净化空调MAU+FFU+DC系统设计探讨

0 引言

MAU+FFU+DC系统即是组合式新风机组（Make-up Air Unit）+ 风机过滤器单元（Fan Filter Unit）+ 干盘管（Dry coil）系统。最常见的形式如图1 所示。

图1 MAU+FFU+DC系统图

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30Pa ~50Pa，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10Pa）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+10Pa（相对室外非洁净区），回风孔板和回风夹道风压损失5Pa，若干盘管风压损失为40Pa，则可知静压箱内压力为-35Pa（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GB50073《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5Pa，洁净区与室外的压差，应不小于10Pa。

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15Pa （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5Pa。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5Pa计算（计算方法见本文第2节），得出迎面风速约为0.34kg/(m2.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+45Pa（相对室外非洁净区），回风孔板和回风夹道风压损失5Pa，若干盘管风压损失为30Pa，则可知静压箱内压力为+10Pa（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50Pa。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+45Pa，则其它高级别区域则应该按照规范以5Pa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；N1为过滤器前空气的含尘浓度，mg/m3；Q为过滤器的风量，m3/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：

N1= M(1-S)(1-ηn)+NrS(1-ηr)（2）

式中：M 为大气含尘浓度，mg/m3；S 为循环风比例；Nr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/m3~0.01 mg/m3；ηn为过滤器前的新风通路上的过滤器计重效率；ηr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，ηn和ηr是不同的，N1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：

N1= M（1-S）（1-ηn）+NrS(1-ηr)+ MSl （3）

根据S 的定义，我们可以把Sl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ηn = 1 ，式（3 ）可以写成：N1= NrS（1-ηr）+ MSl（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。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1.150m，长度为3m。顶板竖向接缝为12条，每条长度6.2m，横向接缝7条，每条长度为32.6m，则静压箱顶面接缝长度为302.6m。静压箱高度为2m，同样采用1.15m宽彩钢板，其接缝长度为204m。静压箱接缝总长506.6 m。

注：表中风量暂未考虑房间及静压箱漏风量。

图2 房间设备布置平面图

表2 不同压差下单位长度漏风量

一般洁净室所采用彩钢板宽度均为1.15m，受强度影响，每块板子一般也不超过4m，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。

图2 房间设备布置平面图

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 = 0.3mg/m3，Nr取0.005mg/m3，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20Pa 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20Pa范围内。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20Pa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；vρ为管外空气质量流速kg/(m2.s)；vρ=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，m2。

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，干工况时空气压力损失计算为：

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

由式（6）反算可得到干盘管最大允许流速为：0.97kg/(m2.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/(m2.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/(m2.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20Pa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。