引言

我國(guó)電子工業(yè)發(fā)展迅速，電子無塵車間使用得越來越多，電子無塵車間能耗巨大。推進(jìn)綠色工業(yè)建筑建設(shè)的呼聲越來越高，我國(guó)已于2010?年發(fā)布了綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)導(dǎo)則，綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也即將頒布。在此背景下對(duì)電子無塵車間的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究顯得非常有意義。

1電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素及其特征

1.1?影響因素

潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗由?3?大部分組成：冷熱源系統(tǒng)能耗，冷熱媒輸配能耗，風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗，它們均受負(fù)荷特性的影響，此外冷熱源系統(tǒng)能耗還受冷熱源設(shè)備性能系數(shù)的影響，冷熱媒輸配能耗還受冷熱媒溫差、管路系統(tǒng)的阻力特性、動(dòng)力設(shè)備效率的影響，風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗還受送風(fēng)溫差、管路系統(tǒng)的阻力特性、風(fēng)機(jī)效率的影響。

負(fù)荷特性主要受氣候、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、生產(chǎn)工藝的影響，對(duì)于一個(gè)確定的電子無塵車間，這三方面因素的影響程度也是確定的。設(shè)計(jì)時(shí)，暖通設(shè)計(jì)師可以操控的因素有：冷熱源設(shè)備性能系數(shù)、冷熱媒溫差、動(dòng)力設(shè)備（泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)）效率、冷熱媒管路阻力特性、風(fēng)系統(tǒng)管路阻力特性。

1.2?能耗特征

（1）能耗負(fù)荷大

電子無塵車間潔凈中央空調(diào)具有控制參數(shù)多且控制精度高、夏季溫度偏低冬季溫度偏高、新風(fēng)量大、潔凈中央空調(diào)

負(fù)荷大等特征[3]，這使得其冷熱源系統(tǒng)能耗和冷熱媒輸配系統(tǒng)能耗負(fù)荷大。此外，電子無塵車間的換氣次數(shù)明顯高于民用建筑，且送風(fēng)需一定的過濾處理，這導(dǎo)致其風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗大?？傮w來講電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗負(fù)荷明顯高于一般潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)。

（2）能耗負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定

電子無塵車間大都設(shè)于廠房?jī)?nèi)部，被其他房間包圍，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)少，空間相對(duì)較密閉，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能好，潔凈中央空調(diào)負(fù)荷受外界氣象影響較小而受工藝的影響明顯。生產(chǎn)期間，內(nèi)部工藝均按生產(chǎn)計(jì)劃穩(wěn)定運(yùn)行，因而潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗負(fù)荷也相對(duì)較穩(wěn)定。

（3）能耗受氣流組織影響明顯

GB50472-2008?將無塵車間劃分為9?個(gè)等級(jí)，不同的潔凈度等級(jí)，其氣流組織形式不同。表1?摘取了有關(guān)電子無塵車間氣流流型的選擇要求。取無塵車間層高為3m，則1-5?級(jí)無塵車間的最大換氣次數(shù)將達(dá)600?次/h，不同氣流流型換氣次數(shù)差別很大，由最小10?次/h?到最大600?次/h，這使得其送風(fēng)量相差懸殊，風(fēng)機(jī)的能耗與風(fēng)量成正比[4]，這間接表明氣流組織對(duì)電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗影響顯著。

2?電子無塵車間各氣流組織形式對(duì)比

從整個(gè)電子工業(yè)來看，電子無塵車間的潔凈等級(jí)全部涵蓋了9?個(gè)潔凈等級(jí)。從氣流流型的角度來劃分，電子無塵車間氣流組織形式大致分為3?種：?jiǎn)蜗蛄鳌⒎菃蜗蛄?、混合流，三種氣流的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。單向流又細(xì)分為水平單向流和垂直單向流；非單向流又細(xì)分為頂送側(cè)下回、側(cè)送側(cè)回、頂送頂回，其中頂送側(cè)下回最為常用。各氣流組織形式在實(shí)際工程中具體使用時(shí)，（m.gxshunjiang.com）因所采用的送回風(fēng)口形式、數(shù)量、具體布置方式的不同，其潔凈效果、初投資、運(yùn)行能耗又有較大差別。

3?CFD?在電子無塵車間節(jié)能設(shè)計(jì)中的使用

3.1?電子無塵車間節(jié)能設(shè)計(jì)探討

電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗受多種因素的影響，相應(yīng)地其節(jié)能途徑也有多種。氣流組織對(duì)電子無塵車間能耗影響顯著，優(yōu)化氣流組織設(shè)計(jì)便是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要途徑之一，在滿足工藝要求的前提下合理降低送風(fēng)量，可有效降低風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗。

CFD?的重要功能之一就是能夠?qū)κ覂?nèi)氣流組織效果進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，輔助設(shè)計(jì)師對(duì)氣流組織方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。合理地將CFD?使用于無塵車間氣流組織設(shè)計(jì)中，將能夠有效降低無塵車間的能耗。

3.2?模型假設(shè)與基本方程

室內(nèi)氣流視為常物性不可壓縮牛頓流體，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可視為絕熱，工作人員和工藝設(shè)備作為內(nèi)熱源，無塵車間內(nèi)的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)均視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)?？諝饬鲃?dòng)為湍流，滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。紊流模型目前在通風(fēng)潔凈中央空調(diào)數(shù)值模擬領(lǐng)域使用的最多的是k-ε?兩方程模型，通過求解湍能k?和湍能耗散率ε?的輸運(yùn)方程得到湍流粘性系數(shù)。

3.3?網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格所需網(wǎng)格數(shù)小于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[5]，如果幾何模型較規(guī)整，則選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較好，既可保證計(jì)算精度計(jì)算速度又快。在速度梯度大的地方（送風(fēng)口和回風(fēng)口等），網(wǎng)格要適當(dāng)加密。

3.4?邊界條件

壁面邊界：用低雷諾數(shù)法處理近壁區(qū)域內(nèi)的紊流， 在壁面附近劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，滿足

Vx=Vy=Vz=0，k=0，ε=0；送風(fēng)口：矢量速度和溫濕度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置；回風(fēng)口：

4?工程實(shí)例分析

4.1?工程簡(jiǎn)介及CFD?模型

千級(jí)電子無塵車間，其尺寸為52.8m×12m×2.9m，共有4?條相同的生產(chǎn)線，溫濕度：23±3℃、

40%～60%。氣流組織形式為頂送側(cè)回，吊頂上布置FFU，兩側(cè)墻上設(shè)回風(fēng)口（底離地0.3m），設(shè)計(jì)時(shí)擬采用將FFU?重點(diǎn)布置在生產(chǎn)線區(qū)域的上空，重點(diǎn)保證生產(chǎn)線區(qū)域潔凈度的方案。為了驗(yàn)證該方案的可行性，遂決定進(jìn)行模擬計(jì)算。采用Airpak?進(jìn)行模擬，取其中一條生產(chǎn)線所占區(qū)域?yàn)榻?duì)象，尺寸為13.2×12×2.9，F(xiàn)FU（1200×600）19?個(gè)，回風(fēng)百葉（1000×800）4?個(gè)。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃193479?個(gè)網(wǎng)格，整個(gè)模型及網(wǎng)格劃分如圖1?所示。

圖?1 CFD?幾何模型及網(wǎng)格劃分

Fig.1CFD geometric model and grid division

4.2?求解結(jié)果分析

4.2.1?溫濕度場(chǎng)分析

圖?2 Y=1.0m?溫度場(chǎng)

Fig.2The temperature field on height of 1m

圖?3 Y=1.0m?濕度場(chǎng)

Fig.3The humidity field on height of 1m

圖?4 Y=1.0m?平均空氣齡

Fig.4The average air age on height of 1m

圖2-3?為工作高度范圍內(nèi)（Y=1.0m）溫濕度場(chǎng)，可以看出生產(chǎn)線區(qū)域的溫度明顯高于其它區(qū)域的溫度，這是因?yàn)榘l(fā)熱體集中在生產(chǎn)線區(qū)域；人體表面附近的濕度相對(duì)較高，這是由于人體也在不斷散濕的結(jié)果。生產(chǎn)線操作高度范圍內(nèi)溫度為20-26℃，濕度為40-60%，達(dá)到了工藝要求。

4.2.2?氣流組織分析

圖?5-6?為不同斷面氣流分布圖，可以發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)線操作區(qū)域內(nèi)氣流較均勻，速度為0.1-0.15m/s，工作面以上區(qū)域無渦流；斷面X=6.4m?中部氣流分布明顯優(yōu)于斷面Z=2.6m?處的氣流分布，這是由于斷面X=6.4m?處的工作臺(tái)是不連續(xù)的而是間斷的，氣流可以從間隙處流通，從而改善了整個(gè)氣流分布，這說明工作臺(tái)上的間隙孔明顯改善了氣流組織效果。因此在不影響工藝的前提下，建議業(yè)主考慮在工作臺(tái)上設(shè)一定量的氣流孔，以提高潔凈效果。圖4?為平均空氣齡分布，空氣齡越小空氣新鮮度越高。整個(gè)室內(nèi)最大空氣齡為93.77s，操作線區(qū)域平均空氣齡為35-70s，空氣齡總體來說較小，這間接說明了此方案通風(fēng)效果良好。

圖?5 X=6.4m?氣流分布

Fig.5Air distribution at the section X = 6.4 m

圖?6 Z=2.6m?氣流分布

Fig.6Air distribution at the section Z = 2.6 m

4.2.3?節(jié)能性分析

（1）送風(fēng)量對(duì)比

生產(chǎn)線共?4?條，共有76?個(gè)FFU，每個(gè)FFU?送風(fēng)量為1000m3/h，總送風(fēng)量為76000m3/h。千級(jí)無塵車間相當(dāng)于GB 50472-2008?中潔凈度為N（6）的無塵車間，規(guī)范推薦的換氣次數(shù)為50-60?次/h，一般取55?次/h，對(duì)應(yīng)的計(jì)算送風(fēng)量為101060m3/h。本設(shè)計(jì)方案所減少的風(fēng)量為25060m3/h，減少率為24.8%，所減少的FFU?為25?個(gè)。

（2）能耗節(jié)省量

FFU?的電功率為0.22kW，則所節(jié)省的電功率為5.5kW，假定每天運(yùn)行12?小時(shí)，全年有效上班天數(shù)為250?天，則全年節(jié)省電量為16500kWh。

本 次 設(shè) 計(jì) 為了節(jié)省輸配能耗采用了MAU+FFU+DC?系統(tǒng)即組合式新風(fēng)機(jī)組+風(fēng)機(jī)過濾器單元+干盤管，若采用空氣集中處理集中送風(fēng)的傳統(tǒng)系統(tǒng)，則本方案所節(jié)省的能耗將更可觀。

5?結(jié)論

縱觀全文可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）電子無塵車間能耗影響因素主要有：負(fù)荷特性、冷熱源設(shè)備性能系數(shù)、冷熱媒溫差、動(dòng)力設(shè)備（泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)）效率、冷熱媒管路阻力特性、風(fēng)系統(tǒng)管路阻力特性。

（2）電子無塵車間主要能耗特征有：能耗負(fù)荷大、能耗負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、能耗受氣流組織影響明顯。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工藝特征，采用各種分析方法，研究確定合適的氣流組織形式以期降低電子無塵車間能耗，達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)的目的。

（4）CFD?在驗(yàn)證和優(yōu)化電子無塵車間氣流組織方案中作用明顯，優(yōu)化氣流組織方案可顯著降低能耗，CFD?可以作為電子無塵車間節(jié)能設(shè)計(jì)很好的輔助手段。