潔凈空調系統的空間高度分層凈化技術

中建三局第二建設工程有限責任公司 武漢 430074

1 項目概況及其空調系統構成

1.1 項目概況

背景工程為某航天試驗廠房工程，主要用于航天產品的裝配和測試工作，具有大跨度、高大空間和較高潔凈度要求的特點。航天產品的試驗工作雖然在大空間高潔凈度環境中進行，但實際所占用的空間較?。涣硗?，廠房內作業人員工作時間較非工作時間短，且相對集中，故整個廠房不需要全部凈化，只需在工作時間內凈化下部有效空間即可。

1.2 空調系統構成及氣流組織形式

為節省建設資金，節約運行費用，達到節能環保的效果，從設計上最大限度地縮小凈化空間，采取將空間在高度上分層凈化，廠房下部為凈化區，上部為非凈化區。

廠房內采用噴口側送風、雙側夾墻下部側回風的分層空調方式，在不同高度上布置送風口，利用噴口側送風形成的氣流覆蓋凈化區域。潔凈處理機組與局部凈化器相結合，潔凈處理機組保證室內溫度、濕度，高余壓自凈器滿足潔凈級別要求。廠房的潔凈要求范圍為20 m以下，噴口布置高度分別為H1=7.00 m，H2=9.80 m，H3=13.00 m，H4=18.60 m，H5=20.60 m。噴口布置如圖1所示。

2 風口調節

圖1 送回風氣流流形示意

廠房側面風口安裝電動比例控制型球形噴口，噴口可旋轉，通過電動執行機構可以隨時對風口轉角進行調節。電動比例控制型球形噴口的球體可根據外界的信號去調節，可對應于夏季、春秋季及冬季3種工況，通過定位器去控制球形噴口球體的轉動角度，可以根據實際工況，選擇一對一或者一對多控制（一般不超過4臺球形噴口）。

3種工況的噴口角度一般為：冷風工況朝上轉角0～20°；等溫工況噴口轉角0°；暖風工況朝下轉角0～20°。實際使用中，噴口可根據環境溫度反饋自動到最佳調節角度（圖2～圖4）。

3 CFD模擬

廠房建筑面積2 925 m2，長71.70 m，寬40.80 m，高32.80 m，采用鋼管混凝土雙肢柱、鋼網架屋頂結構，內有大噸位吊車，墻壁及頂板為潔凈金屬壁板。設計參數：溫度20 ℃±5 ℃；相對濕度30%～60%；潔凈度8級。

3.1 環境及空調參數設定

3.1.1 凈化負載

該試驗廠房的凈化負載主要來源于懸浮于空氣中的粒徑不同的顆粒物質，主要有以下幾方面：

圖2 冷風工況示意

圖3 等溫工況示意

圖4 暖風工況示意

1）室外新風及產品、設備攜帶進入。

2）操作人員在操作工程中散發出來。廠房內大部分凈化負載都來源于下部的空間，上部的主要來源于頂部的吊車。其中，員工本身的散塵量最多，產塵量按照2.98×106個/（人·min）（粒徑0.50 μm的顆粒）計算。每班模擬人數49人，分布在設備周邊。

3）地面產生的凈化負載。地面的散塵量一般按照4.24×104個/（m2·min）（粒徑0.50 μm的顆粒）計算。其中，人員及地面產塵量根據GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》計算。

3.1.2 設計風量

根據規范要求，8級潔凈度的換氣頻率為15次/h，廠房內潔凈處理空調機組總循環風量為805 000 m3/h?？諝馓幚頇C組設置在空調機房內，空氣經過潔凈處理空調機組初、中有效過濾后送至空調房間。根據工程相關的設計要求，廠房內配置45臺潔凈自凈機，分布在廠房兩側的雙肢柱空間內。

3.2 模型建立

3.2.1 模型概況

根據設計施工圖，本工程建立的模型為71.70 m×40.80 m×32.80 m的廠房，考慮最不利情況下同時運行所有設備（因保密需要，所有設備均為簡化模型）。

3.2.2 相關參數設置

1）人員考慮作業因素，越集中對空氣中粒子濃度的影響越大，故取最不利情況下，人員集中分布在設備周邊，人員簡化為0.40 m×0.25 m×1.80 m的長方體，共49人，人員分布情況如圖5所示。

2）設備耗熱量參數及分布如圖6所示。

圖5 人員分布示意

圖6 設備耗熱量及分布

3）對射流風機進行簡化，在每一個洞口處送入同樣的風量與空氣溫度，其中，送入的空氣溫度設為20 ℃，風量2 500 m3/h換算約得0.70 m3/s。

4）裝配測試廠房操作人員的工作多屬于輕體力勞動，每班人數為49人，且相對集中于設備周邊，這就導致熱負荷和產塵源相對集中，對于局部熱源、塵源的模擬，CFD數值模擬具有很大的優勢，模擬計采用的室內源強度及分布見表1。其中，自凈機組的送風參數為考慮自凈機組風機溫升后的回風參數，每臺自凈機組功率N=3.50 kW，按照功率的70%轉換成熱能計算，風機溫升為1.68 K。

表1 室內源強度及分布

5）粒子濃度分析時，室內的湍流模型采用K-ε模型，產塵源產生的顆粒粒徑全部設定為0.50 μm（0.50～10.00 μm），采用Boussinesq浮升力模型。劃分的網格數目為1 584 000個。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 廠房溫度場分析

在大型設備附近，由于設備的阻擋，在北側不能進行較好的回風，此處的Y軸回風基本從南側走出；在小型設備附件，沿Y軸兩側能形成良好的回風。

從室內X-Z軸溫度分布情況可以看出溫度較高區域在最底層，在23 ℃左右。從室內Y-Z軸溫度分布的情況可以看出設備的散熱分布情況，離設備近的地方溫度也較高，離送風口近的地方溫度相對較低（圖7）。

圖7 Y-Z軸溫度分布情況

由于東側未設置送風裝置，整個溫度場受到風場的影響而偏于西向，并且設備偏北側也會對溫度場有較大影響。從溫度場模擬結果可以看出，在最不利工作狀態下，最高溫度低于24 ℃，滿足設計參數要求。

3.3.2 廠房粒子濃度場分析

1.50 m處截面粒子濃度的最高上限為2.50×105個/m3，隨著空間高度的增大，粒子濃度減小，在25.50 m處受到桁車影響，東側濃度稍有偏高，但影響不大。從粒子濃度場模擬結果看出，操作區粒子濃度高于其他區域，最高濃度2.50×105個/m3，但整個廠房粒子濃度小于1.0×105個/m3，潔凈度可達7級。最不利工況下濃度極值依然遠小于設計上限（8級），因此廠房潔凈度完全符合設計要求。

3.3.3 綜合分析

通過對力學區廠房模型的CFD模擬分析，可以得出：

1）廠房的溫度、潔凈度完全滿足設計要求，設計方案是合理可行的。

2）在力學區采用的噴口送風方式與傳統的廠房頂部送風方式相比，減少了送風量，很好地達到了節能效果[1,2]。

4 空調優化方案CFD模擬

通過上述對力學區空調分層凈化的模擬分析，現行的空調分層凈化方案完全能滿足設計參數的要求，且潔凈度可以達到7級，遠高于8級潔凈度要求，所以，現行的方案還有很大的優化節能空間。

4.1 參數修正

現降低總的循環風量進行一次CFD模擬，將送風量由原來的15次/h降低到9次/h，即每個噴口風量由2 500 m3/h降為1 700 m3/h，換算后風量約為0.47 m3/s，其他參數不變。

4.2 優化方案模擬結果分析

參考3.3，取關鍵部位進行分析對比。

4.2.1 廠房溫度場分析

由于減少了送風量，故整個廠房內的溫度有所提高，最高溫度變為24.3 ℃，但依然滿足設計要求。

4.2.2 廠房粒子濃度場分析

由分析結果可知，廠房內粒子濃度在1.5 m處最高上限為5.70×105個/m3，在25.50 m處受到桁車影響，東側濃度稍有偏高，但影響不大。盡管最高濃度達到了5.70×105個/m3，但是依然小于設計要求的濃度上限（8級潔凈度約為3.20×106個/m3），符合8級潔凈度的要求。

4.2.3 空調系統綜合分析

綜上所述，空間高度上的分層凈化技術適用于高大、潔凈廠房。在本工程中設計工況（15次/h的換氣頻率）和節能運行工況（9次/h的換氣頻率）下的廠房溫度場及粒子濃度場均滿足設計要求，同時通過減少送風量來降低能耗和費用的方案在理論上是可行的，但仍需要在使用中根據廠房具體要求來確定實際合適的送風量。

5 廠房潔凈空調系統施工要點

1）凈化空調系統施工必須等土建、管道和電氣等安裝工程基本完成，并對現場進行徹底清掃后方可進行。

2）管、部配件成型前，應對板材進行脫脂、清洗、除油污處理，成型后要擦拭干凈、用吸塵器吸去浮塵，并用塑料薄膜包扎在封閉開口處，存放于干凈場所，以備安裝。

3）邊擦拭邊安裝，當安裝中途停頓或施工完畢時，要將端頭與大氣相通的孔口用塑料薄膜包扎封閉。

4）風管放樣下料是關鍵環節，特別是三通、四通等管件的放樣下料，盡可能一次成型，同時盡量減少拼接。安裝完畢或停頓時，封好端頭，以防系統內積塵。

5）為了保證系統的嚴密性，在系統安裝完畢后必須進行漏光試驗，隱蔽驗收方可[3,4]。

6 結語

本文研究了在高大航天工業廠房空間高度分層凈化的可行性，采用噴口側送風、雙側夾墻下部側回風的分層空調方式，經過CFD模擬，取得了滿意的結果。同時在本廠房中采用分層凈化技術，在滿足潔凈度的要求下達到較高的節能效果。另外，在潔凈廠房施工過程中要注意部件及場地的潔凈處理，保證整個安裝過程中無粉塵污染。