如何计算洁净室换气次数

摘要：為(wèi)减少洁净室能(néng)耗，提出了理(lǐ)论计算洁净室换气次数的新(xīn)数學(xué)模型，新(xīn)模型基于室内空气颗粒物(wù)输送的模拟流程，室内气溶胶浓度计算考虑了换气次数、室内颗粒物(wù)散发量、过滤器效率、新(xīn)风比和室外气溶胶浓度等多(duō)个参数．将新(xīn)的数學(xué)模型与以往的数學(xué)模型进行了对比，新(xīn)的数學(xué)模型考虑了更多(duō)的环境参数和变量的影响，这使得新(xīn)的数學(xué)模型计算得出的换气次数更合理(lǐ)、更精确．采用(yòng)敏感性分(fēn)析的方法，评价了各个变量对洁净室洁净度的影响大小(xiǎo)．研究结果表明计算室内气溶胶浓度时考虑更全面的参数变量可(kě)以把洁净室的换气次数降到最小(xiǎo)并满足洁净室要求，从而有(yǒu)效降低洁净室的能(néng)耗．

洁净室是指悬浮粒子的浓度受控，其建造和使用(yòng)方式使得进入、产生、滞留于室内的颗粒物(wù)最少；室内的其他(tā)参数，如温度、湿度、气压按需要受控^[1]，也就是说不论外界的空气条件如何变化，洁净室内都能(néng)具有(yǒu)维持原先所设定的洁净度、温湿度及压力等特性. 非单向流洁净室也俗称乱流洁净室，利用(yòng)过滤效率超过99.97%的高效颗粒物(wù)空气(HEPA)过滤器去除送风中的颗粒物(wù)，大量洁净空气送入房间稀释颗粒污染物(wù)，降低气溶胶计数浓度达到要求的洁净室级别．洁净室可(kě)以分(fēn)為(wèi)工业洁净室和生物(wù)洁净室．目前，洁净室在医药与医學(xué)行业、化妆品行业、半导體(tǐ)行业、食品行业以及生物(wù)工程行业等得到了广泛的应用(yòng)．然而随着洁净室的广泛应用(yòng)，洁净室的高能(néng)耗问题越来越引起人们的关注．為(wèi)了维持洁净室内较低的颗粒物(wù)浓度，洁净室设计人员通常通过提高换气次数利用(yòng)洁净空气稀释颗粒污染物(wù)的方式来实现，这就使得洁净室的能(néng)耗是相同空间普通建筑的能(néng)耗的50 倍左右^[2]．现在洁净室的换气次数大致范围為(wèi)15～600次/h，而普通建筑的换气次数大致范围為(wèi)6～25 次/h，洁净室的换气次数不仅要满足热、湿负荷的需要，更重要的是稀释和去除室内颗粒物(wù)从而达到降低室内

颗粒物(wù)浓度的目的，较大的换气次数虽然能(néng)满足洁净室洁净级别的要求，但是却造成了巨大的能(néng)源浪费，给國(guó)家和企业造成沉重的能(néng)源负担和经济负担．随着我國(guó)经济的飞速发展，大量的工业洁净室和生物(wù)洁净室相继建成，洁净室面积呈现飞跃增長(cháng)，洁净室节能(néng)已迫在眉睫，而洁净室节能(néng)的关键是减少送风量，即减少换气次数．筆(bǐ)者重点讨论了洁净室换气次数的新(xīn)计算方法，并对新(xīn)计算方法的变量灵敏性和节能(néng)性进行了分(fēn)析．

1 洁净室设计中换气次数的计算方法及不足

目前，洁净室设计中广泛采用(yòng)以下3 种计算方法来确定换气次数．

第一种计算方法是根据各个标准推荐的换气次数建议值，这些标准包括IEST(美國(guó)环境科(kē)學(xué)与技术學(xué)会)推荐的建议值^[3]、ISO(國(guó)际标准化组织)推荐的建议值^[4]和國(guó)标GB50073 推荐的建议值^[5]等．这些标准中推荐的不同级别洁净室换气次数如表1 所示．然而，这些标准中的建议值来源于标准制定专家委员会的工程经验，只是建议了满足洁净室级别所需要的换气次数(出于安全保险的原因，实际上是最大颗粒物(wù)污染负荷情况下的建议值)，没有(yǒu)给出科(kē)學(xué)的计算方法，更没有(yǒu)考虑每个洁净室的实际情况，忽略了许多(duō)关键性因素的定量分(fēn)析，如室内颗粒物(wù)的产生率、颗粒物(wù)的表面沉降率、通过送风进入室内的颗粒物(wù)的浓度和通过回风和排风带走的室内颗粒物(wù)等．这种按照标准建议方法确定的换气次数使其偏离于实际需要，很(hěn)多(duō)情况下换气次数很(hěn)高但洁净室的洁净度并没有(yǒu)明显提高，究其原因就是没有(yǒu)考虑洁净室的实际需要而盲目地参考标准的建议值．

第2 种计算方法是根据一些专家或學(xué)者推荐的经验换气次数计算公式来确定换气次数^[6-7]．同样，这种方法也仅考虑了一些简单可(kě)预测的因素，忽略了大量决定性因素，使得洁净室的换气次数与实际需要值偏差较大．

第3 种计算方法是一些有(yǒu)经验的设计人员根据以往的设计经验来确定洁净室的换气次数^[8-10]．采用(yòng)这种计算方法时设计人员往往只考虑建筑物(wù)的體(tǐ)形系数、洁净级别等，这种计算方法虽然也能(néng)满足洁净级别，但具有(yǒu)一定的盲目性，忽略了不同工艺类型洁净室之间的差别，当洁净级别不能(néng)满足洁净度要求时，设计人员又(yòu)试图通过提高换气次数来满足洁净级别，结果造成洁净室换气次数偏大，使洁净室的能(néng)耗增大．

现有(yǒu)的确定洁净室换气次数的计算方法都是仅仅从洁净级别变化单值函数的角度来确定洁净室的换气次数，上述3 种计算方法不同程度地忽略了一些关键性的变量，如室内颗粒物(wù)的产生率、颗粒物(wù)的表面沉降率、送风带入室内的颗粒物(wù)、回风去除的室内颗粒物(wù)和排风带走的室内颗粒物(wù)等，从而造成无论是各个标准对换气次数的建议值或是根据经验公式都出于对最大颗粒物(wù)污染负荷情况的考虑，得到的计算值都会使洁净室的换气次数偏大，而工程实践中已经证明小(xiǎo)的换气次数同样能(néng)够满足洁净室的洁净级别^[11]．基于这种情况，迫切需要一种更科(kē)學(xué)全面的精确计算方法来确定洁净室的换气次数．科(kē)學(xué)的换气次数计算方法，应包括所有(yǒu)的影响洁净室洁净度的相关参数变量及动态变化．随着科(kē)技的发展，一些原来不能(néng)准确测量的变量，如气溶胶颗粒物(wù)的沉降率等已经可(kě)以测量，并且可(kě)以定量地加以计算，这就為(wèi)全面科(kē)學(xué)的洁净室换气次数计算方法提供了可(kě)能(néng)．

2 洁净室换气次数的计算模型

新(xīn)的计算模型中应该包括所有(yǒu)的影响洁净室洁净级别的关键性参数和变量，以至于在洁净室设计中完全可(kě)以通过计算这些关键性的参数和变量来科(kē)學(xué)地确定洁净室的换气次数．在设计中，洁净室的基本空调净化气流循环模型如图1 所示．图1 中：V 為(wèi)洁净室體(tǐ)积，m³；q_V,OA為(wèi)新(xīn)鲜空气體(tǐ)积流量，m³/h；q_V,SA 為(wèi)送风的體(tǐ)积流量，m³/h；q_V,EA為(wèi)排风的體(tǐ)积流量，m³/h；q_V,RA 為(wèi)回风的體(tǐ)积流量，m3/h；q_V,Q 為(wèi)漏风的體(tǐ)积流量，m³/h；Cs 為(wèi)洁净室内颗粒物(wù)的浓度，个/m³；C₀為(wèi)新(xīn)鲜空气颗粒物(wù)的浓度，个/m³；E_U為(wèi)空气处理(lǐ)机组中过滤器的总效率；E 為(wèi)高效过滤器的效率；G 為(wèi)洁净室内颗粒物(wù)的产生率(整个洁净室的平均值)，个/m³·h)；D 為(wèi)洁净室内颗粒物(wù)的表面沉降率，个/(m³·h).

根据此洁净室的基本气流模型，由颗粒物(wù)的质量平衡方程得到换气次数的计算式，计算式推导如下：在d_t时间内，洁净室内颗粒物(wù)的改变量＝送风导致的颗粒物(wù)的增加量＋洁净室内颗粒物(wù)的产生量-回风带走的颗粒物(wù)的质量-排风带走的颗粒物(wù)的质量-漏风带走的颗粒物(wù)的质量(当洁净室為(wèi)负压时，符号為(wèi)+)-洁净室内颗粒物(wù)的沉降量，即

           (1)                                                            

式中t為(wèi)时间，h.

颗粒物(wù)的沉降率D 可(kě)以间接地通过颗粒表面检测仪的测量结果计算出来．测量值是由一定时间内各个表面沉降的颗粒数的总和，即沉降的总的颗粒数，除以洁净室的體(tǐ)积和沉降时间，就可(kě)以算出颗粒物(wù)的沉降率．整理(lǐ)式(1)可(kě)得

       （2）

式中：m 為(wèi)新(xīn)风百分(fēn)数，反映了送入洁净室内的总风量中新(xīn)风的百分(fēn)数；r 為(wèi)回风百分(fēn)数，反映了送入洁净室内的总风量中回风的百分(fēn)数.令m = q_V,OA /q_{V ,SA},r = q_V,RA/ q_V,SA，所以m+ r =1 .根据气流平衡方程，忽略空气处理(lǐ)机组和洁净室内不同气流间的密度差，则对于空气处理(lǐ)机组有(yǒu)q_{V ,SA} = q_{V ,OA} + q_{V ,RA}，对洁净室则有(yǒu)q_V,SA = q_{V ,EA} + q_{V ,Q} +q_{V ,RA}，于是由式(2)得

               （3）

将换气次数n= q _V,SA/V代入式(3)，得

             (4)

為(wèi)了研究方便定义参数a 与b，即

(5)

所以          

当时间由0 到t 时，洁净室内颗粒物(wù)的浓度由C_s0 到C_st，对式(5)积分(fēn)得

               (6)

式中：C_st為(wèi)t 时刻洁净室内颗粒物(wù)的浓度(洁净度)，个/m³；C_s0為(wèi)起始时刻洁净室内颗粒物(wù)的浓度，个/m³.

 针对式(6)积分(fēn)得到洁净室换气次数新(xīn)方程的瞬态方程為(wèi)

        (7)

当t →∞(无穷大)，得稳态方程為(wèi)

     (8)

式(8)以无量纲的形式表示，整理(lǐ)得

               (9)

在这里过滤器的总效率為(wèi)

                               (10)

式中：i 為(wèi)空气处理(lǐ)机组中的第i 个过滤器；n 為(wèi)空气处理(lǐ)机组中过滤器的总数．

令θ= D/G ，则式(8)可(kě)变為(wèi)

          (11)

式中：θ為(wèi)沉降下来的颗粒物(wù)占产生的颗粒物(wù)的百分(fēn)比．

3洁净室换气次数的计算模型比较

新(xīn)的洁净室气溶胶浓度计算数學(xué)模型与文(wén)献^{[6-7，12-15]}研究的数學(xué)模型对比见表2．从表2 可(kě)以看出，新(xīn)的计算模型更全面地描述了洁净室的工作状态，它包括所有(yǒu)关键性的变量和参数，这使得新(xīn)的方程更完整，由此计算出的换气次数也更准确、更科(kē)學(xué)、更接近于实际需要．

4 新(xīn)的洁净室气溶胶浓度计算数學(xué)模型中关键变量分(fēn)析

4.1 变量灵敏度分(fēn)析

新(xīn)的模型中包含了许多(duō)以前模型中没有(yǒu)的关键性变量，这些关键性变量对洁净室内颗粒物(wù)的浓度都有(yǒu)影响．為(wèi)了研究这些关键性变量对洁净度的影响，需要进行变量的敏感性分(fēn)^[16]．现对式(10)中的一些关键性变量进行微分(fēn)计算，进而研究这些关键性变量对洁净室内气载颗粒物(wù)浓度影响程度．為(wèi)了研究换气次数n 对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

         (12 )

為(wèi)了研究洁净室内颗粒物(wù)的产生率G 对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

             (13)

為(wèi)了研究洁净室室外颗粒物(wù)浓度C0 对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

                 (14)

為(wèi)了研究新(xīn)风的百分(fēn)比m 对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

為(wèi)了研究洁净室内颗粒物(wù)的表面沉降率D 对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

        (15)

為(wèi)了研究洁净室内的漏风百分(fēn)比θ对洁净室内颗粒物(wù)浓度C_st的影响，有(yǒu)

         (16)

為(wèi)了更直观地说明各个关键性变量的重要性，现将给出一组典型的非单向流洁净室参数值：m＝15%，n＝200，G＝100 个/(m³·h)，C₀＝105 个/m³，E_U＝95%，E＝99.997%，θ＝15%，代入上述微分(fēn)方程进行计算，得

由计算可(kě)以得出

从微分(fēn)的计算结果可(kě)以看出换气次数对洁净室内颗粒物(wù)的浓度C_st影响最大，也就是说换气次数是最关键的变量，室外新(xīn)风浓度影响最小(xiǎo)．这是根据典型的洁净室的参数值得出的结果，洁净室的设计人员和使用(yòng)人员可(kě)以通过使用(yòng)自己的洁净室的参数值分(fēn)析这些变量的相对重要性．在洁净室设计、运行、使用(yòng)过程中控制主要参数，做到有(yǒu)的放矢，而不是盲目地去控制某一变量．

现以洁净室ISO6 级為(wèi)例进一步说明新(xīn)数學(xué)模型对洁净室洁净度的影响，洁净室ISO6 级规定洁净室的洁净度為(wèi)大于等于0.5μm 的悬浮颗粒数每立方米不超过35200．对于新(xīn)的数學(xué)模型式(8)，当m＝15%、E_U＝95%、E＝99.97%、θ＝15%、C_st＝17,600 个/m³(取洁净室ISO6 级洁净度下限的一半)和C0＝109个/m³(≥0.5μm 的颗粒物(wù))时，换气次数為(wèi)

            (17)

当洁净室内颗粒物(wù)的产生率G(≥0.5μm 的颗粒物(wù))不相同时，换气次数见表3.

洁净室ISO6 级对洁净室换气次数的建议值為(wèi)70～160,次/h(见表1)，而新(xīn)模型中即使是室内颗粒物(wù)的产生率达到106 个/(m³·h)(≥0.5μm 的颗粒物(wù))，换气次数仅為(wèi)48次/h，即可(kě)满足洁净室ISO6 级的洁净级别．而事实上现在洁净室运行过程中，由于采取严格的技术措施，如员工穿洁净服、员工定期清洁洁净室、设置吹淋室等措施，洁净室≥0.5μm 的颗粒物(wù)的产生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于106 个/(m³·h)(≥0.5μm 的颗粒物(wù))^[15]，也就是说在洁净室中使用(yòng)小(xiǎo)的换气次数完全可(kě)以达到洁净级别的要求．因此小(xiǎo)的换气次数同样能(néng)够满足洁净室洁净级别的要求，没有(yǒu)必要盲目加大换气次数带来不必要的能(néng)量浪费．

4.2 变量的改变对洁净室内洁净度的影响

变量的改变对洁净室内洁净度的不同程度的影响如图2～图5所示．

图2 為(wèi)在E_U＝0.95、E＝0.9997、D＝0.5 个/(m³·h)、m＝0.05、C₀＝3×106个/m³和θ＝0.05 时，室内颗粒物(wù)的产生率对洁净度的影响．由图2 中可(kě)以看出，洁净室内颗粒物(wù)的产生率对洁净室内洁净度影响很(hěn)大，室内颗粒物(wù)的产生率越高洁净室内颗粒物(wù)的洁净度就难以控制，当室内颗粒物(wù)的产生率较大(譬如大于105)时，即使换气次数增加到100 次/h，洁净室内的洁净度依然低．从图2 中还可(kě)以看出，换气次数增加到100 左右时，如果再继续增大换气次数则对洁净室的洁净度影响很(hěn)小(xiǎo)．所以通过增大换气次数来提高洁净室的洁净度并不是万能(néng)的．这是因為(wèi)室内颗粒物(wù)的产生率越大，则需要的洁净空气就越多(duō)，但是当换气次数增大到一定程度时，洁净室内的洁净空气的增加会导致室内产生更多(duō)的涡流區(qū)，涡流區(qū)的增加会导致室内的洁净度难以控制．当室内颗粒物(wù)的产生率较大而又(yòu)不可(kě)避免时，采用(yòng)局部排风技术及时把产生的颗粒物(wù)排出去是最好的解决方式，没有(yǒu)必要盲目增大换气次数．

图3 為(wèi)在E_U＝0.95、G＝10 个/(m³·h)、m＝0.05、D＝0.5 个/(m³·h)、C₀＝3×106 个/m³和θ＝0.05 时，末端过滤器的效率对洁净度的影响．由图3可(kě)以看出末端高效过滤器的效率越高，则洁净室内的洁净度越高．图3 反映出末端高效过滤器的效率确定后，换气次数增加到一定程度后对洁净室内的洁净度几乎没有(yǒu)影响，在换气次数大于80 后洁净度和换气次数的关系几乎是一条水平直線(xiàn)．这样的近似直線(xiàn)关系说明换气次数大于80 时，增加换气次数并不能(néng)提高洁净级别而只会造成能(néng)量的浪费．

图4 為(wèi)在E_U＝0.95、G＝10 个/(m³·h)、E＝0.9997、D＝0.5 个/(m³·h)、C₀＝107个/m³和θ＝0.05时，新(xīn)风百分(fēn)比对洁净度的影响．由图4 可(kě)以看出增加洁净室外的新(xīn)风对洁净度的影响是微乎其微的，新(xīn)风的增加必然导致冷热负荷的增加，因此在洁净室设计中新(xīn)风量只要满足人员的基本需要即可(kě)．同时，图4 也进一步说明小(xiǎo)的换气次数就能(néng)满足洁净级别的要求，增加换气次数并不能(néng)提高洁净级别．

图5 為(wèi)在E_U＝0.95、G＝10 个/(m³·h)、E＝0.9997、m＝0.05、C₀＝107 /m³和θ＝0.05 时，新(xīn)风颗粒物(wù)的浓度对洁净度的影响．由图5 可(kě)知，当室外颗粒物(wù)的浓度不同时，4 条曲線(xiàn)几乎是重合的．这充分(fēn)说明室外颗粒物(wù)的浓度对室内的洁净度的影响几乎是一样的，洁净度不因室外颗粒物(wù)的浓度的大小(xiǎo)而变化，这是因為(wèi)过滤器的过滤效率不因室外浓度的变化而变化，对于一个成型的过滤器而言过滤器的过滤效率与颗粒物(wù)浓度的大小(xiǎo)没有(yǒu)直接关系，所以室外颗粒物(wù)浓度的增加并不会影响过滤器的过滤效率，也就不会影响洁净室内的洁净度^[17]．尽管如此，在建造洁净室时还是要选择洁净室室外颗粒物(wù)浓度较小(xiǎo)的地方建造，因為(wèi)颗粒物(wù)的浓度太高对过滤器的寿命影响很(hěn)大，这会导致频繁地更换过滤器从而增加洁净室的运行费用(yòng)．

5 结语

新(xīn)提出的洁净室室内气溶胶浓度计算模型不仅包含换气次数，还包括其他(tā)关键性的变量，如颗粒物(wù)的产生率、颗粒物(wù)的沉降率、送风引起的颗粒物(wù)的增加、回风和排风引起的颗粒物(wù)的减少以及漏风引起的颗粒物(wù)的增加或减少等，这些变量都不同程度地影响洁净室的洁净级别．多(duō)变量新(xīn)模型比换气次数单值函数经验公式模型更科(kē)學(xué)，这些变量的合理(lǐ)控制，要比仅仅使用(yòng)控制换气次数来满足洁净级别具有(yǒu)更多(duō)的选择性．对于不同的洁净室设计工况，这些变量对洁净度的影响程度不同，通过变量灵敏度分(fēn)析发现，除了换气次数，洁净室内颗粒物(wù)的产生率对洁净室内洁净度影响很(hěn)大．室内颗粒物(wù)的产生率很(hěn)高时，增加换气次数超过100 次/h 也难以控制洁净的洁净度；新(xīn)风比例及室外新(xīn)风颗粒物(wù)浓度变化对洁净室洁净度几乎没有(yǒu)影响．利用(yòng)新(xīn)模型优化设计洁净室，比采用(yòng)推荐值可(kě)减少不必要的洁净室换气次数，使洁净室的通风净化能(néng)耗减少．

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