非单向流洁净室设计时，由于事先无法准确获得室内发尘量资料，一般按洁净度要求利用相关设计规范确定换气次数取值范围，但所选用的换气次数在各种因素的影响下，实际使用时是否能满足洁净度要求，是否会过大而造成能耗浪费。以一典型顶送侧回的ISO ６级非单向流洁净室为研究对象，利用正交实验方法，获得对室内洁净度影响较大的４个因素影响程度排序：室内发尘量、换气次数、送风口尺寸、尘源高度。在此基础上，在送风结构与房间污染源位置固定的洁净室内，进行不同换气次数下室内发尘量对室内浓度变化的特性实验。通过实验结果获得不同换气次数、发尘量时的颗粒物浓度计算拟合式，以此确定了ISO ６级下选用换气次数的室内最大允许发尘量，即按规范选用５０～６０次／ｈ 换气次数时室内最大允许发尘量为７. ４ ×１０４～８. ９ ×１０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）。同样，还可确定在不同发尘量时需要的最小换气次数，比如室内发尘量为４. ０ ×１０４ ｐｃ ／ （ ｍ３·ｍｉｎ） 时，此时ISO ６级洁净室只需ｎｍｉｎ ＝ ２７ 次／ ｈ。因此，按洁净度确定非单向流洁净室换气次数的同时考虑室内发尘量的大小，可以在满足室内洁净度要求的同时节约能源。
1、引言
随着各行各业精细化生产要求的提高，洁净室的应用越来越广泛，其中非单向流洁净室应用最广，这些应用场合的室内发尘量较大，也可能很小［１］。为了保证室内达到要求的洁净度，需要向洁净室内送入大量的洁净空气来稀释颗粒污染物浓度。相关文献指出，洁净室能源消耗的费用已占其运行、维护年总费用的６５％ ～７５％，其中洁净室风机能耗量又占通风空调系统总能耗量约３０％，而风机能耗主要体现在洁净室的高换气次数上［２，４］。不同洁净室洁净度均以控制室内颗粒物浓度限值为依据，目前国内设计非单向流洁净室主要依据设计规范《洁净厂房设计规范》（ＧＢ５００７３—２０１３），其中的洁净度等同采用ＩＳＯ１４６４４ －１标准的洁净度等级，规范提出应依据洁净室洁净度要求确定换气次数或者按室内发尘量进行计算确定［５，６］ 。实际工程设计送风量时，由于事先无法准确获得室内发尘量资料，因此常根据规范确定换气次数。当室内实际发尘量过大时，根据规范选取的换气次数可能无法满足洁净度要求；而在室内实际发尘量较小时，根据规范选取的换气次数又会造成不必要的能源浪费。
针对非单向流洁净室换气次数对颗粒物浓度的影响，很多学者进行了研究。李云广等人针对顶部孔板右侧送风、左下侧回风的非单向流洁净室，采用计算流体力学（ＣＦＤ）数值模拟技术，研究换气次数从１５～７０ 次／ ｈ时对污染物扩散的影响，使用排污效率定义气流排除污染物的能力，结果显示换气次数在１５ 次／ ｈ 时排污效率最低，室内污染物难以有效排出，换气次数达到５５ 次／ ｈ 时排污效率最大，排污效果最好，继续增大换气次数时，排污效果无明显变化［７］ 。刘瓅等人为研究顶送侧回的非单向流洁净室中末端形式、回风口位置、换气次数３个因素对颗粒物浓度的影响，采用ＣＦＤ 模拟的方法，计算了Ｌ９（３４）正交实验表对应９个工况下的颗粒物浓度，模拟结果表明，末端形式对局部颗粒物浓度影响最大，而换气次数对室内颗粒物平均浓度的影响最大［８］。Ｃｈｕｎ Ｙｏｎｇ Ｋｈｏｏ 等人针对顶送高架地板回风的非单向流洁净室，实验分析换气次数和地板回风孔口面积对颗粒物浓度的影响，结果表明换气次数与地板孔口面积的增大均会导致室内颗粒物浓度的降低，当换气次数较小时，地板的孔口面积对颗粒物浓度的影响将更为显著［９］。Ｓｈａｏ 等人以一非单向流电子工业洁净室为研究对象，实验研究在不同风机过滤单元（ＦＦＵ）送风量下洁净室的能耗以及室内颗粒物的分布特征，实验中将洁净室分为污染区与无污染区，结果表明，当减少ＦＦＵ 送风量时，气流对颗粒物的抑制作用减弱；关闭无污染区的ＦＦＵ，同时保持污染区的ＦＦＵ 正常运行，污染区颗粒物不会增加， 但可使总送风量减少４０. ６％［１０，１１］。也有学者对室外污染物浓度、不同回风比、过滤系统设置等因素对非单向流洁净室风量的影响进行研究［１２］。
上述研究中无论是ＣＦＤ 研究方法还是实验研究方法，对室内污染源的发尘量和其他因素的综合影响研究较少。本文以一ＩＳＯ ６ 级非单向流洁净室为研究对象，通过实验研究室内发尘量、换气次数、送风口尺寸、尘源高度多因素对室内颗粒物浓度的综合影响，以获得影响换气次数控制室内颗粒物浓度的主要影响因素，并从中更好地认识室内发尘量对换气次数的影响。
2、实验描述
2.1研究对象
本文研究对象为４. ４４５ ｍ × ３. ２ ｍ × ２. １ ｍ 的ＩＳＯ ６ 级洁净室，该洁净室由顶部２ 台ＦＦＵ 送风，送风口的尺寸为１２００ ｍｍ ×６００ ｍｍ，回风方式为两侧侧墙回风，回风口的尺寸为１０００ ｍｍ ×３００ ｍｍ，回风口底边距地０. １ ｍ，两侧回风口对称布置。实验中洁净室的送回风口位置固定，见图１。
图１ 洁净室示意图
2.2实验测点布置及实验仪器
实验测点个数ＮＬ 可以通过公式ＮＬ ＝ Ａ０. ５ 计算［５］，其中Ａ 为洁净室面积，ｍ２ ［５］ 。实验用洁净室面积为１４. ２ ｍ２，则最少不少于４ 个测点，取离地板高０. ８ ｍ 处的工作区高度为采样高度，实验共布置了如图２所示对称的６个测点。选用１台Ｌｉｇｈｔｈｏｕｓｅ３０１６ＩＡＱ 粒子计数器巡回测量室内颗粒物浓度，其采样流量为２. ８３ ｌ ／ ｍｉｎ。实验时，每个测点采样３次，每次采样时间为１ ｍｉｎ，取其平均值作为该测点的颗粒物浓度。根据ＩＳＯ ６ 级洁净室关注粒径从０. １～５ μｍ的要求，本文的实验中采用０. ３μｍ 粒径的颗粒物作为研究对象。
实验发尘由一套设置在洁净室外的发尘装置实现，其发尘量由发尘装置上流量阀开度控制，以实现不同发尘量的调节。实验中，为保证发尘浓度的稳定性以及均匀性，发尘点布置于室长边中心的两侧，并采用均匀打孔的乒乓球模拟颗粒物点状散发。实验中采用的发尘颗粒物为聚苯乙烯乳胶球（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ Ｌａｔｅｘ Ｂａｌｌ），粒径为０. ３ μｍ，图２ 中三角形标记表示发尘位置。
图２ 测点布置图
3、正交实验
直接通过实验研究多因素对目标参数的影响往往需要相当多的实验工况，正交实验能够以较少的实验次数，获得多因素中各影响因素对目标参数的影响排序［１３］。本文采用正交实验的方法首先研究室内发尘、换气次数、送风口尺寸和尘源高度对非单向流洁净室内颗粒物浓度的影响程度，为后续正式特性实验选用影响因素提供依据。实验过程中维持发尘量稳定，不考虑实际工程中室内发尘量变化的情况。
3.1正交实验工况
取发尘量（Ｇ）、换气次数（ｎ）、风口尺寸（Ｓ）、尘源高度（Ｈ）４ 个影响因素３ 种不同的水平值，其中发尘量预设值为３.５ × １０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）、６ × １０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）、８. ２ ×１０４ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ），分别为室内人员为１ 人、２ 人、３ 人穿着洁净服活动时的单位容积发尘量［１４，１５］；换气次数预设为２０ 次／ ｈ、３０ 次／ ｈ、４０ 次／ ｈ；送风口尺寸为３５０ ｍｍ ×２６０ ｍｍ、７５０ ｍｍ ×４００ ｍｍ、１２００ ｍｍ ×６００ ｍｍ；尘源高度为１. ５５ ｍ、１. ６８ ｍ、１. ８１ ｍ。根据Ｌ９（３４） 正交实验表，上述４个因素组合后得到如表１所示的９组实验工况［１３］。在实验过程中，由于发尘的波动，实际发尘量会围绕预设值有一定范围的波动。
3.2正交实验结果分析
表１ 为正交实验极差分析表，正交表最右侧为各工况下的室内颗粒物浓度实验值。Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 分别为某一因素在水平１、２、３ 时的颗粒物浓度实验均值，Ｒ 值为各因素的极差值，是该因素最大值与最小值之差。Ｒ 值越大，代表该因素对指标值的影响越大，即变化幅度大。表１正交实验结果显示：在本文研究的各参数取值范围内，存在Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４，即对室内颗粒物平均浓度影响程度排序为：发尘量＞换气次数＞风口尺寸＞尘源高度。上述正交实验结果表明，室内发尘量对室内洁净度的影响是最大的，因此，在洁净室设计时依据洁净度确定换气次数必须考虑发尘量。
表１ 正交实验极差分析表
图３ 列出了各因素随不同水平Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 时的室内颗粒物浓度均值变化规律，其中发尘量和换气次数的影响分别是单调增加和减少，但送风口尺寸和尘源高度均先增后降，造成上述现象的原因可能是因为实验中送回风口、尘源之间相对位置形成的气流组织所致。对于已经确定或在运行的洁净室而言，送风口尺寸和尘源高度这两个因素一般基本稳定不变，在４个因素中对浓度影响较小。为此，本文将选取对室内颗粒物浓度影响较大的两个因素——室内发尘量与换气次数，实验研究确定换气次数时洁净度与发尘量的定量特性关系。
图３ 颗粒物浓度与发尘浓度、换气次数、风口当量直径、尘源高度的关系
4、发尘量与换气次数对室内颗粒物的影响
取送风口尺寸１２００ ｍｍ × ６００ ｍｍ、尘源高度１. ５５ ｍ，在正交实验的基础上增加室内发尘量１. ２ ×１０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ），为室内１人穿着洁净服静止时的发尘量，以及换气次数为１６ 次／ ｈ 的工况，特性实验的具体工况设置如表２所示。表２ 内每行４个工况相对于４个换气次数，同正交实验相似，由于发尘量的波动，表中实际发尘量会围绕预设发尘量在一定范围波动。
表２ 特性实验工况
4.1发尘量与换气次数对室内颗粒物浓度影响结果分析
图４ 是各个工况不同发尘量时室内颗粒物浓度随换气次数的变化曲线，其中水平线表示ＩＳＯ ６ 的浓度限值（０. ３ μｍ 时为１０２０００ ｐｃ ／ ｍ３ ）。由图４中曲线可知，在同一发尘量下，室内颗粒物浓度随换气次数的增大而减小，大发尘量时，室内颗粒物浓度随换气次数增加而显著降低，小发尘量时，室内颗粒物浓度缓慢降低。不同发尘量时都显示了小换气次数下室内颗粒物浓度降幅较大，大换气次数降幅较小，并能维持一个较低的粒子环境。在同一换气次数下，室内颗粒物平均浓度随室内发尘量的增大而增大，并随着换气次数的增大，发尘量的变化对于室内颗粒物浓度的影响会变得越来越小。当换气次数达到４０ 次／ ｈ时，实验条件下不同发尘量条件时室内均能够维持粒子浓度较低的水平，并且不超过ＩＳＯ ６ 级浓度限值。如果发尘量很小时，比如发尘量为４ ×１０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）时，对于ＩＳＯ ６ 级完全不需要５０ 次／ ｈ，此时，若按照规范推荐值来选取换气次数（５０～６０ 次／ ｈ）必定会造成不必要的能源浪费。但如果发尘量巨大，远大于本文实验工况设定值的情况，可以想象即使满足规范要求的５０～６０ 次／ ｈ 换气次数，仍有可能不满足ＩＳＯ ６ 级洁净度要求。上述问题对于ＩＳＯ ７～ＩＳＯ ９ 级的洁净室也同样存在，即在小发尘量时有一最小理论换气次数；在大发尘量时，即使按规范确定换气次数，也可能不满足洁净度要求。为此，工程上如何根据室内污染源的发尘量确定换气次数值得讨论。
图４ 各工况下室内颗粒物平均浓度
4.2发尘量、换气次数与室内颗粒物浓度的关系
将表２各实验工况所得颗粒物平均浓度绘制于横坐标为Ｇ ／ ｎ 的图５中，其中实线为拟合曲线，得到拟合曲线见公式（１），其相关系数０. ９８５。
式中：Ｎ 为室内颗粒物平均浓度，ｐｃ ／ ｍ３；Ｇ 为发尘量，ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）；ｎ 为换气次数，次／ ｈ。
对于典型的顶送两侧回风的非单向流洁净室，当涡流区相对整个房间较小时，室内颗粒物浓度、发尘量和换气次数的关系可表示为公式（２）［１４］：
式中：ＮＳ 为送风口含尘浓度，近似取０ ｐｃ ／ ｍ３，根据实验对象末端高效过滤器性能，对０. ３ μｍ 粒径的粒子过滤效率为９９.９９９％；
β、φ 分别为非单向流高效送风口布置等结构的相关系数，针对本文研究对象，取０. ６ 和１. ３［１４］ 。
将上述取值代入公式可得到式（３）。室内颗粒物浓度、发尘量与换气次数的关系式见公式（３）：
图５ 中虚线是公式（３）计算出的不同Ｇ ／ ｎ 情况下室内颗粒物浓度的变化曲线。通过对比图中虚实两线可知，实验拟合曲线与文献［１４］曲线趋势一致，当Ｇ ／ ｎ＞２５００ 时，由实验得到的颗粒物浓度拟合公式（１）高于公式（３）（即文献［１４］）约２０. ５％ ～２３. ２％。
图５ 室内颗粒物浓度随室内发尘量、换气次数的变化曲线图
将公式（１）变形可得到公式（４）和公式（５）：
公式（４）中，如果Ｎ 取满足洁净度要求的颗粒物允许浓度，ｎ 取按规范选取的换气次数时，Ｇｍａｘ则为洁净室内污染物最大允许发尘量。当实际发尘量大于该值时，就不满足洁净度要求，只有发尘量小于该极限值时，才能满足洁净度要求。公式（５）表示在满足某一洁净度条件下，室内实际发尘量为Ｇ时的最小换气次数ｎｍｉｎ ，若该换气次数小于规范取值，但仍按规范确定换气次数时，意味着洁净室送风量偏大，会造成较大浪费。
利用公式（５）可绘制ＩＳＯ ６ 级时换气次数与室内发尘量曲线如图６所示。图６中ｎ － Ｇ 实线采用的是ＩＳＯ ６级粒径为０. ３ μｍ，其允许尘浓１０２０００ ｐｃ ／ ｍ３作为Ｎ 值计算绘制。实际工程中，如果考虑安全因素，则设计换气次数可按公式（５）计算所得最小换气次数附加一定裕量，假设该裕量取３０％，即可得到如图６所示的虚线１. ３ｎ － Ｇ。实际按洁净度等级进行洁净室设计时，即可按洁净度要求选用有一定裕量的换气次数。按规范ＩＳＯ ６级洁净室的换气次数可选取５０～６０次／ｈ，则图中Ｇ５０、Ｇ６０即为按规范确定换气次数为５０ 次／ ｈ、６０ 次／ ｈ 时的最大允许发尘量。当实际发尘量大于Ｇ６０时，室内有可能不能达到ＩＳＯ ６级洁净要求。但在室内发尘量较小时，比如４. ０ ×１０４ ｐｃ ／ （ｍ３·ｍｉｎ）时，此时ＩＳＯ ６ 级洁净室只需ｎｍｉｎ ＝２７ 次／ ｈ，若仍采用规范换气次数，则会风量偏大，造成能源浪费。上述分析方法同样也可应用于针对颗粒物粒径０. ５ μｍ 以上的ＩＳＯ ７ 级等其他级别的非单向流洁净室。
图６ 室内发尘量与最小换气次数
根据本文研究结果，洁净室实际发尘量及换气次数都会对室内颗粒物浓度产生较大影响。因此，洁净室在确定空气净化系统方案时，掌握实际发尘量数据很关键，在此基础上可利用本文定量研究的思想确定系统设备最大容量，在具体系统运行时，可考虑马俊提出的按需确定风量的概念，设计系统浓度检测、风量控制的硬件设施，由此可对目前洁净室设计中过大风量有较大改观，系统能耗可大幅下降［１６］。
5、结论
通过对非单向流洁净室内颗粒物浓度影响因素的实验研究，得到以下结论：
（１）通过室内发尘量Ｇ、换气次数ｎ、风口尺寸Ｓ、尘源高度Ｈ 的正交实验，确定了影响非单向流洁净室内颗粒物浓度的影响程度从大到小依次为：Ｇ、ｎ、Ｓ、Ｈ。
（２）室内发尘量与换气次数对室内颗粒物浓度影响的特性实验发现，在换气次数较小时，室内发尘量影响较大，但随着换气次数的增大，室内发尘量的变化对室内颗粒物浓度的影响逐渐减弱。
（３）利用实验结果可拟合得到ＩＳＯ ６ 级非单向流洁净室内颗粒物浓度、发尘量与换气次数的关系式。在洁净室设计时，可根据实际发尘量，考虑一定的安全裕度确定最小换气次数。
（４）利用本文通过实验研究推荐的分析方法，可以确定采用规范选取换气次数的最大允许发尘量，通过增大换气次数避免因过大发尘量而不满足洁净度要求；同时还可根据实际发尘量获得最小换气次数，通过选用合适换气次数以避免选用过大换气次数而造成能源浪费。
论文研究结果可为设计安全可靠又节能的洁净室送风量提供参考。
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本文作者伊伟奇、李浩、李超、吴重纬、黄翠、黄晨，来源于暖通空调，仅供交流学习。
