摘要：為減少潔凈室能耗，提出了理論計(jì)算潔凈室換氣次數(shù)的新數(shù)學(xué)模型，新模型基于室內(nèi)空氣顆粒物輸送的模擬流程，室內(nèi)氣溶膠濃度計(jì)算考慮了換氣次數(shù)、室內(nèi)顆粒物散發(fā)量、過(guò)濾器效率、新風(fēng)比和室外氣溶膠濃度等多個(gè)參數(shù)．將新的數(shù)學(xué)模型與以往的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了對(duì)比，新的數(shù)學(xué)模型考慮了更多的環(huán)境參數(shù)和變量的影響，這使得新的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的換氣次數(shù)更合理、更精確．采用敏感性分析的方法，評(píng)價(jià)了各個(gè)變量對(duì)潔凈室潔凈度的影響大小．研究結(jié)果表明計(jì)算室內(nèi)氣溶膠濃度時(shí)考慮更全面的參數(shù)變量可以把潔凈室的換氣次數(shù)降到最小并滿足潔凈室要求，從而有效降低潔凈室的能耗．

潔凈室是指懸浮粒子的濃度受控，其建造和使用方式使得進(jìn)入、產(chǎn)生、滯留于室內(nèi)的顆粒物最少；室內(nèi)的其他參數(shù)，如溫度、濕度、氣壓按需要受控[1]，也就是說(shuō)不論外界的空氣條件如何變化，潔凈室內(nèi)都能具有維持原先所設(shè)定的潔凈度、溫濕度及壓力等特性.非單向流潔凈室也俗稱(chēng)亂流潔凈室，利用過(guò)濾效率超過(guò)99.97%的高效顆粒物空氣(HEPA)過(guò)濾器去除送風(fēng)中的顆粒物，大量潔凈空氣送入房間稀釋顆粒污染物，降低氣溶膠計(jì)數(shù)濃度達(dá)到要求的潔凈室級(jí)別．潔凈室可以分為工業(yè)潔凈室和生物潔凈室．目前，潔凈室在醫(yī)藥與醫(yī)學(xué)行業(yè)、化妝品行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、食品行業(yè)以及生物工程行業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用．然而隨著潔凈室的廣泛應(yīng)用，潔凈室的高能耗問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注．為了維持潔凈室內(nèi)較低的顆粒物濃度，潔凈室設(shè)計(jì)人員通常通過(guò)提高換氣次數(shù)利用潔凈空氣稀釋顆粒污染物的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就使得潔凈室的能耗是相同空間普通建筑的能耗的50?倍左右[2]．現(xiàn)在潔凈室的換氣次數(shù)大致范圍為15～600次/h，而普通建筑的換氣次數(shù)大致范圍為6～25?次/h，潔凈室的換氣次數(shù)不僅要滿足熱、濕負(fù)荷的需要，更重要的是稀釋和去除室內(nèi)顆粒物從而達(dá)到降低室內(nèi)

顆粒物濃度的目的，較大的換氣次數(shù)雖然能滿足潔凈室潔凈級(jí)別的要求，但是卻造成了巨大的能源浪費(fèi)，給國(guó)家和企業(yè)造成沉重的能源負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)．隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量的工業(yè)潔凈室和生物潔凈室相繼建成，潔凈室面積呈現(xiàn)飛躍增長(zhǎng)，潔凈室節(jié)能已迫在眉睫，而潔凈室節(jié)能的關(guān)鍵是減少送風(fēng)量，即減少換氣次數(shù)．筆者重點(diǎn)討論了潔凈室換氣次數(shù)的新計(jì)算方法，并對(duì)新計(jì)算方法的變量靈敏性和節(jié)能性進(jìn)行了分析．

1?潔凈室設(shè)計(jì)中換氣次數(shù)的計(jì)算方法及不足

目前，潔凈室設(shè)計(jì)中廣泛采用以下3?種計(jì)算方法來(lái)確定換氣次數(shù)．

第一種計(jì)算方法是根據(jù)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的換氣次數(shù)建議值，這些標(biāo)準(zhǔn)包括IEST(美國(guó)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(huì))推薦的建議值[3]、ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)推薦的建議值[4]和國(guó)標(biāo)GB50073?推薦的建議值[5]等．這些標(biāo)準(zhǔn)中推薦的不同級(jí)別潔凈室換氣次數(shù)如表1?所示．然而，這些標(biāo)準(zhǔn)中的建議值來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)制定專(zhuān)家委員會(huì)的工程經(jīng)驗(yàn)，只是建議了滿足潔凈室級(jí)別所需要的換氣次數(shù)(出于安全保險(xiǎn)的原因，實(shí)際上是最大顆粒物污染負(fù)荷情況下的建議值)，沒(méi)有給出科學(xué)的計(jì)算方法，更沒(méi)有考慮每個(gè)潔凈室的實(shí)際情況，忽略了許多關(guān)鍵性因素的定量分析，如室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率、顆粒物的表面沉降率、通過(guò)送風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物的濃度和通過(guò)回風(fēng)和排風(fēng)帶走的室內(nèi)顆粒物等．這種按照標(biāo)準(zhǔn)建議方法確定的換氣次數(shù)使其偏離于實(shí)際需要，很多情況下?lián)Q氣次數(shù)很高但潔凈室的潔凈度并沒(méi)有明顯提高，究其原因就是沒(méi)有考慮潔凈室的實(shí)際需要而盲目地參考標(biāo)準(zhǔn)的建議值．

第2?種計(jì)算方法是根據(jù)一些專(zhuān)家或?qū)W者推薦的經(jīng)驗(yàn)換氣次數(shù)計(jì)算公式來(lái)確定換氣次數(shù)[6-7]．同樣，這種方法也僅考慮了一些簡(jiǎn)單可預(yù)測(cè)的因素，忽略了大量決定性因素，使得潔凈室的換氣次數(shù)與實(shí)際需要值偏差較大．

第3?種計(jì)算方法是一些有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定潔凈室的換氣次數(shù)[8-10]．采用這種計(jì)算方法時(shí)設(shè)計(jì)人員往往只考慮建筑物的體形系數(shù)、潔凈級(jí)別等，這種計(jì)算方法雖然也能滿足潔凈級(jí)別，但具有一定的盲目性，忽略了不同工藝類(lèi)型潔凈室之間的差別，當(dāng)潔凈級(jí)別不能滿足潔凈度要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員又試圖通過(guò)提高換氣次數(shù)來(lái)滿足潔凈級(jí)別，結(jié)果造成潔凈室換氣次數(shù)偏大，使?jié)崈羰业哪芎脑龃螅?/p>

現(xiàn)有的確定潔凈室換氣次數(shù)的計(jì)算方法都是僅僅從潔凈級(jí)別變化單值函數(shù)的角度來(lái)確定潔凈室的換氣次數(shù)，上述3?種計(jì)算方法不同程度地忽略了一些關(guān)鍵性的變量，如室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率、顆粒物的表面沉降率、送風(fēng)帶入室內(nèi)的顆粒物、回風(fēng)去除的室內(nèi)顆粒物和排風(fēng)帶走的室內(nèi)顆粒物等，從而造成無(wú)論是各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換氣次數(shù)的建議值或是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式都出于對(duì)最大顆粒物污染負(fù)荷情況的考慮，得到的計(jì)算值都會(huì)使?jié)崈羰业膿Q氣次數(shù)偏大，而工程實(shí)踐中已經(jīng)證明小的換氣次數(shù)同樣能夠滿足潔凈室的潔凈級(jí)別[11]．基于這種情況，迫切需要一種更科學(xué)全面的精確計(jì)算方法來(lái)確定潔凈室的換氣次數(shù)．科學(xué)的換氣次數(shù)計(jì)算方法，應(yīng)包括所有的影響潔凈室潔凈度的相關(guān)參數(shù)變量及動(dòng)態(tài)變化．隨著科技的發(fā)展，一些原來(lái)不能準(zhǔn)確測(cè)量的變量，如氣溶膠顆粒物的沉降率等已經(jīng)可以測(cè)量，并且可以定量地加以計(jì)算，這就為全面科學(xué)的潔凈室換氣次數(shù)計(jì)算方法提供了可能．

2?潔凈室換氣次數(shù)的計(jì)算模型

新的計(jì)算模型中應(yīng)該包括所有的影響潔凈室潔凈級(jí)別的關(guān)鍵性參數(shù)和變量，以至于在潔凈室設(shè)計(jì)中完全可以通過(guò)計(jì)算這些關(guān)鍵性的參數(shù)和變量來(lái)科學(xué)地確定潔凈室的換氣次數(shù)．在設(shè)計(jì)中，潔凈室的基本空調(diào)凈化氣流循環(huán)模型如圖1?所示．圖1?中：V?為潔凈室體積，m3；qV,OA為新鮮空氣體積流量，m3/h；qV,SA?為送風(fēng)的體積流量，m3/h；qV,EA為排風(fēng)的體積流量，m3/h；qV,RA?為回風(fēng)的體積流量，m3/h；qV,Q?為漏風(fēng)的體積流量，m3/h；Cs?為潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度，個(gè)/m3；C0為新鮮空氣顆粒物的濃度，個(gè)/m3；EU為空氣處理機(jī)組中過(guò)濾器的總效率；E?為高效過(guò)濾器的效率；G?為潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率(整個(gè)潔凈室的平均值)，個(gè)/m3?h)；D?為潔凈室內(nèi)顆粒物的表面沉降率，個(gè)/(m3?h).

根據(jù)此潔凈室的基本氣流模型，由顆粒物的質(zhì)量平衡方程得到換氣次數(shù)的計(jì)算式，計(jì)算式推導(dǎo)如下：在dt時(shí)間內(nèi)，潔凈室內(nèi)顆粒物的改變量＝送風(fēng)導(dǎo)致的顆粒物的增加量＋潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生量-回風(fēng)帶走的顆粒物的質(zhì)量-排風(fēng)帶走的顆粒物的質(zhì)量-漏風(fēng)帶走的顆粒物的質(zhì)量(當(dāng)潔凈室為負(fù)壓時(shí)，符號(hào)為+)-潔凈室內(nèi)顆粒物的沉降量，即

式中：θ為沉降下來(lái)的顆粒物占產(chǎn)生的顆粒物的百分比．

3潔凈室換氣次數(shù)的計(jì)算模型比較

新的潔凈室氣溶膠濃度計(jì)算數(shù)學(xué)模型與文獻(xiàn)[6-7，12-15]研究的數(shù)學(xué)模型對(duì)比見(jiàn)表2．從表2?可以看出，新的計(jì)算模型更全面地描述了潔凈室的工作狀態(tài)，它包括所有關(guān)鍵性的變量和參數(shù)，這使得新的方程更完整，由此計(jì)算出的換氣次數(shù)也更準(zhǔn)確、更科學(xué)、更接近于實(shí)際需要．

4?新的潔凈室氣溶膠濃度計(jì)算數(shù)學(xué)模型中關(guān)鍵變量分析

4.1?變量靈敏度分析

新的模型中包含了許多以前模型中沒(méi)有的關(guān)鍵性變量，這些關(guān)鍵性變量對(duì)潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度都有影響．為了研究這些關(guān)鍵性變量對(duì)潔凈度的影響，需要進(jìn)行變量的敏感性分[16]．現(xiàn)對(duì)式(10)中的一些關(guān)鍵性變量進(jìn)行微分計(jì)算，進(jìn)而研究這些關(guān)鍵性變量對(duì)潔凈室內(nèi)氣載顆粒物濃度影響程度．為了研究換氣次數(shù)n?對(duì)潔凈室內(nèi)顆粒物濃度Cst的影響，有

由計(jì)算可以得出

從微分的計(jì)算結(jié)果可以看出換氣次數(shù)對(duì)潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度Cst影響最大，也就是說(shuō)換氣次數(shù)是最關(guān)鍵的變量，室外新風(fēng)濃度影響最小．這是根據(jù)典型的潔凈室的參數(shù)值得出的結(jié)果，潔凈室的設(shè)計(jì)人員和使用人員可以通過(guò)使用自己的潔凈室的參數(shù)值分析這些變量的相對(duì)重要性．在潔凈室設(shè)計(jì)、運(yùn)行、使用過(guò)程中控制主要參數(shù)，做到有的放矢，而不是盲目地去控制某一變量．

現(xiàn)以潔凈室ISO6?級(jí)為例進(jìn)一步說(shuō)明新數(shù)學(xué)模型對(duì)潔凈室潔凈度的影響，潔凈室ISO6?級(jí)規(guī)定潔凈室的潔凈度為大于等于0.5μm?的懸浮顆粒數(shù)每立方米不超過(guò)35200．對(duì)于新的數(shù)學(xué)模型式(8)，當(dāng)m＝15%、EU＝95%、E＝99.97%、θ＝15%、Cst＝17,600?個(gè)/m3(取潔凈室ISO6?級(jí)潔凈度下限的一半)和C0＝109個(gè)/m3(≥0.5μm?的顆粒物)時(shí)，換氣次數(shù)為

當(dāng)潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率G(≥0.5μm?的顆粒物)不相同時(shí)，換氣次數(shù)見(jiàn)表3.

潔凈室ISO6?級(jí)對(duì)潔凈室換氣次數(shù)的建議值為70～160,次/h(見(jiàn)表1)，而新模型中即使是室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率達(dá)到106?個(gè)/(m3?h)(≥0.5μm?的顆粒物)，換氣次數(shù)僅為48次/h，即可滿足潔凈室ISO6?級(jí)的潔凈級(jí)別．而事實(shí)上現(xiàn)在潔凈室運(yùn)行過(guò)程中，由于采取嚴(yán)格的技術(shù)措施，如員工穿潔凈服、員工定期清潔潔凈室、設(shè)置吹淋室等措施，潔凈室≥0.5μm?的顆粒物的產(chǎn)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于106?個(gè)/(m3?h)(≥0.5μm?的顆粒物)[15]，也就是說(shuō)在潔凈室中使用小的換氣次數(shù)完全可以達(dá)到潔凈級(jí)別的要求．因此小的換氣次數(shù)同樣能夠滿足潔凈室潔凈級(jí)別的要求，沒(méi)有必要盲目加大換氣次數(shù)帶來(lái)不必要的能量浪費(fèi)．

4.2?變量的改變對(duì)潔凈室內(nèi)潔凈度的影響

變量的改變對(duì)潔凈室內(nèi)潔凈度的不同程度的影響如圖2～圖5所示．

圖2?為在EU＝0.95、E＝0.9997、D＝0.5?個(gè)/(m3?h)、m＝0.05、C0＝3×106個(gè)/m3和θ＝0.05?時(shí)，室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率對(duì)潔凈度的影響．由圖2?中可以看出，潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率對(duì)潔凈室內(nèi)潔凈度影響很大，室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率越高潔凈室內(nèi)顆粒物的潔凈度就難以控制，當(dāng)室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率較大(譬如大于105)時(shí)，即使換氣次數(shù)增加到100?次/h，潔凈室內(nèi)的潔凈度依然低．從圖2?中還可以看出，換氣次數(shù)增加到100?左右時(shí)，如果再繼續(xù)增大換氣次數(shù)則對(duì)潔凈室的潔凈度影響很?。酝ㄟ^(guò)增大換氣次數(shù)來(lái)提高潔凈室的潔凈度并不是萬(wàn)能的．這是因?yàn)槭覂?nèi)顆粒物的產(chǎn)生率越大，則需要的潔凈空氣就越多，但是當(dāng)換氣次數(shù)增大到一定程度時(shí)，潔凈室內(nèi)的潔凈空氣的增加會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生更多的渦流區(qū)，渦流區(qū)的增加會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)的潔凈度難以控制．當(dāng)室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率較大而又不可避免時(shí)，采用局部排風(fēng)技術(shù)及時(shí)把產(chǎn)生的顆粒物排出去是最好的解決方式，沒(méi)有必要盲目增大換氣次數(shù)．

圖3?為在EU＝0.95、G＝10?個(gè)/(m3?h)、m＝0.05、D＝0.5?個(gè)/(m3?h)、C0＝3×106?個(gè)/m3和θ＝0.05?時(shí)，末端過(guò)濾器的效率對(duì)潔凈度的影響．由圖3可以看出末端高效過(guò)濾器的效率越高，則潔凈室內(nèi)的潔凈度越高．圖3?反映出末端高效過(guò)濾器的效率確定后，換氣次數(shù)增加到一定程度后對(duì)潔凈室內(nèi)的潔凈度幾乎沒(méi)有影響，在換氣次數(shù)大于80?后潔凈度和換氣次數(shù)的關(guān)系幾乎是一條水平直線．這樣的近似直線關(guān)系說(shuō)明換氣次數(shù)大于80?時(shí)，增加換氣次數(shù)并不能提高潔凈級(jí)別而只會(huì)造成能量的浪費(fèi)．

圖4?為在EU＝0.95、G＝10?個(gè)/(m3?h)、E＝0.9997、D＝0.5?個(gè)/(m3?h)、C0＝107個(gè)/m3和θ＝0.05時(shí)，新風(fēng)百分比對(duì)潔凈度的影響．由圖4?可以看出增加潔凈室外的新風(fēng)對(duì)潔凈度的影響是微乎其微的，新風(fēng)的增加必然導(dǎo)致冷熱負(fù)荷的增加，因此在潔凈室設(shè)計(jì)中新風(fēng)量只要滿足人員的基本需要即可．同時(shí)，圖4?也進(jìn)一步說(shuō)明小的換氣次數(shù)就能滿足潔凈級(jí)別的要求，增加換氣次數(shù)并不能提高潔凈級(jí)別．

圖5?為在EU＝0.95、G＝10?個(gè)/(m3?h)、E＝0.9997、m＝0.05、C0＝107 /m3和θ＝0.05?時(shí)，新風(fēng)顆粒物的濃度對(duì)潔凈度的影響．由圖5?可知，當(dāng)室外顆粒物的濃度不同時(shí)，4?條曲線幾乎是重合的．這充分說(shuō)明室外顆粒物的濃度對(duì)室內(nèi)的潔凈度的影響幾乎是一樣的，潔凈度不因室外顆粒物的濃度的大小而變化，這是因?yàn)檫^(guò)濾器的過(guò)濾效率不因室外濃度的變化而變化，對(duì)于一個(gè)成型的過(guò)濾器而言過(guò)濾器的過(guò)濾效率與顆粒物濃度的大小沒(méi)有直接關(guān)系，所以室外顆粒物濃度的增加并不會(huì)影響過(guò)濾器的過(guò)濾效率，也就不會(huì)影響潔凈室內(nèi)的潔凈度[17]．盡管如此，在建造潔凈室時(shí)還是要選擇潔凈室室外顆粒物濃度較小的地方建造，因?yàn)轭w粒物的濃度太高對(duì)過(guò)濾器的壽命影響很大，這會(huì)導(dǎo)致頻繁地更換過(guò)濾器從而增加潔凈室的運(yùn)行費(fèi)用．

5?結(jié)語(yǔ)

新提出的潔凈室室內(nèi)氣溶膠濃度計(jì)算模型不僅包含換氣次數(shù)，還包括其他關(guān)鍵性的變量，如顆粒物的產(chǎn)生率、顆粒物的沉降率、送風(fēng)引起的顆粒物的增加、回風(fēng)和排風(fēng)引起的顆粒物的減少以及漏風(fēng)引起的顆粒物的增加或減少等，這些變量都不同程度地影響潔凈室的潔凈級(jí)別．多變量新模型比換氣次數(shù)單值函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式模型更科學(xué)，這些變量的合理控制，要比僅僅使用控制換氣次數(shù)來(lái)滿足潔凈級(jí)別具有更多的選擇性．對(duì)于不同的潔凈室設(shè)計(jì)工況，這些變量對(duì)潔凈度的影響程度不同，通過(guò)變量靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，除了換氣次數(shù)，潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率對(duì)潔凈室內(nèi)潔凈度影響很大．室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率很高時(shí)，增加換氣次數(shù)超過(guò)100?次/h?也難以控制潔凈的潔凈度；新風(fēng)比例及室外新風(fēng)顆粒物濃度變化對(duì)潔凈室潔凈度幾乎沒(méi)有影響．利用新模型優(yōu)化設(shè)計(jì)潔凈室，比采用推薦值可減少不必要的潔凈室換氣次數(shù)，使?jié)崈羰业耐L(fēng)凈化能耗減少．

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