潔凈空調(diào)系統(tǒng)為了滿足室內(nèi)潔凈度要求，送風(fēng)量大，造成系統(tǒng)的輸配能耗高，尤其是對于凈化級別高的系統(tǒng)，這種情況越發(fā)嚴(yán)重。開發(fā)一種既能滿足凈化要求，同時(shí)又能降低（reduce)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的潔凈空調(diào)系統(tǒng)是業(yè)界一直研究（research)的熱點(diǎn)問題。對輻流潔凈室氣流組織和污染物分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在動(dòng)態(tài)條件下對輻流潔凈室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（experiment)研究，揭示了矢流潔凈室內(nèi)氣流的流動(dòng)特性和污染物的分布規(guī)律；魏學(xué)孟依據(jù)對矢流潔凈室的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)值模擬結(jié)果，總結(jié)出矢流潔凈室的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)；李巖對輻流潔凈室應(yīng)用于潔凈病房的氣流組織進(jìn)行研究，用 Airpak 商業(yè)軟件包對輻流潔凈病房在空態(tài)和靜態(tài)下進(jìn)行流場分布模擬，并通過實(shí)驗(yàn)測試了動(dòng)態(tài)條件下的污染物濃度場；常茹等采用數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對輻流潔凈病房內(nèi)的氣流流型進(jìn)行了研究；周玉巖等對輻流潔凈室風(fēng)速測試與氣流形態(tài)進(jìn)行分析，并對輻流潔凈室全區(qū)域風(fēng)速變化情況進(jìn)行測試，探討其在空態(tài)下風(fēng)速檢測的具體方法；石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司的科研團(tuán)隊(duì)將輻流潔凈室應(yīng)用于公司的生產(chǎn)(Produce)車間。綜合以上的研究成果，輻流潔凈室的研究取得了一定的進(jìn)展。尤其是對輻流潔凈室空態(tài)下的氣流組織特征，設(shè)計(jì)參數(shù)，渦流的位置，濃度場分布模型有了深入的研究，給輻流潔凈室?guī)砹撕芎玫难芯炕A(chǔ)。本文針對輻流潔凈室在電子工業(yè)廠房動(dòng)態(tài)條件下的氣流組織和節(jié)能特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。
1 數(shù)值模擬(定義:對真實(shí)事物或者過程的虛擬)
1.1 物理模型
本文采用 Airpak 數(shù)值模擬軟件分別對輻流潔凈室和亂流潔凈室的氣流組織和污染物濃度場進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，模擬對象為電子工業(yè)廠房，潔凈廠房的潔凈度要求 ISO 6 級。按照與實(shí)際大空間廠房長度、寬度、高度 3:2:1 的比例，將廠房潔凈生產(chǎn)(Produce)車間模型設(shè)置為 7.05m×4.33m×2.6m（長×寬×高）。人數(shù)及操作臺(tái)設(shè)置：根據(jù)生產(chǎn)車間模型的面積，設(shè)計(jì)工作人數(shù)為 4 人。綜上所述，本文根據(jù) ISO 6 級潔凈室設(shè)計(jì)要求，設(shè)置輻流潔凈室動(dòng)態(tài)模擬條件：
（1）送回風(fēng)設(shè)置
送風(fēng)口模型采用風(fēng)口動(dòng)量模型，在房間頂棚布置 4 個(gè)高效過濾器(作用:過濾雜質(zhì)等)，外布扇形擴(kuò)散孔板，4 個(gè)回風(fēng)口布置在對面?zhèn)葔ο虏浚c送風(fēng)口呈對角線布置。房間頂棚安裝日光燈 6 組。
（2）室內(nèi)設(shè)施及人員布置
操作臺(tái) 1 臺(tái)（5m×1m×0.75m）垂直輻流送風(fēng)口布置，工作臺(tái)布置 4 個(gè)操作工人，平均分布在工作臺(tái)兩側(cè)。
（3）塵源設(shè)置
空氣潔凈度級別的含塵濃度是在工作人員進(jìn)行正常操作時(shí)測得的數(shù)據(jù)，所以代表潔凈度級別的空氣含塵濃度應(yīng)是工作狀態(tài)即動(dòng)態(tài)下的數(shù)據(jù)。由于潔凈廠房室內(nèi)發(fā)塵主要由人員產(chǎn)生，設(shè)備產(chǎn)塵根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝(production engineering)會(huì)有較大的區(qū)別，故本次模擬采用簡化塵源的方式，即只設(shè)置人體產(chǎn)塵。根據(jù)煙氣含塵濃度的簡化計(jì)算法，煙氣的含塵濃度估算范圍為14.7 g/m3 ~ 61.3 g/m3，本文取 50g/m3。
對于亂流潔凈室，在頂棚均勻（jūn yún)布置 6 個(gè)高效過濾器(作用:過濾雜質(zhì)等)送風(fēng)口。其余均與輻流潔凈室相同。輻流潔凈室與亂流潔凈室模型圖如圖 1 和圖 2 所示。
1.2 數(shù)學(xué)模型
本文采用標(biāo)準(zhǔn) K-ε 兩方程模型，湍流模型簡化
和假設(shè)如下：
（1）室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且滿足 Bussinesp 近似（密度變化不是很大的變密度流動(dòng)）。
（2）考慮輻射換熱，忽略質(zhì)量力的作用。
（3）為減少模型網(wǎng)格的數(shù)目，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，可將工藝設(shè)備簡化為具有相同散熱量的小方塊。
2 模擬結(jié)果及數(shù)值分析
ISO6 級潔凈室為了滿足潔凈度要求，設(shè)計(jì)換氣次數(shù)為 50 次/h~60 次/h，本文對輻流潔凈室和亂流潔凈室分別采用 50 次/h 和 60 次/h 換氣次數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并選取了 Y=1.4 m（潔凈室立面）和Z=0.8m、Z=1.3 m（水平面）速度場和污染物濃度場進(jìn)行對比分析。
2.1 輻流潔凈室模擬(定義:對真實(shí)事物或者過程的虛擬)結(jié)果
2.1.1 速度場
從圖3對Y=1.4m潔凈室立面速度場矢量圖可以看出，整個(gè)斷面的氣流流型從送風(fēng)口到回風(fēng)口成斜推的效果，符合輻流潔凈室的氣流組織規(guī)律（rhythmical)。在工作臺(tái)和頂棚附近氣流的方向受到影響，但影響區(qū)域不大，并不影響整體氣流組織特性。最大速度出現(xiàn)在送風(fēng)口附近，中間的速度較小，房間下部（靠近回風(fēng)口區(qū)域）速度增大。
圖 4 和圖 5 為 Z=0.8m 和 Z=1.3m 潔凈室工作區(qū)域水平面的氣流速度場，與 Y=1.3m 立面圖的氣流組織特性相似，在兩個(gè)工作面上，氣流呈送風(fēng)口向回風(fēng)口的方向流動(dòng)，在經(jīng)過工作臺(tái)表面時(shí)，氣流發(fā)生擾動(dòng)，但隨后工作臺(tái)污染氣流能隨著送風(fēng)氣流的方向流動(dòng)，房間兩側(cè)的氣流速度明顯大于中部速度。對比 Z=1.3m 和 Z=0.8m 兩個(gè)平面的速度場，Z=1.3m 平面速度值高于 Z=0.8m 的速度值，速度平均值（The average value)分別為 0.03 m/s 和 0.085 m/s，且在工作臺(tái)位置氣流受到擾動(dòng)的區(qū)域更小一些，其原因在于工作臺(tái)的高度為 1m，其下方 Z=0.8m 受到的影響明顯大于其上方的 Z=1.3m 平面。
2.1.2 污染物濃度場
圖 6 至圖 8，在 Y=1.4m 的潔凈室立面和 Z=1.3m和 Z=0.8m 兩個(gè)水平面上，污染物濃度場分布規(guī)律（rhythmical)是相似的，污染物隨著氣流呈現(xiàn)正向扇形擴(kuò)散，不會(huì)產(chǎn)生氣流的逆向擴(kuò)散，表明輻流能夠較好地將污染物從回風(fēng)口排出。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)驗(yàn)室裝修采用可靠的材料，合理的施工措施，保證潔凈實(shí)驗(yàn)室-生物安全實(shí)驗(yàn)室始終處于相對密封的環(huán)境，防止微生物的外逸，易于實(shí)驗(yàn)室的清潔消毒，同時(shí)避免外部對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的破壞。在 Z=1.3m 平面上，污染物濃度在 0.0002PPMV 9 .~0.0006PPMV 的較低范圍，平均值為 0.0004PPMV，Z=0.8m 平面上的污染物平均濃度比 Z=1.3m 平面增加了 25%，為 0.0005PPMV。說明污染物濃度場與速度場的氣流分布規(guī)律相關(guān)，在速度值越大、氣流流型受到擾動(dòng)小的區(qū)域，潔凈度越高。
2.2 亂流潔凈室模擬結(jié)果
2.2.1 速度場
從圖 9，Y=1.4m 潔凈室立面速度場可以看出，亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不一致性，在送風(fēng)口的下方向下流動(dòng)，并對其兩側(cè)的氣流起到誘導(dǎo)作用，在工作臺(tái)和人員的上方，由于受到熱輻射和誘導(dǎo)的雙重作用，產(chǎn)生與送風(fēng)氣流相逆的流向，向上運(yùn)動(dòng)，并形成渦流區(qū)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)一般采用C型方型鋼，可靠焊接，經(jīng)酸洗磷化、電泳后，實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面經(jīng)環(huán)氧樹脂高壓靜電粉沫噴涂，高溫固化處理。具有良好的防腐性能，緊密強(qiáng)固，承重力強(qiáng)。臺(tái)面一般采用環(huán)氧樹脂板、實(shí)芯理化板、陶瓷板、大理石板、千思板、不銹鋼板等，表面經(jīng)技術(shù)處理，光滑無毛孔，耐酸堿、防腐蝕，銑邊處理，臺(tái)面耐腐蝕、防水均達(dá)到實(shí)驗(yàn)室行業(yè)優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在送、回風(fēng)口的區(qū)域的氣流速度值最高。對比圖 10 和圖 11，Z=0.8m 和 Z=1.3m 水平平面的速度場矢量圖可以看出，在水平平面上，氣流的基本流向是向回風(fēng)口流動(dòng)，不存在反向流動(dòng)的氣流?？拷仫L(fēng)口的區(qū)域風(fēng)速較大，氣流能較好地從回風(fēng)口排出。所以在亂流潔凈室的工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量將工作區(qū)域布置在靠近回風(fēng)口一側(cè)。在 Z=1.3m平面速度值大于 Z=0.8m 平面速度值。
2.2.2 污染物濃度場
圖 12 為潔凈室立面污染物濃度場云圖，污染物在塵源位置濃度最高，然后向上、向回風(fēng)口區(qū)域擴(kuò)散，污染物擴(kuò)散的方向與圖 10 的氣流運(yùn)動(dòng)方向一致。圖 13 和圖 14 為不同高度水平面的污染物濃度場云圖，污染物整體是向著回風(fēng)口的方向流動(dòng)，與氣流的流動(dòng)方向一致。在靠近回風(fēng)口區(qū)域的塵源污染物擴(kuò)散的范圍大于上風(fēng)區(qū)域的塵源。在高水平面上的污染物擴(kuò)散范圍大于低水平面處，且污染物平均濃度值偏高。
3 結(jié)果分析
對比 50 次/h 換氣次數(shù)的輻流潔凈室和 60 次/h換氣次數(shù)的亂流潔凈室的速度場矢量圖和污染物濃度場云圖，可以看出亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區(qū)，污染物的擴(kuò)散范圍更大，主要是靠稀釋作用達(dá)到房間內(nèi)潔凈度的要求。輻流潔凈室比亂流潔凈室氣流流動(dòng)方向更具有同向性，指向回風(fēng)口，污染物隨著氣流的方向流動(dòng)，尤其在工作區(qū)，污染物濃度更低，有利于生產(chǎn)(Produce)環(huán)境的結(jié)凈度要求。
為了量化輻流和亂流潔凈室的氣流組織和污染物凈化效果，選取數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行速度和污染物濃度的對比分析。在渦流區(qū)內(nèi)，接近塵源的地方具有很高的含塵濃度，而潔凈度的要求主要應(yīng)用在工作區(qū)。所以通過測點(diǎn)準(zhǔn)確預(yù)測工作區(qū)域的平均含塵濃度，更有意義。規(guī)范要求：潔凈度的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)為：L=A0.5，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布于潔凈區(qū)內(nèi)，并應(yīng)位于工作區(qū)的高度。根據(jù)上述要求以及潔凈室內(nèi)人員和設(shè)施的布置情況，本文在 Z=0.8m 和 Z=1.3m 兩個(gè)平面各選取 6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行速度和污染物濃度的分析。其中點(diǎn) 1-6 位于 Z=0.8m 平面，點(diǎn) 7-12 位于Z=1.3m 平面。
3.1 速度值對比與分析(Analyse)
從圖 15 可以看出：無論是在 Z=0.8m 平面還是Z=1.3m 平面，輻流潔凈室測點(diǎn)的速度均勻性均優(yōu)于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均速度為 0.03 m/s 大于亂流潔凈室的平均速度值 0.02m/s，提高了 33%。在 Z=1.3m 平面上，兩者的平均速度值相同。
3.2 污染物濃度場對比
從圖 16 可以看出：除了 10 點(diǎn)外，輻流潔凈室在各測點(diǎn)的濃度均低于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為0.0005PPMV，亂流潔凈室為 0.0006 PPMV，降低了 20%；在 Z=1.3m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為 0.0004PPMV，亂流潔凈室為 0.0005PPMV，降低了 25%；兩個(gè)斷面的總平均濃度分別為 0.0005 PPMV 和 0.0006 PPMV，總體降低了 20%。可見即使在小于 10 次/h 的換氣次數(shù)下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區(qū)表現(xiàn)出更好的氣流組織特性和潔凈度。按照風(fēng)機(jī)的輸送能耗與風(fēng)量成正比估算，則輸送能耗降低了 20%。
4 結(jié)論
（1）本文通過數(shù)值模擬的方法，對比研究了 50次/h 換氣次數(shù)的輻流潔凈室和 60 次/h 換氣次數(shù)的亂流潔凈室氣流組織和污染物濃度分布特性。通過對比速度場矢量圖和污染物濃度場云圖，亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區(qū)，污染物的擴(kuò)散范圍更大。而輻流潔凈室氣流流動(dòng)方向更具有同向性，指向回風(fēng)口，污染物隨著氣流的方向流動(dòng)，尤其在工作區(qū)，污染物濃度更低，有利于生產(chǎn)環(huán)境的結(jié)凈度要求。
（2）通過選取距離地面 0.8m 和 1.3m 不同高度上的數(shù)據(jù)（data)監(jiān)測（Food Monitor)點(diǎn)的污染物濃度量化分析(Analyse)表明，輻流潔凈室在監(jiān)測點(diǎn)的總平均濃度為 0.0005 PPMV 低于亂流潔凈室的 0.0006 PPMV，總濃度降低（reduce)了 20%。
（3）在小于 10 次/h 的換氣次數(shù)下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區(qū)表現(xiàn)出更好的氣流組織特性和潔凈度。潔凈實(shí)驗(yàn)室由于潔凈實(shí)驗(yàn)室-生物安全實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)對象是危險(xiǎn)性的微生物，出于嚴(yán)格控制污染的原則，它要求以最少的維護(hù)人員，運(yùn)用最優(yōu)化的管理維護(hù)手段，來實(shí)時(shí)監(jiān)控每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備所處的物理環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中始終處于相對負(fù)壓環(huán)境，防止危險(xiǎn)性微生物外泄。按照風(fēng)機(jī)的輸送能耗與風(fēng)量成正比，則估算輸送能耗降低了 20%。
