如何計算潔凈室換氣次數

摘要：為減少潔凈室能耗，提出了理論計算潔凈室換氣次數的新數學模型，新模型基于室內空氣顆粒物輸送的模擬流程，室內氣溶膠濃度計算考慮了換氣次數、室內顆粒物散發量、過濾器效率、新風比和室外氣溶膠濃度等多個參數．將新的數學模型與以往的數學模型進行了對比，新的數學模型考慮了更多的環境參數和變量的影響，這使得新的數學模型計算得出的換氣次數更合理、更精確．采用敏感性分析的方法，評價了各個變量對潔凈室潔凈度的影響大?。芯拷Y果表明計算室內氣溶膠濃度時考慮更全面的參數變量可以把潔凈室的換氣次數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入、產生、滯留于室內的顆粒物最少；室內的其他參數，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，潔凈室內都能具有維持原先所設定的潔凈度、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，降低氣溶膠計數濃度達到要求的潔凈室級別．潔凈室可以分為工業潔凈室和生物潔凈室．目前，潔凈室在醫藥與醫學行業、化妝品行業、半導體行業、食品行業以及生物工程行業等得到了廣泛的應用．然而隨著潔凈室的廣泛應用，潔凈室的高能耗問題越來越引起人們的關注．為了維持潔凈室內較低的顆粒物濃度，潔凈室設計人員通常通過提高換氣次數利用潔凈空氣稀釋顆粒污染物的方式來實現，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]．現在潔凈室的換氣次數大致范圍為15～600次/h，而普通建筑的換氣次數大致范圍為6～25 次/h，潔凈室的換氣次數不僅要滿足熱、濕負荷的需要，更重要的是稀釋和去除室內顆粒物從而達到降低室內

顆粒物濃度的目的，較大的換氣次數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，給國家和企業造成沉重的能源負擔和經濟負擔．隨著我國經濟的飛速發展，大量的工業潔凈室和生物潔凈室相繼建成，潔凈室面積呈現飛躍增長，潔凈室節能已迫在眉睫，而潔凈室節能的關鍵是減少送風量，即減少換氣次數．筆者重點討論了潔凈室換氣次數的新計算方法，并對新計算方法的變量靈敏性和節能性進行了分析．

1 潔凈室設計中換氣次數的計算方法及不足

目前，潔凈室設計中廣泛采用以下3 種計算方法來確定換氣次數．

第一種計算方法是根據各個標準推薦的換氣次數建議值，這些標準包括IEST(美國環境科學與技術學會)推薦的建議值^[3]、ISO(國際標準化組織)推薦的建議值^[4]和國標GB50073 推薦的建議值^[5]等．這些標準中推薦的不同級別潔凈室換氣次數如表1 所示．然而，這些標準中的建議值來源于標準制定專家委員會的工程經驗，只是建議了滿足潔凈室級別所需要的換氣次數(出于安全保險的原因，實際上是最大顆粒物污染負荷情況下的建議值)，沒有給出科學的計算方法，更沒有考慮每個潔凈室的實際情況，忽略了許多關鍵性因素的定量分析，如室內顆粒物的產生率、顆粒物的表面沉降率、通過送風進入室內的顆粒物的濃度和通過回風和排風帶走的室內顆粒物等．這種按照標準建議方法確定的換氣次數使其偏離于實際需要，很多情況下換氣次數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際需要而盲目地參考標準的建議值．

第2 種計算方法是根據一些專家或學者推薦的經驗換氣次數計算公式來確定換氣次數^[6-7]．同樣，這種方法也僅考慮了一些簡單可預測的因素，忽略了大量決定性因素，使得潔凈室的換氣次數與實際需要值偏差較大．

第3 種計算方法是一些有經驗的設計人員根據以往的設計經驗來確定潔凈室的換氣次數^[8-10]．采用這種計算方法時設計人員往往只考慮建筑物的體形系數、潔凈級別等，這種計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，當潔凈級別不能滿足潔凈度要求時，設計人員又試圖通過提高換氣次數來滿足潔凈級別，結果造成潔凈室換氣次數偏大，使潔凈室的能耗增大．

現有的確定潔凈室換氣次數的計算方法都是僅僅從潔凈級別變化單值函數的角度來確定潔凈室的換氣次數，上述3 種計算方法不同程度地忽略了一些關鍵性的變量，如室內顆粒物的產生率、顆粒物的表面沉降率、送風帶入室內的顆粒物、回風去除的室內顆粒物和排風帶走的室內顆粒物等，從而造成無論是各個標準對換氣次數的建議值或是根據經驗公式都出于對最大顆粒物污染負荷情況的考慮，得到的計算值都會使潔凈室的換氣次數偏大，而工程實踐中已經證明小的換氣次數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全面的精確計算方法來確定潔凈室的換氣次數．科學的換氣次數計算方法，應包括所有的影響潔凈室潔凈度的相關參數變量及動態變化．隨著科技的發展，一些原來不能準確測量的變量，如氣溶膠顆粒物的沉降率等已經可以測量，并且可以定量地加以計算，這就為全面科學的潔凈室換氣次數計算方法提供了可能．

2 潔凈室換氣次數的計算模型

新的計算模型中應該包括所有的影響潔凈室潔凈級別的關鍵性參數和變量，以至于在潔凈室設計中完全可以通過計算這些關鍵性的參數和變量來科學地確定潔凈室的換氣次數．在設計中，潔凈室的基本空調凈化氣流循環模型如圖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 為送風的體積流量，m³/h；q_V,EA為排風的體積流量，m³/h；q_V,RA 為回風的體積流量，m3/h；q_V,Q 為漏風的體積流量，m³/h；Cs 為潔凈室內顆粒物的濃度，個/m³；C₀為新鮮空氣顆粒物的濃度，個/m³；E_U為空氣處理機組中過濾器的總效率；E 為高效過濾器的效率；G 為潔凈室內顆粒物的產生率(整個潔凈室的平均值)，個/m³·h)；D 為潔凈室內顆粒物的表面沉降率，個/(m³·h).

根據此潔凈室的基本氣流模型，由顆粒物的質量平衡方程得到換氣次數的計算式，計算式推導如下：在d_t時間內，潔凈室內顆粒物的改變量＝送風導致的顆粒物的增加量＋潔凈室內顆粒物的產生量-回風帶走的顆粒物的質量-排風帶走的顆粒物的質量-漏風帶走的顆粒物的質量(當潔凈室為負壓時，符號為+)-潔凈室內顆粒物的沉降量，即

           (1)                                                            

式中t為時間，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果計算出來．測量值是由一定時間內各個表面沉降的顆粒數的總和，即沉降的總的顆粒數，除以潔凈室的體積和沉降時間，就可以算出顆粒物的沉降率．整理式(1)可得

       （2）

式中：m 為新風百分數，反映了送入潔凈室內的總風量中新風的百分數；r 為回風百分數，反映了送入潔凈室內的總風量中回風的百分數.令m = q_V,OA /q_{V ,SA},r = q_V,RA/ q_V,SA，所以m+ r =1 .根據氣流平衡方程，忽略空氣處理機組和潔凈室內不同氣流間的密度差，則對于空氣處理機組有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n= q _V,SA/V代入式(3)，得

             (4)

為了研究方便定義參數a 與b，即

(5)

所以          

當時間由0 到t 時，潔凈室內顆粒物的濃度由C_s0 到C_st，對式(5)積分得

               (6)

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

 針對式(6)積分得到潔凈室換氣次數新方程的瞬態方程為

        (7)

當t →∞(無窮大)，得穩態方程為

     (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 為空氣處理機組中的第i 個過濾器；n 為空氣處理機組中過濾器的總數．

令θ= D/G ，則式(8)可變為

          (11)

式中：θ為沉降下來的顆粒物占產生的顆粒物的百分比．

3潔凈室換氣次數的計算模型比較

新的潔凈室氣溶膠濃度計算數學模型與文獻^{[6-7，12-15]}研究的數學模型對比見表2．從表2 可以看出，新的計算模型更全面地描述了潔凈室的工作狀態，它包括所有關鍵性的變量和參數，這使得新的方程更完整，由此計算出的換氣次數也更準確、更科學、更接近于實際需要．

4 新的潔凈室氣溶膠濃度計算數學模型中關鍵變量分析

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鍵性變量，這些關鍵性變量對潔凈室內顆粒物的濃度都有影響．為了研究這些關鍵性變量對潔凈度的影響，需要進行變量的敏感性分^[16]．現對式(10)中的一些關鍵性變量進行微分計算，進而研究這些關鍵性變量對潔凈室內氣載顆粒物濃度影響程度．為了研究換氣次數n 對潔凈室內顆粒物濃度C_st的影響，有

         (12 )

為了研究潔凈室內顆粒物的產生率G 對潔凈室內顆粒物濃度C_st的影響，有

             (13)

為了研究潔凈室室外顆粒物濃度C0 對潔凈室內顆粒物濃度C_st的影響，有

                 (14)

為了研究新風的百分比m 對潔凈室內顆粒物濃度C_st的影響，有

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

        (15)

為了研究潔凈室內的漏風百分比θ對潔凈室內顆粒物濃度C_st的影響，有

         (16)

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

由計算可以得出

從微分的計算結果可以看出換氣次數對潔凈室內顆粒物的濃度C_st影響最大，也就是說換氣次數是最關鍵的變量，室外新風濃度影響最?。@是根據典型的潔凈室的參數值得出的結果，潔凈室的設計人員和使用人員可以通過使用自己的潔凈室的參數值分析這些變量的相對重要性．在潔凈室設計、運行、使用過程中控制主要參數，做到有的放矢，而不是盲目地去控制某一變量．

現以潔凈室ISO6 級為例進一步說明新數學模型對潔凈室潔凈度的影響，潔凈室ISO6 級規定潔凈室的潔凈度為大于等于0.5μm 的懸浮顆粒數每立方米不超過35200．對于新的數學模型式(8)，當m＝15%、E_U＝95%、E＝99.97%、θ＝15%、C_st＝17,600 個/m³(取潔凈室ISO6 級潔凈度下限的一半)和C0＝109個/m³(≥0.5μm 的顆粒物)時，換氣次數為

            (17)

當潔凈室內顆粒物的產生率G(≥0.5μm 的顆粒物)不相同時，換氣次數見表3.

潔凈室ISO6 級對潔凈室換氣次數的建議值為70～160,次/h(見表1)，而新模型中即使是室內顆粒物的產生率達到106 個/(m³·h)(≥0.5μm 的顆粒物)，換氣次數僅為48次/h，即可滿足潔凈室ISO6 級的潔凈級別．而事實上現在潔凈室運行過程中，由于采取嚴格的技術措施，如員工穿潔凈服、員工定期清潔潔凈室、設置吹淋室等措施，潔凈室≥0.5μm 的顆粒物的產生率遠遠低于106 個/(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完全可以達到潔凈級別的要求．因此小的換氣次數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帶來不必要的能量浪費．

4.2 變量的改變對潔凈室內潔凈度的影響

變量的改變對潔凈室內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/(m³·h)、m＝0.05、C₀＝3×106個/m³和θ＝0.05 時，室內顆粒物的產生率對潔凈度的影響．由圖2 中可以看出，潔凈室內顆粒物的產生率對潔凈室內潔凈度影響很大，室內顆粒物的產生率越高潔凈室內顆粒物的潔凈度就難以控制，當室內顆粒物的產生率較大(譬如大于105)時，即使換氣次數增加到100 次/h，潔凈室內的潔凈度依然低．從圖2 中還可以看出，換氣次數增加到100 左右時，如果再繼續增大換氣次數則對潔凈室的潔凈度影響很小．所以通過增大換氣次數來提高潔凈室的潔凈度并不是萬能的．這是因為室內顆粒物的產生率越大，則需要的潔凈空氣就越多，但是當換氣次數增大到一定程度時，潔凈室內的潔凈空氣的增加會導致室內產生更多的渦流區，渦流區的增加會導致室內的潔凈度難以控制．當室內顆粒物的產生率較大而又不可避免時，采用局部排風技術及時把產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．

圖3 為在E_U＝0.95、G＝10 個/(m³·h)、m＝0.05、D＝0.5 個/(m³·h)、C₀＝3×106 個/m³和θ＝0.05 時，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，換氣次數增加到一定程度后對潔凈室內的潔凈度幾乎沒有影響，在換氣次數大于80 后潔凈度和換氣次數的關系幾乎是一條水平直線．這樣的近似直線關系說明換氣次數大于80 時，增加換氣次數并不能提高潔凈級別而只會造成能量的浪費．

圖4 為在E_U＝0.95、G＝10 個/(m³·h)、E＝0.9997、D＝0.5 個/(m³·h)、C₀＝107個/m³和θ＝0.05時，新風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對潔凈度的影響是微乎其微的，新風的增加必然導致冷熱負荷的增加，因此在潔凈室設計中新風量只要滿足人員的基本需要即可．同時，圖4 也進一步說明小的換氣次數就能滿足潔凈級別的要求，增加換氣次數并不能提高潔凈級別．

圖5 為在E_U＝0.95、G＝10 個/(m³·h)、E＝0.9997、m＝0.05、C₀＝107 /m³和θ＝0.05 時，新風顆粒物的濃度對潔凈度的影響．由圖5 可知，當室外顆粒物的濃度不同時，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，這是因為過濾器的過濾效率不因室外濃度的變化而變化，對于一個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的潔凈度^[17]．盡管如此，在建造潔凈室時還是要選擇潔凈室室外顆粒物濃度較小的地方建造，因為顆粒物的濃度太高對過濾器的壽命影響很大，這會導致頻繁地更換過濾器從而增加潔凈室的運行費用．

5 結語

新提出的潔凈室室內氣溶膠濃度計算模型不僅包含換氣次數，還包括其他關鍵性的變量，如顆粒物的產生率、顆粒物的沉降率、送風引起的顆粒物的增加、回風和排風引起的顆粒物的減少以及漏風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單值函數經驗公式模型更科學，這些變量的合理控制，要比僅僅使用控制換氣次數來滿足潔凈級別具有更多的選擇性．對于不同的潔凈室設計工況，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現，除了換氣次數，潔凈室內顆粒物的產生率對潔凈室內潔凈度影響很大．室內顆粒物的產生率很高時，增加換氣次數超過100 次/h 也難以控制潔凈的潔凈度；新風比例及室外新風顆粒物濃度變化對潔凈室潔凈度幾乎沒有影響．利用新模型優化設計潔凈室，比采用推薦值可減少不必要的潔凈室換氣次數，使潔凈室的通風凈化能耗減少．

參考文獻：

［1］International Organization for Standardization Technical Committee209(ISO/TC 209). ISO 146441—1 Cleanroom and Associated Controlled Enviroments (Part 1)：Classificationof Air Cleanliness [S]. Geneva ：International Organization for Standardation，1999.

［2］Sun Wei. Conserving fan energy in cleanrooms[J].ASHRAE Journal，2008，50(7)：36-38.

［3］IEST. IEST-RP-CCO12 Considerations in CleanroomDesign[S]. NewYork：Journal of the IEST，1978.

［4］International Organization for StandardizationTechnicalCommittee 209(ISO/TC 209). ISO 14644-4 Cleanroom and AssociatedControlled Environments(Part 4) ：Design ，Construction and Start-up[S]. Geneva ：InternationalOrganization for Standardation，2001.

［5］中華人民共和國信息產業部. GB50073 潔凈廠房設計規范[S]. 北京：中國標準出版社，2001.Ministry of Information Industry of the People's Republic ofChina. GB50073 Code for Design of Cleanroom[S]. Beijing：ChinaStandard Press，2001(in Chinese).

［6］Morrison P W. Environmental Control in Electronic Manufacturing[M]. New York：Western Electric Company，1973.

［7］許鐘麟. 空氣潔凈技術原理[M]. 北京：科學出版社，2002.Xu Zhonglin. Principles of Air Cleaning Technology[M]. Beijing：SciencePress，2002(in Chinese).

［8］那愷. 某電子廠房改造項目中的幾個問題[J]. 暖通空調，2008，38(8)：115-116.

Na Kai. Some issues in an electricplant reformation project [J]. Journal HV and AC，2008，38(8)：115-116(inChinese).

［9］蔡志明. 藥廠潔凈空調設計研究[J]. 天津城建學院學報，1998，4(2)：41-44. Cai Zhiming. Discussion on the design of aircontaminationcontrol and air-conditioning of pharmaceutical factory[J]. Journalof Tianjin Institute of Urban Construction，1998，4(2)：41-44(inChinese).

［10］張海飛. 制藥廠空調設計常見問題分析與解決辦法[J]. 醫藥工程設計，2006，27(4)：35-38.Zhang Haifei. Analysis of usual problems in design ofairconditioner in pharmaceutical factory and solving approaches [J].Pharmaceutical and Engineering Design，

2006，27(4)：35-38(inChinese).

［11］嚴德隆. 潔凈室HVAC 系統節能及其進展[J]. 潔凈與空調技術，2004(4)：19-22.

Yan Delong. The energy-saving andprogress of HVAC system for cleanrooms [J]. Contamination Control and Air-ConditioningTechnology，2004(4)：19-22(in Chinese).

［12］Brown W K，Lynn C A. Fundamental cleanroom concepts[J]. ASHRE Transactions，1986，92(1b)：272-287.

［13］Kozicki M，Hoenig S A，Robinson P. Cleanrooms：Facilities and Practices[M]. New York：Van Nostrand ReinholdCompany，1991.

［14］Jaisinghani R. Air handling considerations for cleanrooms[C]//Proceedingsof Interphex Conference. Philadelphia：PhiladelphiaEducation Press，2001：56-58.

［15］Zhang J. Pharmaceutical cleanroom design[J]. ASHRAE Journal，2004，46(9)：29-31.

［16］王愛民，王勖成. 采用傳遞函數法進行過程優化的靈敏度分析[J]. 清華大學學報，2000，40(4)：58-61.Wang Aimin，Wang Xucheng. Sensitivity analysis for procedure optimization usingtransfer function method [J]. Journal of Tsinghua University，2000，40(4)：58-61(inChinese).

［17］安愛明，秦繼恒，王智超，等. 大氣塵檢測空氣過濾器效率不確定因素的分析[J]. 潔凈與空調技術，2008(2)：1-6. An Aiming，Qin Jiheng，Wang Zhichao，et al. Indeterminacy

analysisof air filter’s efficiency test using air particle[J]. Contamination Controland Air-Conditioning Technology，2008(2)：1-6(in Chinese)