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用CFD方法優化設計ISO5級(百級)潔凈室

      摘要：由于ISO5級(百級)潔凈室運行能耗較大，考慮到節能的必要性，本文利用計算流體動力學(CFD)方法對擬采用風機過濾器單元(FFU)潔凈空調方案的ISO5級電子工業潔凈室進行模擬，得出室內氣流速度場，分析其性能，并通過理論公式計算所能達到的潔凈度。我們認為結合潔凈室的具體用途，通過合理布置末端FFU送風口位置及選擇回風形式，以及選擇較高級別的末端過濾器，可以在滿布率較低時達到較高的潔凈度級別。利用CFD模擬技術可以為設計高效能的潔凈室系統提供依據。

　　關鍵詞： 潔凈室 計算流體動力學 風機過濾器單元 滿布率 節能

　　1 引言

　　潔凈室空調系統經典的方案是采用中央空調和三級過濾器集中送風，通過大型風道將已經處理的空氣送至過濾器的接聯管道，然后經高效空氣過濾器(HEPA Filter)或者超高效空氣過濾器(ULPA Filter)送到潔凈室。而另一種方案是采用室內循環風就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風不能提供全部冷負荷的問題，同時利用風機過濾器單元來進行空氣循環。每種方式各有一定的適用范圍，風機過濾器單元(FFU)因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區域的潔凈度、占用空間較少等優點得到越來越多的應用，尤其適合于舊廠房的改造及技術更新較快的工程。雖然FFU系統成本較高，而從綜合投資角度，分析認為采用FFU方式在末端過濾器鋪設率為25%-30%時較為有利【1】。

　　ISO5級(百級)潔凈室屬于潔凈室用暖通空調系統耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風方式，運行能耗較大。有關潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風空調系統如何有效地向潔凈室分布經過凈化和溫濕度調節的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風速度，布置末端過濾器、回風口、減少送風量以便節能是人們關注的焦點。

　　另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數據表明，大部分換氣次數遠低于建議的下限值【2】，而在設計中存在系統風量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔心系統運行可靠性的保守思想有關，說明提高節省能源的機會確實存在。隨著計算流體動力學(CFD)技術自身的發展，已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領域，通過計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細分布情況，是一種較好的優化設計工具。其優勢在于利用CFD技術對設計方案進行模擬可以在施工前發現失誤并及時更正，避免經濟損失;可以迅速發現提高系統運行效率的可能性;另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找經濟方案時有所依據。

　　本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調系統的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進行計算機模擬，通過幾個設計方案相比較，利用所得到的速度場，分析評價其性能，利用理論計算驗證其平衡態的潔凈度，并提出一些應用中的注意事項，為實際工程應用提供參考。

　　2 數值模擬及分析

　　2.1 數學模型

　　從流動的雷諾數Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動滿足連續性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關心紊流的精細結構及其瞬時變化，而只關心紊流隨機變量的有關平均值，因此，本文采用數值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數法，流動模型采用暖通空調廣泛采用的標準k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數。

　　控制方程的通用形式為【4】：

　　式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(kg/ms)， Sφ是源項，Φ代表1，u, v, w, k,ε中的一項，u, v, w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變為連續性方程。

　　邊界條件：墻體邊界設為無滑移邊界條件。送風邊界條件，送風速度取過濾器面風速平均值，速度方向豎直向下。回風邊界條件，回風口滿足充分發展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小，不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進行求解。

　　2.2 物理模型及計算結果分析

　　方案一將風機過濾器單元(規格為1.2m×1.2m)成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。物理模型平面圖如圖1。經模擬計算得到氣流流場示于圖3，由于送風口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風口至墻體范圍內有較大的渦流區，則主流區范圍減少，不能使全室工作區達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。

　　方案二將FFU(規格為1.2m×1.2m)散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風速在0.45 m/s，回風采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區1.2m及0.8m高度斷面平均風速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區，但在工作區0.8m-1.2 m范圍內已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區產生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10-3【3】。此設計中新風處理機組設三級過濾器，FFU中過濾器為U15≥99.9995%@MPPS，直徑>1μm的微粒可視為零，因此，工作區產生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。

　　當進一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風口正下方—定區域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區，污染物極易被卷吸進入渦流區內而不易排出。

　　經過模擬計算及分析，我們認為在送風口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風，過濾器面風速在0.45m/s，相應換氣次數為147次/小時，由于FFU可達到較大的送風面風速，以及均勻散布穿孔地板回風口的均流作用，因為如果采用側墻下側回風，就會在潔凈室中間下部區域形成較大的渦流三角區【5】，因此，潔凈室內能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區內能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現渦旋，因此在布置設備時，應避免將設備靠墻壁布置，而應留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應加以注意的。另外，此設計中雖然不能形成如傳統滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流，但美國標準IES-RP-CC012.1【6】中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。

　　3 理論計算潔凈度

　　潔凈室的潔凈度級別由通風系統和室內污染源所決定。可以通過數學公式對其進行計算。根據粒子平衡理論，進入潔凈室的粒子有室外新風帶入、循環空氣帶入及室內污染源。對于電子廠房室內污染源主要是工作人員的產塵，而設備產塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風帶出及由于室內正壓而滲出的粒子。可得如下方程【7】：

　　以上式中：Q，送風量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s;V，潔凈室的容積，m3;x，循環風的比例，此處為1;c，潔凈室的濃度，粒/m3;c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3;c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3;c1，滲出空氣的濃度，粒/m3;cout ，室外新風的濃度，粒/m3;t ，時間;ηout，新風過濾器效率;ηrec，回風過濾器效率;S，室內污染源，粒/秒;ε,通風效率。

　　新風預過濾器為F5(η=55%)，中效過濾器為F9(η=95%)，高效過濾器為H12(η=99.5%)，FFU中過濾器為U15(η≥99.9995%@MPPS);新風含塵濃度天津地區取為3×107粒/m3 (≥0.5μm);身著潔凈服的工作人員走動時的產塵量為1×104粒/秒?人(≥0.5μm) ;設同時有3人在工作;通風效率取為90%;新風比為4.42%。計算得出此設計的潔凈室穩定含塵濃度為2857粒/m3(即81粒/ft3)，達到ISO5級100粒/ft3的設計要求。

　　4 結論

　　通過本文的研究可得到如下結論：

　　1)針對電子廠房潔凈室發塵量較低，室內人員較少，熱負荷較小的情況，通過選擇級別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風方式后，即使設計的室內換氣次數、斷面平均風速低于規范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿足空氣潔凈度要求。

　　2)CFD是一種較好的優化設計工具，結合工程實際情況，借助模擬工具進行輔助設計是必然趨勢。

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