显，并且在目前的情况下还有一些优点：
◆ 调速方案成熟，调速系统稳定，能够保证长时间无故障连续运行。
◆ 操作简便，控制系统造价低。
◆ 由于FFU风机负载很轻，在低速时，电机发热不是很严重。
◆ 调压方式特别适合于风机负载，由于FFU风机负责曲线为独特的阻尼曲线，因此，调速范围可以做到很宽。
因此，在今后的一段时期内，调压方式还将是一种主要的调速方式。
变频控制方式就是通过改变电源频率f的方式来调速电动机的转速，同时，按一定比例调整整电动机的输入电压。变频控制方式具有优异的性能，调速范围大，平滑性较高，调速效率高等。变频一般采用较先进的SPWM控制方式，并采用单片机生成SPWM波形。SPWM变频方式同其它变频方式相比具有以下特点：1）结构简单，控制方便；2）输入功率因数高；3）系统动态响应快；4）输出谐波少。在目前的情况下，与调压方式相比，变频方式也有一些缺点，这主要体现在以下两个方面：
◆ 变频方式造价比较高。为了使变频器的输出谐波尽可能的减少，逆变器的功率开关器件的开关频率要尽可能的高。因此，一般采用GTR、GTO、PMOSFET作为开关器件。上述这些器件本身造价较高。因此，变频控制方式整体造价也比较高。
◆ 使用寿命不如调压方式长。由于异步电动机属于感性负载，功率因数不会等于1.0，故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件（电容器）来缓冲。电容器的寿命大大限制了变频器的使用寿命。即使是最先进的变频器厂商，其变频器寿命也受此限制。
随着半导体技术的不断发展，可以预料，一些简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速系统将不断出现，异步电动机的变频调速方法的应用将日见广泛，并将最终取代直流调速方式和调压调速方式。
3.FFU智能化控制系统
目前，在FFU的应用领域内，其控制系统的应用率还是比较低的，而且在国际市场上流行的FFU智能化控制系统中，一般只针对配备无刷直流电机的FFU。特别是在全球能源越趋紧张的今天，控制系统的节能效益越来越被人所重视。每个洁净室根据产品的生产工艺，决定相应的风速，同时又不得不考虑能耗问题。而一般的控制系统所能调节的风速范围有限，不能根据具体的要求提供精确的风速，特别是在8小时之外的休息时间，仍然保持较高的风速，这无疑带来了能源上的巨大浪费。针对这种现状，最近推出了能够数字化调节风速的HH-F系列FFU智能化控制系统。该系统操作简单，界面友好，特别是可根据洁净室的具体风速要求（例如0.37m/s,0.28m/s），数字化设定。
HH-F系列FFU控制系统是一套集散型控制系统，能够方便的实现现场分散控制和集中统一管理功能。可灵活控制洁净室每台风机的起停和风速，该控制系统利用中继器技术，解决了485驱动能力有限的问题，可控制无限台风机。本控制系统包括以下四部分内容：
◆ 现场智能控制器
◆ 有线集中控制方式
◆ 遥控控制方式
◆ 系统综合功能
控制系统拓扑图如下图：
3.1现场智能控制模块
现场智能控制模块以单片机为核心处理器来实现控制功能。一台智能模块控制一台FFU。现场智能控制模块分为调压模块和变频模块，两种智能控制模块能够实现以下控制功能：
1）智能模块具有很强的开放性，通过可选的手操器（可插拔式）可实现现场控制：通过预留的RS485接口可实现远程集中控制和故障诊断与设定：通过可选的遥控组件（可插拔式）可实现遥控控制。
2）通过可插拔的手操器能够实现FFU的启停和准确的无级调速，能够显示FFU出口风速值。
3）该智能模块使FFU具有节能功能。
4）具有过载和短路保护功能：过载时，提示报警单元报警；短路时，提示报警单元报警并自动切断FFU电源。
3.2有线控制方式
有线控制方式为可选控制方式，它通过现场智能模块预留的RS485接口来实现。为了满足不同用户的需求我们采用控制盘和触摸屏两种控制方式，控制盘操作简便，但显示不太直观，实现功能有限；触摸屏成本操作方便，显示画面丰富，功能强大。
触摸屏控制方式主要由以下三部分组成：1）中央控制单元；2）人机界面单元；3）报警控制单元。
1）中央控制单元，采用PLC控制器。能够实现以下控制功能：
◆ 与现场智能控制模块采用RS485总线制联结方式，对采集到的现场数据进行分析、处理；实现对现场设备的控制功能。从而实现对现场所有FFU的集中监测和控制。
◆ 与报警控制单元进行通讯。
◆ 与人机界面单元进行通讯。
2）人机界面单元，采用触摸屏实现远距离对FFU的监控和调节。能够实现以下控制功能：
◆ 能够方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。也就是说，能够同时控制任意台数的FFU。
◆ 能够实现任意台数FFU的启停和调速功能，调速功能能够实现数字化，即直接输入预期的风速值（如：0.25、0.31等），以达到调速的目的。
◆ 能够对任意一台FFU的风速值进行监测。
◆ 当有故障FFU报警时，能实时的显示故障FFU。
3）报警控制单元，采用声光报警装置，通过与中央处理单元的通讯，当有任何一台或多台FFU发生故障时，该控制单元实时发出声光报警，并与人机界面单元进行配合，迅速确定故障FFU，确保监控人员及时处理故障。
控制盘控制方式：根据实际系统的需要，中继器有相应数量的485通讯插座，每个插座对应一组FFU控制器。通过控制盘可对每个控制器进行控制。控制功能如下：
1）对整个洁净室某一组风机起停进行控制，可对某一组风机的风速进行统一设置。
2）对整个洁净室的某一台风机起停进行控制，可对某一台风机的风速进行设置。
3）可对某一组风机数量进行设置。（系统规定每组风机数量最多位16台）。
4）对整个洁净室的某一台风机运行状态进行查询，如风机的起停状态，风机的运行风速。
5）短路保护功能：当发生短路时，能够自动切断FFU的电源以保护设备。
3.3遥控控制方式
遥控控制方式为可选控制方式。它通过现场智能模块预留接口，通过可插拔的通讯模块来实现遥控控制方式。具体功能由手操器实现，采用一对多的控制方式进行控制。手操器能实现以下控制功能：
1）能够方便的实现每台FFU的启停和调速功能。调速功能能够实现数字化，即直接输入预期的风速值，以达到调速的目的。
2）能够对每一台FFU的风速值进行监测。
3.4系统综合功能
控制系统还能够实现如下功能：
1）交流调压方式控制系统能够保证正常使用条件下长时间无故障连续运行，正常使用条件下能保证8万小时以上。
2）整套控制系统布局合理、接线简单。
3）在满足洁净要求的前提下，可根据实际情况设定风速转速，最大限度降低风机功耗，达到节能目的。
4）对风机转速进行时序控制，在非工作时间内，自动降低风机转速维持室内洁净要求，达到节能目的。
4.结论
综上所述，不难看出随着高科技产业的飞速发展，大规模应用FFU的洁净室也将越来越多。洁净室中FFU的集中控制也将是设计人员和业主们必须关注的问题。