单走廊实验动物房压力波动研究

吴利瑞 孟涛 韩磊 胡强

1 同济大学机械与能源工程学院

2 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

实验动物房空调系统的任务除了要控制室内的温度、湿度和风速外，还要控制室内污染物浓度。对室内污染物控制的主要手段之一是维持各个动物房间合理的压力梯度，保持气流由高洁净区到低洁净区的流向，避免室外或低洁净级别区的空气回流造成对工作区的污染。如何判断实验动物房各区域间空气的流动值得研究。本文通过一种有效而简便的办法研究单走廊SPF实验动物房各个区域间的压力波动情况，从而为研究实验动物房各区域间空气的流动提供帮助。

1 动物房压力模型的建立

SPF实验动物房按照洁净走廊的布局方式分为单走廊实验动物房和双走廊实验动物房两种。实验动物房一般包括动物饲养室、动物检疫室、缓冲室和洁净走廊。本文建立了一个简化的单走廊实验动物房洁净区域模型，如图1所示。包括三个动物饲养室，一条洁净走廊，一个动物检疫室，两个缓冲室。每个房间都有一个通往洁净走廊的自动门，缓冲室1和缓冲室2分别各有一个通往室外的自动门，各个门窗的编号如图所示。

图1 单走廊动物房压力模型

空气流经两房间之间的缝隙时流量和压差之间的关系可以由下式来表示[1]：式中：Q为通过缝隙的气体体积流量，m3/h；P为缝隙两侧的压差，Pa；C 为流量系数，m3/(h·Pa)；n 为流量指数，范围是0.5～1，当气体流动为充分发展的紊流时取极限值0.5，当流动为层流时取1。工程中较大尺寸的缝隙往往起着主导作用，因此为方便使用，一般取流量指数n=0.5，可靠性达到90%以上，因此本文为了方便讨论，取 n=0.5[2]。

除了图中标明位置的缝隙之外，每个房间实际上还有其它缝隙，如有些动物饲养室会有外窗，但对于同一类型的缝隙，缝隙两侧的压力都相同，可以归结为一处。由于洁净室的压力变化相对大气压而言很小，因此由于压力变化引起的空气密度的改变忽略不计，即认为空气是不可压缩的。本文的研究目的是分析各个实验动物房间在影响因素变化的条件下压力的波动情况，因此可以忽略各洁净房间内部压力不均匀性，即认为每个洁净区只有一个静压值。

由式（1），对于每个房间而言其进入的空气量等于流出的空气量，可以得到如下的方程组：

2 压力模型的参数设定与求解

2.1 压力模型参数的设定

对于上述方程组，已知流量系数C1～C8和压差风量Q1～Q7可以求解出各个房间的静压值；同样的道理，已知流量系数C1～C8和各个动物房间要求的静压值就可以求解出各个动物房的压差风量。本文的目的是得出在动物房流量系数变化和静压风量变化的情况下，各个动物房间压力的变化情况。所以需要给定模型中的流量系数 C1～C8和压差风量 Q1～Q7。

对于SPF实验动物房，要求不同等级的动物房间压差保持在10Pa。对于单走廊实验动物房而言，静压值可以设置如下[3]：动物饲养室保持30Pa静压值，洁净走廊保持20Pa静压值，与洁净走廊相连接的缓冲室保持10Pa静压值，检疫室保持5Pa的静压值。假定所有的门窗流量渗透系数（如表1），就可以解出所有的压差风量（如表2）。

表1 门窗流量系数（m3/(h·Pa1/2)）

表2 各个动物房的静压风量（m3/h）

有了所有的流量系数和压差风量，只要改变其中任意一个条件，就可以通过求解方程组，得出各个房间静压值与各个房间压差风量和流量系数间的变化关系。

2.2 压力模型的求解

针对上述的非线性方程组，本文利用MATLAB软件，用牛顿下山法编写程序计算。牛顿下山法的算法如下[4～5]：

1）给定初值 x0，控制精度 ε，令 k=0；

2）如果函数值满足 |f(xk)|＜ε，返回近似解 xk，迭代终止；

3）计算 dk=-f(xk)/f'(xk)，δ=1；

4）如果 |f(xk+δdk)|＜|f(xk)|，令 xk+1=xk+δdk，否则 δ折半，重新计算第三步；

5）令迭代步k增加1，转到第一步。

3 求解结果分析

3.1 流量系数变化对洁净区域的影响

流量系数C2在洁净走廊和动物房1之间，从图2中可以看出，随着C2的变大，只有动物房1的静压值不断变小，其他各个区域的静压值不会改变。从方程组也可以看出C2改变只是引起了静压值P2的变化，动物房1和洁净走廊的静压风量都没有改变。与此类似，流量系数C3～C5的变化也只会改变各自房间所对应房间的静压值，不会对整个区域的压力造成影响。

图2 流量系数C2变化对各个房间静压的影响

流量系数C6在洁净走廊和缓冲室2之间，从图3中可以看出，随着C6的变大，整个洁净区域的静压值都发生相应的改变。这是由于，C6的变化引起了洁净走廊静压值的变化，所有与洁净走廊相连的区域静压值都受到影响。而且从所有曲线变化趋势可以看出，随着流量系数的增大到一定程度，静压值变化趋于平缓；各个区域所对应的流量系数越小，如检疫室和动物房3，静压值变化越快（曲线斜率越大），即区域压力抵抗外界干扰能力越弱。

图3 流量系数C6变化对各个房间静压的影响

流量系数C8在缓冲室2和室外之间，从图4中可以看出，与C6变化情况类似，随着C8的变大，整个洁净区域的静压值都发生相应的改变。

图4 流量系数C8变化对各个房间静压得影响

3.2 渗透风量变化对洁净区域的影响

从图5、图6可以看出，渗透风量的变化都会引起整个区域静压值的变化，各个区域静压值变化的快慢程度与该区域所对应的渗透流量正相关。但总体上可以看出洁净走廊渗透净风量变化对整个区域压力都有较大的影响，而其它某个动物房的渗透净风量变化对其它洁净区域的静压值影响不大。

图5 走廊压差造成的渗透风量变化对各个房间静压的影响

图6 动物房1压差造成的渗透风量变化对各个房间静压的影响

4 结论

通过对压力模型的求解和分析结果可知，对于单走廊实验动物房：

1）任意房间渗透风量的变化都会对整个洁净区域的压力分布产生影响，随着某个房间渗透风量的加大，各个房间静压值都会有不同程度的变大。

2）与洁净走廊相连的房间所对应的流量系数改变只对该房间的静压值有影响，不会改变其它房间的静压值，对应房间静压值随着流量系数的增大而减小。

3）其它区域的流量系数改变会引起整个区域静压值的变化。

[1]Brain Wiseman.Room Pressure for Critical Environments[J].ASHRAE Journal,2003,45(2):34-39

[2]杜世元.洁净室压力控制研究[D].上海:同济大学,2007

[3]全国实验动物标准化技术委员会.实验动物环境及设施(GB14925-2010)[S].2010

[4]吴鹏.MATLAB高效编程技巧与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010

[5]同济大学计算数学教研室.现代数值数学和计算[M].上海:同济大学出版社,2003