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ISO 6級潔凈室換氣次數(shù)確定方法的實驗研究

嘉峪檢測網(wǎng)        2023-08-23 20:30

非單向流潔凈室設(shè)計時,由于事先無法準(zhǔn)確獲得室內(nèi)發(fā)塵量資料,一般按潔凈度要求利用相關(guān)設(shè)計規(guī)范確定換氣次數(shù)取值范圍,但所選用的換氣次數(shù)在各種因素的影響下,實際使用時是否能滿足潔凈度要求,是否會過大而造成能耗浪費。以一典型頂送側(cè)回的ISO 6級非單向流潔凈室為研究對象,利用正交實驗方法,獲得對室內(nèi)潔凈度影響較大的4個因素影響程度排序:室內(nèi)發(fā)塵量、換氣次數(shù)、送風(fēng)口尺寸、塵源高度。在此基礎(chǔ)上,在送風(fēng)結(jié)構(gòu)與房間污染源位置固定的潔凈室內(nèi),進(jìn)行不同換氣次數(shù)下室內(nèi)發(fā)塵量對室內(nèi)濃度變化的特性實驗。通過實驗結(jié)果獲得不同換氣次數(shù)、發(fā)塵量時的顆粒物濃度計算擬合式,以此確定了ISO 6級下選用換氣次數(shù)的室內(nèi)最大允許發(fā)塵量,即按規(guī)范選用50~60次/h 換氣次數(shù)時室內(nèi)最大允許發(fā)塵量為7. 4 ×104~8. 9 ×104 pc / (m3·min)。同樣,還可確定在不同發(fā)塵量時需要的最小換氣次數(shù),比如室內(nèi)發(fā)塵量為4. 0 ×104 pc / ( m3·min) 時,此時ISO 6級潔凈室只需nmin = 27 次/ h。因此,按潔凈度確定非單向流潔凈室換氣次數(shù)的同時考慮室內(nèi)發(fā)塵量的大小,可以在滿足室內(nèi)潔凈度要求的同時節(jié)約能源。
 
1、引言
 
隨著各行各業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)要求的提高,潔凈室的應(yīng)用越來越廣泛,其中非單向流潔凈室應(yīng)用最廣,這些應(yīng)用場合的室內(nèi)發(fā)塵量較大,也可能很?。郏保荨榱吮WC室內(nèi)達(dá)到要求的潔凈度,需要向潔凈室內(nèi)送入大量的潔凈空氣來稀釋顆粒污染物濃度。相關(guān)文獻(xiàn)指出,潔凈室能源消耗的費用已占其運行、維護(hù)年總費用的65% ~75%,其中潔凈室風(fēng)機能耗量又占通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)總能耗量約30%,而風(fēng)機能耗主要體現(xiàn)在潔凈室的高換氣次數(shù)上[2,4]。不同潔凈室潔凈度均以控制室內(nèi)顆粒物濃度限值為依據(jù),目前國內(nèi)設(shè)計非單向流潔凈室主要依據(jù)設(shè)計規(guī)范《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》(GB50073—2013),其中的潔凈度等同采用ISO14644 -1標(biāo)準(zhǔn)的潔凈度等級,規(guī)范提出應(yīng)依據(jù)潔凈室潔凈度要求確定換氣次數(shù)或者按室內(nèi)發(fā)塵量進(jìn)行計算確定[5,6] 。實際工程設(shè)計送風(fēng)量時,由于事先無法準(zhǔn)確獲得室內(nèi)發(fā)塵量資料,因此常根據(jù)規(guī)范確定換氣次數(shù)。當(dāng)室內(nèi)實際發(fā)塵量過大時,根據(jù)規(guī)范選取的換氣次數(shù)可能無法滿足潔凈度要求;而在室內(nèi)實際發(fā)塵量較小時,根據(jù)規(guī)范選取的換氣次數(shù)又會造成不必要的能源浪費。
針對非單向流潔凈室換氣次數(shù)對顆粒物濃度的影響,很多學(xué)者進(jìn)行了研究。李云廣等人針對頂部孔板右側(cè)送風(fēng)、左下側(cè)回風(fēng)的非單向流潔凈室,采用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù),研究換氣次數(shù)從15~70 次/ h時對污染物擴散的影響,使用排污效率定義氣流排除污染物的能力,結(jié)果顯示換氣次數(shù)在15 次/ h 時排污效率最低,室內(nèi)污染物難以有效排出,換氣次數(shù)達(dá)到55 次/ h 時排污效率最大,排污效果最好,繼續(xù)增大換氣次數(shù)時,排污效果無明顯變化[7] 。劉瓅等人為研究頂送側(cè)回的非單向流潔凈室中末端形式、回風(fēng)口位置、換氣次數(shù)3個因素對顆粒物濃度的影響,采用CFD 模擬的方法,計算了L9(34)正交實驗表對應(yīng)9個工況下的顆粒物濃度,模擬結(jié)果表明,末端形式對局部顆粒物濃度影響最大,而換氣次數(shù)對室內(nèi)顆粒物平均濃度的影響最大[8]。Chun Yong Khoo 等人針對頂送高架地板回風(fēng)的非單向流潔凈室,實驗分析換氣次數(shù)和地板回風(fēng)孔口面積對顆粒物濃度的影響,結(jié)果表明換氣次數(shù)與地板孔口面積的增大均會導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物濃度的降低,當(dāng)換氣次數(shù)較小時,地板的孔口面積對顆粒物濃度的影響將更為顯著[9]。Shao 等人以一非單向流電子工業(yè)潔凈室為研究對象,實驗研究在不同風(fēng)機過濾單元(FFU)送風(fēng)量下潔凈室的能耗以及室內(nèi)顆粒物的分布特征,實驗中將潔凈室分為污染區(qū)與無污染區(qū),結(jié)果表明,當(dāng)減少FFU 送風(fēng)量時,氣流對顆粒物的抑制作用減弱;關(guān)閉無污染區(qū)的FFU,同時保持污染區(qū)的FFU 正常運行,污染區(qū)顆粒物不會增加, 但可使總送風(fēng)量減少40. 6%[10,11]。也有學(xué)者對室外污染物濃度、不同回風(fēng)比、過濾系統(tǒng)設(shè)置等因素對非單向流潔凈室風(fēng)量的影響進(jìn)行研究[12]。
上述研究中無論是CFD 研究方法還是實驗研究方法,對室內(nèi)污染源的發(fā)塵量和其他因素的綜合影響研究較少。本文以一ISO 6 級非單向流潔凈室為研究對象,通過實驗研究室內(nèi)發(fā)塵量、換氣次數(shù)、送風(fēng)口尺寸、塵源高度多因素對室內(nèi)顆粒物濃度的綜合影響,以獲得影響換氣次數(shù)控制室內(nèi)顆粒物濃度的主要影響因素,并從中更好地認(rèn)識室內(nèi)發(fā)塵量對換氣次數(shù)的影響。
 
2、實驗描述
 
2.1研究對象
 
本文研究對象為4. 445 m × 3. 2 m × 2. 1 m 的ISO 6 級潔凈室,該潔凈室由頂部2 臺FFU 送風(fēng),送風(fēng)口的尺寸為1200 mm ×600 mm,回風(fēng)方式為兩側(cè)側(cè)墻回風(fēng),回風(fēng)口的尺寸為1000 mm ×300 mm,回風(fēng)口底邊距地0. 1 m,兩側(cè)回風(fēng)口對稱布置。實驗中潔凈室的送回風(fēng)口位置固定,見圖1。
圖1 潔凈室示意圖
 
2.2實驗測點布置及實驗儀器
 
實驗測點個數(shù)NL 可以通過公式NL = A0. 5 計算[5],其中A 為潔凈室面積,m2 [5] 。實驗用潔凈室面積為14. 2 m2,則最少不少于4 個測點,取離地板高0. 8 m 處的工作區(qū)高度為采樣高度,實驗共布置了如圖2所示對稱的6個測點。選用1臺Lighthouse3016IAQ 粒子計數(shù)器巡回測量室內(nèi)顆粒物濃度,其采樣流量為2. 83 l / min。實驗時,每個測點采樣3次,每次采樣時間為1 min,取其平均值作為該測點的顆粒物濃度。根據(jù)ISO 6 級潔凈室關(guān)注粒徑從0. 1~5 μm的要求,本文的實驗中采用0. 3μm 粒徑的顆粒物作為研究對象。
實驗發(fā)塵由一套設(shè)置在潔凈室外的發(fā)塵裝置實現(xiàn),其發(fā)塵量由發(fā)塵裝置上流量閥開度控制,以實現(xiàn)不同發(fā)塵量的調(diào)節(jié)。實驗中,為保證發(fā)塵濃度的穩(wěn)定性以及均勻性,發(fā)塵點布置于室長邊中心的兩側(cè),并采用均勻打孔的乒乓球模擬顆粒物點狀散發(fā)。實驗中采用的發(fā)塵顆粒物為聚苯乙烯乳膠球(Polystyrene Latex Ball),粒徑為0. 3 μm,圖2 中三角形標(biāo)記表示發(fā)塵位置。
圖2 測點布置圖
 
3、正交實驗
 
直接通過實驗研究多因素對目標(biāo)參數(shù)的影響往往需要相當(dāng)多的實驗工況,正交實驗?zāi)軌蛞暂^少的實驗次數(shù),獲得多因素中各影響因素對目標(biāo)參數(shù)的影響排序[13]。本文采用正交實驗的方法首先研究室內(nèi)發(fā)塵、換氣次數(shù)、送風(fēng)口尺寸和塵源高度對非單向流潔凈室內(nèi)顆粒物濃度的影響程度,為后續(xù)正式特性實驗選用影響因素提供依據(jù)。實驗過程中維持發(fā)塵量穩(wěn)定,不考慮實際工程中室內(nèi)發(fā)塵量變化的情況。
 
3.1正交實驗工況
 
取發(fā)塵量(G)、換氣次數(shù)(n)、風(fēng)口尺寸(S)、塵源高度(H)4 個影響因素3 種不同的水平值,其中發(fā)塵量預(yù)設(shè)值為3.5 × 104 pc / (m3·min)、6 × 104 pc / (m3·min)、8. 2 ×104pc / (m3·min),分別為室內(nèi)人員為1 人、2 人、3 人穿著潔凈服活動時的單位容積發(fā)塵量[14,15];換氣次數(shù)預(yù)設(shè)為20 次/ h、30 次/ h、40 次/ h;送風(fēng)口尺寸為350 mm ×260 mm、750 mm ×400 mm、1200 mm ×600 mm;塵源高度為1. 55 m、1. 68 m、1. 81 m。根據(jù)L9(34) 正交實驗表,上述4個因素組合后得到如表1所示的9組實驗工況[13]。在實驗過程中,由于發(fā)塵的波動,實際發(fā)塵量會圍繞預(yù)設(shè)值有一定范圍的波動。
 
3.2正交實驗結(jié)果分析
 
表1 為正交實驗極差分析表,正交表最右側(cè)為各工況下的室內(nèi)顆粒物濃度實驗值。K1、K2、K3 分別為某一因素在水平1、2、3 時的顆粒物濃度實驗均值,R 值為各因素的極差值,是該因素最大值與最小值之差。R 值越大,代表該因素對指標(biāo)值的影響越大,即變化幅度大。表1正交實驗結(jié)果顯示:在本文研究的各參數(shù)取值范圍內(nèi),存在R1>R2>R3>R4,即對室內(nèi)顆粒物平均濃度影響程度排序為:發(fā)塵量>換氣次數(shù)>風(fēng)口尺寸>塵源高度。上述正交實驗結(jié)果表明,室內(nèi)發(fā)塵量對室內(nèi)潔凈度的影響是最大的,因此,在潔凈室設(shè)計時依據(jù)潔凈度確定換氣次數(shù)必須考慮發(fā)塵量。
表1 正交實驗極差分析表
圖3 列出了各因素隨不同水平K1、K2、K3 時的室內(nèi)顆粒物濃度均值變化規(guī)律,其中發(fā)塵量和換氣次數(shù)的影響分別是單調(diào)增加和減少,但送風(fēng)口尺寸和塵源高度均先增后降,造成上述現(xiàn)象的原因可能是因為實驗中送回風(fēng)口、塵源之間相對位置形成的氣流組織所致。對于已經(jīng)確定或在運行的潔凈室而言,送風(fēng)口尺寸和塵源高度這兩個因素一般基本穩(wěn)定不變,在4個因素中對濃度影響較小。為此,本文將選取對室內(nèi)顆粒物濃度影響較大的兩個因素——室內(nèi)發(fā)塵量與換氣次數(shù),實驗研究確定換氣次數(shù)時潔凈度與發(fā)塵量的定量特性關(guān)系。
 
圖3 顆粒物濃度與發(fā)塵濃度、換氣次數(shù)、風(fēng)口當(dāng)量直徑、塵源高度的關(guān)系
 
4、發(fā)塵量與換氣次數(shù)對室內(nèi)顆粒物的影響
 
取送風(fēng)口尺寸1200 mm × 600 mm、塵源高度1. 55 m,在正交實驗的基礎(chǔ)上增加室內(nèi)發(fā)塵量1. 2 ×104 pc / (m3·min),為室內(nèi)1人穿著潔凈服靜止時的發(fā)塵量,以及換氣次數(shù)為16 次/ h 的工況,特性實驗的具體工況設(shè)置如表2所示。表2 內(nèi)每行4個工況相對于4個換氣次數(shù),同正交實驗相似,由于發(fā)塵量的波動,表中實際發(fā)塵量會圍繞預(yù)設(shè)發(fā)塵量在一定范圍波動。
表2 特性實驗工況
4.1發(fā)塵量與換氣次數(shù)對室內(nèi)顆粒物濃度影響結(jié)果分析
 
圖4 是各個工況不同發(fā)塵量時室內(nèi)顆粒物濃度隨換氣次數(shù)的變化曲線,其中水平線表示ISO 6 的濃度限值(0. 3 μm 時為102000 pc / m3 )。由圖4中曲線可知,在同一發(fā)塵量下,室內(nèi)顆粒物濃度隨換氣次數(shù)的增大而減小,大發(fā)塵量時,室內(nèi)顆粒物濃度隨換氣次數(shù)增加而顯著降低,小發(fā)塵量時,室內(nèi)顆粒物濃度緩慢降低。不同發(fā)塵量時都顯示了小換氣次數(shù)下室內(nèi)顆粒物濃度降幅較大,大換氣次數(shù)降幅較小,并能維持一個較低的粒子環(huán)境。在同一換氣次數(shù)下,室內(nèi)顆粒物平均濃度隨室內(nèi)發(fā)塵量的增大而增大,并隨著換氣次數(shù)的增大,發(fā)塵量的變化對于室內(nèi)顆粒物濃度的影響會變得越來越小。當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到40 次/ h時,實驗條件下不同發(fā)塵量條件時室內(nèi)均能夠維持粒子濃度較低的水平,并且不超過ISO 6 級濃度限值。如果發(fā)塵量很小時,比如發(fā)塵量為4 ×104 pc / (m3·min)時,對于ISO 6 級完全不需要50 次/ h,此時,若按照規(guī)范推薦值來選取換氣次數(shù)(50~60 次/ h)必定會造成不必要的能源浪費。但如果發(fā)塵量巨大,遠(yuǎn)大于本文實驗工況設(shè)定值的情況,可以想象即使?jié)M足規(guī)范要求的50~60 次/ h 換氣次數(shù),仍有可能不滿足ISO 6 級潔凈度要求。上述問題對于ISO 7~ISO 9 級的潔凈室也同樣存在,即在小發(fā)塵量時有一最小理論換氣次數(shù);在大發(fā)塵量時,即使按規(guī)范確定換氣次數(shù),也可能不滿足潔凈度要求。為此,工程上如何根據(jù)室內(nèi)污染源的發(fā)塵量確定換氣次數(shù)值得討論。
圖4 各工況下室內(nèi)顆粒物平均濃度
 
4.2發(fā)塵量、換氣次數(shù)與室內(nèi)顆粒物濃度的關(guān)系
 
將表2各實驗工況所得顆粒物平均濃度繪制于橫坐標(biāo)為G / n 的圖5中,其中實線為擬合曲線,得到擬合曲線見公式(1),其相關(guān)系數(shù)0. 985。
式中:N 為室內(nèi)顆粒物平均濃度,pc / m3;G 為發(fā)塵量,pc / (m3·min);n 為換氣次數(shù),次/ h。
對于典型的頂送兩側(cè)回風(fēng)的非單向流潔凈室,當(dāng)渦流區(qū)相對整個房間較小時,室內(nèi)顆粒物濃度、發(fā)塵量和換氣次數(shù)的關(guān)系可表示為公式(2)[14]:
式中:NS 為送風(fēng)口含塵濃度,近似取0 pc / m3,根據(jù)實驗對象末端高效過濾器性能,對0. 3 μm 粒徑的粒子過濾效率為99.999%;
β、φ 分別為非單向流高效送風(fēng)口布置等結(jié)構(gòu)的相關(guān)系數(shù),針對本文研究對象,?。? 6 和1. 3[14] 。
將上述取值代入公式可得到式(3)。室內(nèi)顆粒物濃度、發(fā)塵量與換氣次數(shù)的關(guān)系式見公式(3):
 
圖5 中虛線是公式(3)計算出的不同G / n 情況下室內(nèi)顆粒物濃度的變化曲線。通過對比圖中虛實兩線可知,實驗擬合曲線與文獻(xiàn)[14]曲線趨勢一致,當(dāng)G / n>2500 時,由實驗得到的顆粒物濃度擬合公式(1)高于公式(3)(即文獻(xiàn)[14])約20. 5% ~23. 2%。
圖5 室內(nèi)顆粒物濃度隨室內(nèi)發(fā)塵量、換氣次數(shù)的變化曲線圖
將公式(1)變形可得到公式(4)和公式(5):
 
公式(4)中,如果N 取滿足潔凈度要求的顆粒物允許濃度,n 取按規(guī)范選取的換氣次數(shù)時,Gmax則為潔凈室內(nèi)污染物最大允許發(fā)塵量。當(dāng)實際發(fā)塵量大于該值時,就不滿足潔凈度要求,只有發(fā)塵量小于該極限值時,才能滿足潔凈度要求。公式(5)表示在滿足某一潔凈度條件下,室內(nèi)實際發(fā)塵量為G時的最小換氣次數(shù)nmin ,若該換氣次數(shù)小于規(guī)范取值,但仍按規(guī)范確定換氣次數(shù)時,意味著潔凈室送風(fēng)量偏大,會造成較大浪費。
利用公式(5)可繪制ISO 6 級時換氣次數(shù)與室內(nèi)發(fā)塵量曲線如圖6所示。圖6中n - G 實線采用的是ISO 6級粒徑為0. 3 μm,其允許塵濃102000 pc / m3作為N 值計算繪制。實際工程中,如果考慮安全因素,則設(shè)計換氣次數(shù)可按公式(5)計算所得最小換氣次數(shù)附加一定裕量,假設(shè)該裕量?。常埃?,即可得到如圖6所示的虛線1. 3n - G。實際按潔凈度等級進(jìn)行潔凈室設(shè)計時,即可按潔凈度要求選用有一定裕量的換氣次數(shù)。按規(guī)范ISO 6級潔凈室的換氣次數(shù)可選取50~60次/h,則圖中G50、G60即為按規(guī)范確定換氣次數(shù)為50 次/ h、60 次/ h 時的最大允許發(fā)塵量。當(dāng)實際發(fā)塵量大于G60時,室內(nèi)有可能不能達(dá)到ISO 6級潔凈要求。但在室內(nèi)發(fā)塵量較小時,比如4. 0 ×104 pc / (m3·min)時,此時ISO 6 級潔凈室只需nmin =27 次/ h,若仍采用規(guī)范換氣次數(shù),則會風(fēng)量偏大,造成能源浪費。上述分析方法同樣也可應(yīng)用于針對顆粒物粒徑0. 5 μm 以上的ISO 7 級等其他級別的非單向流潔凈室。
圖6 室內(nèi)發(fā)塵量與最小換氣次數(shù)
根據(jù)本文研究結(jié)果,潔凈室實際發(fā)塵量及換氣次數(shù)都會對室內(nèi)顆粒物濃度產(chǎn)生較大影響。因此,潔凈室在確定空氣凈化系統(tǒng)方案時,掌握實際發(fā)塵量數(shù)據(jù)很關(guān)鍵,在此基礎(chǔ)上可利用本文定量研究的思想確定系統(tǒng)設(shè)備最大容量,在具體系統(tǒng)運行時,可考慮馬俊提出的按需確定風(fēng)量的概念,設(shè)計系統(tǒng)濃度檢測、風(fēng)量控制的硬件設(shè)施,由此可對目前潔凈室設(shè)計中過大風(fēng)量有較大改觀,系統(tǒng)能耗可大幅下降[16]。
 
5、結(jié)論
 
通過對非單向流潔凈室內(nèi)顆粒物濃度影響因素的實驗研究,得到以下結(jié)論:
(1)通過室內(nèi)發(fā)塵量G、換氣次數(shù)n、風(fēng)口尺寸S、塵源高度H 的正交實驗,確定了影響非單向流潔凈室內(nèi)顆粒物濃度的影響程度從大到小依次為:G、n、S、H。
(2)室內(nèi)發(fā)塵量與換氣次數(shù)對室內(nèi)顆粒物濃度影響的特性實驗發(fā)現(xiàn),在換氣次數(shù)較小時,室內(nèi)發(fā)塵量影響較大,但隨著換氣次數(shù)的增大,室內(nèi)發(fā)塵量的變化對室內(nèi)顆粒物濃度的影響逐漸減弱。
(3)利用實驗結(jié)果可擬合得到ISO 6 級非單向流潔凈室內(nèi)顆粒物濃度、發(fā)塵量與換氣次數(shù)的關(guān)系式。在潔凈室設(shè)計時,可根據(jù)實際發(fā)塵量,考慮一定的安全裕度確定最小換氣次數(shù)。
(4)利用本文通過實驗研究推薦的分析方法,可以確定采用規(guī)范選取換氣次數(shù)的最大允許發(fā)塵量,通過增大換氣次數(shù)避免因過大發(fā)塵量而不滿足潔凈度要求;同時還可根據(jù)實際發(fā)塵量獲得最小換氣次數(shù),通過選用合適換氣次數(shù)以避免選用過大換氣次數(shù)而造成能源浪費。
論文研究結(jié)果可為設(shè)計安全可靠又節(jié)能的潔凈室送風(fēng)量提供參考。
 
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本文作者伊偉奇、李浩、李超、吳重緯、黃翠、黃晨,來源于暖通空調(diào),僅供交流學(xué)習(xí)。
 
 
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