如何計(jì)算潔凈室換氣次數(shù)

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，評價(jià)了各個(gè)變量對潔凈室潔凈度的影響大?。芯拷Y(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亂流潔凈室，利用過濾效率超過99.97%的高效顆粒物空氣(HEPA)過濾器去除送風(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，潔凈室的高能耗問題越來越引起人們的關(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)人員通常通過提高換氣次數(shù)利用潔凈空氣稀釋顆粒污染物的方式來實(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別的要求，但是卻造成了巨大的能源浪費(fèi)，給國家和企業(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，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(美國環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會)推薦的建議值^[3]、ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)推薦的建議值^[4]和國標(biāo)GB50073 推薦的建議值^[5]等．這些標(biāo)準(zhǔn)中推薦的不同級別潔凈室換氣次數(shù)如表1 所示．然而，這些標(biāo)準(zhǔn)中的建議值來源于標(biāo)準(zhǔn)制定專家委員會的工程經(jīng)驗(yàn)，只是建議了滿足潔凈室級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)，沒有給出科學(xué)的計(jì)算方法，更沒有考慮每個(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、通過送風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物的濃度和通過回風(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有明顯提高，究其原因就是沒有考慮潔凈室的實(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)一些專家或?qū)W者推薦的經(jīng)驗(yàn)換氣次數(shù)計(jì)算公式來確定換氣次數(shù)^[6-7]．同樣，這種方法也僅考慮了一些簡單可預(yù)測的因素，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)、潔凈級別等，這種計(jì)算方法雖然也能滿足潔凈級別，但具有一定的盲目性，忽略了不同工藝類型潔凈室之間的差別，當(dāng)潔凈級別不能滿足潔凈度要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員又試圖通過提高換氣次數(shù)來滿足潔凈級別，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別變化單值函數(shù)的角度來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，從而造成無論是各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對換氣次數(shù)的建議值或是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式都出于對最大顆粒物污染負(fù)荷情況的考慮，得到的計(jì)算值都會使?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)變量及動態(tài)變化．隨著科技的發(fā)展，一些原來不能準(zhǔn)確測量的變量，如氣溶膠顆粒物的沉降率等已經(jīng)可以測量，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)中完全可以通過計(jì)算這些關(guān)鍵性的參數(shù)和變量來科學(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；q_V,OA為新鮮空氣體積流量，m³/h；q_V,SA 為送風(fēng)的體積流量，m³/h；q_V,EA為排風(fēng)的體積流量，m³/h；q_V,RA 為回風(fēng)的體積流量，m3/h；q_V,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；E_U為空氣處理機(jī)組中過濾器的總效率；E 為高效過濾器的效率；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d_t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)，符號為+)-潔凈室內(nèi)顆粒物的沉降量，即

           (1)                                                            

式中t為時(shí)間，h.

顆粒物的沉降率D 可以間接地通過顆粒表面檢測儀的測量結(jié)果計(jì)算出來．測量值是由一定時(shí)間內(nèi)各個(gè)表面沉降的顆粒數(shù)的總和，即沉降的總的顆粒數(shù)，除以潔凈室的體積和沉降時(shí)間，就可以算出顆粒物的沉降率．整理式(1)可得

       （2）

式中：m 為新風(fēng)百分?jǐn)?shù)，反映了送入潔凈室內(nèi)的總風(fēng)量中新風(fēng)的百分?jǐn)?shù)；r 為回風(fēng)百分?jǐn)?shù)，反映了送入潔凈室內(nèi)的總風(fēng)量中回風(fēng)的百分?jǐn)?shù).令m = q_V,OA /q_{V ,SA},r = q_V,RA/ q_V,SA，所以m+ r =1 .根據(jù)氣流平衡方程，忽略空氣處理機(jī)組和潔凈室內(nèi)不同氣流間的密度差，則對于空氣處理機(jī)組有q_{V ,SA} = q_{V ,OA} + q_{V ,RA}，對潔凈室則有q_V,SA = q_{V ,EA} + q_{V ,Q} +q_{V ,RA}，于是由式(2)得

               （3）

將換氣次數(shù)n= q _V,SA/V代入式(3)，得

             (4)

為了研究方便定義參數(shù)a 與b，即

(5)

所以          

當(dāng)時(shí)間由0 到t 時(shí)，潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度由C_s0 到C_st，對式(5)積分得

               (6)

式中：C_st為t 時(shí)刻潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度(潔凈度)，個(gè)/m³；C_s0為起始時(shí)刻潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度，個(gè)/m³.

 針對式(6)積分得到潔凈室換氣次數(shù)新方程的瞬態(tài)方程為

        (7)

當(dāng)t →∞(無窮大)，得穩(wěn)態(tài)方程為

     (8)

式(8)以無量綱的形式表示，整理得

               (9)

在這里過濾器的總效率為

                               (10)

式中：i 為空氣處理機(jī)組中的第i 個(gè)過濾器；n 為空氣處理機(jī)組中過濾器的總數(shù)．

令θ= D/G ，則式(8)可變?yōu)?/p>

          (11)

式中：θ為沉降下來的顆粒物占產(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)模型對比見表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有的關(guān)鍵性變量，這些關(guān)鍵性變量對潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度都有影響．為了研究這些關(guān)鍵性變量對潔凈度的影響，需要進(jìn)行變量的敏感性分^[16]．現(xiàn)對式(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 對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

         (12 )

為了研究潔凈室內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生率G 對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

             (13)

為了研究潔凈室室外顆粒物濃度C0 對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

                 (14)

為了研究新風(fēng)的百分比m 對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

為了研究潔凈室內(nèi)顆粒物的表面沉降率D 對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

        (15)

為了研究潔凈室內(nèi)的漏風(fēng)百分比θ對潔凈室內(nèi)顆粒物濃度C_st的影響，有

         (16)

為了更直觀地說明各個(gè)關(guān)鍵性變量的重要性，現(xiàn)將給出一組典型的非單向流潔凈室參數(shù)值：m＝15%，n＝200，G＝100 個(gè)/(m³·h)，C₀＝105 個(gè)/m³，E_U＝95%，E＝99.997%，θ＝15%，代入上述微分方程進(jìn)行計(jì)算，得

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)對潔凈室內(nèi)顆粒物的濃度C_st影響最大，也就是說換氣次數(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使用自己的潔凈室的參數(shù)值分析這些變量的相對重要性．在潔凈室設(shè)計(jì)、運(yùn)行、使用過程中控制主要參數(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 級為例進(jìn)一步說明新數(shù)學(xué)模型對潔凈室潔凈度的影響，潔凈室ISO6 級規(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35200．對于新的數(shù)學(xué)模型式(8)，當(dāng)m＝15%、E_U＝95%、E＝99.97%、θ＝15%、C_st＝17,600 個(gè)/m³(取潔凈室ISO6 級潔凈度下限的一半)和C0＝109個(gè)/m³(≥0.5μm 的顆粒物)時(shí)，換氣次數(shù)為

            (17)

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)見表3.

潔凈室ISO6 級對潔凈室換氣次數(shù)的建議值為70～160,次/h(見表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 級的潔凈級別．而事實(shí)上現(xiàn)在潔凈室運(yùn)行過程中，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]，也就是說在潔凈室中使用小的換氣次數(shù)完全可以達(dá)到潔凈級別的要求．因此小的換氣次數(shù)同樣能夠滿足潔凈室潔凈級別的要求，沒有必要盲目加大換氣次數(shù)帶來不必要的能量浪費(fèi)．

4.2 變量的改變對潔凈室內(nèi)潔凈度的影響

變量的改變對潔凈室內(nèi)潔凈度的不同程度的影響如圖2～圖5所示．

圖2 為在E_U＝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)則對潔凈室的潔凈度影響很?。酝ㄟ^增大換氣次數(shù)來提高潔凈室的潔凈度并不是萬能的．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導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生更多的渦流區(qū)，渦流區(qū)的增加會導(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，沒有必要盲目增大換氣次數(shù)．

圖3 為在E_U＝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)，末端過濾器的效率對潔凈度的影響．由圖3可以看出末端高效過濾器的效率越高，則潔凈室內(nèi)的潔凈度越高．圖3 反映出末端高效過濾器的效率確定后，換氣次數(shù)增加到一定程度后對潔凈室內(nèi)的潔凈度幾乎沒有影響，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)并不能提高潔凈級別而只會造成能量的浪費(fèi)．

圖4 為在E_U＝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)百分比對潔凈度的影響．由圖4 可以看出增加潔凈室外的新風(fēng)對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)一步說明小的換氣次數(shù)就能滿足潔凈級別的要求，增加換氣次數(shù)并不能提高潔凈級別．

圖5 為在E_U＝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．這充分說明室外顆粒物的濃度對室內(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^濾器的過濾效率不因室外濃度的變化而變化，對于一個(gè)成型的過濾器而言過濾器的過濾效率與顆粒物濃度的大小沒有直接關(guān)系，所以室外顆粒物濃度的增加并不會影響過濾器的過濾效率，也就不會影響潔凈室內(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粒物的濃度太高對過濾器的壽命影響很大，這會導(dǎo)致頻繁地更換過濾器從而增加潔凈室的運(yùn)行費(fèi)用．

5 結(jié)語

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)來滿足潔凈級別具有更多的選擇性．對于不同的潔凈室設(shè)計(jì)工況，這些變量對潔凈度的影響程度不同，通過變量靈敏度分析發(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)顆粒物濃度變化對潔凈室潔凈度幾乎沒有影響．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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