洁净空调系统的空间高度分层净化技术

中建三局第二建设工程有限责任公司 武汉 430074

1 项目概况及其空调系统构成

1.1 项目概况

背景工程为某航天试验厂房工程，主要用于航天产品的装配和测试工作，具有大跨度、高大空间和较高洁净度要求的特点。航天产品的试验工作虽然在大空间高洁净度环境中进行，但实际所占用的空间较小；另外，厂房内作业人员工作时间较非工作时间短，且相对集中，故整个厂房不需要全部净化，只需在工作时间内净化下部有效空间即可。

1.2 空调系统构成及气流组织形式

为节省建设资金，节约运行费用，达到节能环保的效果，从设计上最大限度地缩小净化空间，采取将空间在高度上分层净化，厂房下部为净化区，上部为非净化区。

厂房内采用喷口侧送风、双侧夹墙下部侧回风的分层空调方式，在不同高度上布置送风口，利用喷口侧送风形成的气流覆盖净化区域。洁净处理机组与局部净化器相结合，洁净处理机组保证室内温度、湿度，高余压自净器满足洁净级别要求。厂房的洁净要求范围为20 m以下，喷口布置高度分别为H1=7.00 m，H2=9.80 m，H3=13.00 m，H4=18.60 m，H5=20.60 m。喷口布置如图1所示。

2 风口调节

图1 送回风气流流形示意

厂房侧面风口安装电动比例控制型球形喷口，喷口可旋转，通过电动执行机构可以随时对风口转角进行调节。电动比例控制型球形喷口的球体可根据外界的信号去调节，可对应于夏季、春秋季及冬季3种工况，通过定位器去控制球形喷口球体的转动角度，可以根据实际工况，选择一对一或者一对多控制（一般不超过4台球形喷口）。

3种工况的喷口角度一般为：冷风工况朝上转角0～20°；等温工况喷口转角0°；暖风工况朝下转角0～20°。实际使用中，喷口可根据环境温度反馈自动到最佳调节角度（图2～图4）。

3 CFD模拟

厂房建筑面积2 925 m2，长71.70 m，宽40.80 m，高32.80 m，采用钢管混凝土双肢柱、钢网架屋顶结构，内有大吨位吊车，墙壁及顶板为洁净金属壁板。设计参数：温度20 ℃±5 ℃；相对湿度30%～60%；洁净度8级。

3.1 环境及空调参数设定

3.1.1 净化负载

该试验厂房的净化负载主要来源于悬浮于空气中的粒径不同的颗粒物质，主要有以下几方面：

图2 冷风工况示意

图3 等温工况示意

图4 暖风工况示意

1）室外新风及产品、设备携带进入。

2）操作人员在操作工程中散发出来。厂房内大部分净化负载都来源于下部的空间，上部的主要来源于顶部的吊车。其中，员工本身的散尘量最多，产尘量按照2.98×106个/（人·min）（粒径0.50 μm的颗粒）计算。每班模拟人数49人，分布在设备周边。

3）地面产生的净化负载。地面的散尘量一般按照4.24×104个/（m2·min）（粒径0.50 μm的颗粒）计算。其中，人员及地面产尘量根据GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》计算。

3.1.2 设计风量

根据规范要求，8级洁净度的换气频率为15次/h，厂房内洁净处理空调机组总循环风量为805 000 m3/h。空气处理机组设置在空调机房内，空气经过洁净处理空调机组初、中有效过滤后送至空调房间。根据工程相关的设计要求，厂房内配置45台洁净自净机，分布在厂房两侧的双肢柱空间内。

3.2 模型建立

3.2.1 模型概况

根据设计施工图，本工程建立的模型为71.70 m×40.80 m×32.80 m的厂房，考虑最不利情况下同时运行所有设备（因保密需要，所有设备均为简化模型）。

3.2.2 相关参数设置

1）人员考虑作业因素，越集中对空气中粒子浓度的影响越大，故取最不利情况下，人员集中分布在设备周边，人员简化为0.40 m×0.25 m×1.80 m的长方体，共49人，人员分布情况如图5所示。

2）设备耗热量参数及分布如图6所示。

图5 人员分布示意

图6 设备耗热量及分布

3）对射流风机进行简化，在每一个洞口处送入同样的风量与空气温度，其中，送入的空气温度设为20 ℃，风量2 500 m3/h换算约得0.70 m3/s。

4）装配测试厂房操作人员的工作多属于轻体力劳动，每班人数为49人，且相对集中于设备周边，这就导致热负荷和产尘源相对集中，对于局部热源、尘源的模拟，CFD数值模拟具有很大的优势，模拟计采用的室内源强度及分布见表1。其中，自净机组的送风参数为考虑自净机组风机温升后的回风参数，每台自净机组功率N=3.50 kW，按照功率的70%转换成热能计算，风机温升为1.68 K。

表1 室内源强度及分布

5）粒子浓度分析时，室内的湍流模型采用K-ε模型，产尘源产生的颗粒粒径全部设定为0.50 μm（0.50～10.00 μm），采用Boussinesq浮升力模型。划分的网格数目为1 584 000个。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 厂房温度场分析

在大型设备附近，由于设备的阻挡，在北侧不能进行较好的回风，此处的Y轴回风基本从南侧走出；在小型设备附件，沿Y轴两侧能形成良好的回风。

从室内X-Z轴温度分布情况可以看出温度较高区域在最底层，在23 ℃左右。从室内Y-Z轴温度分布的情况可以看出设备的散热分布情况，离设备近的地方温度也较高，离送风口近的地方温度相对较低（图7）。

图7 Y-Z轴温度分布情况

由于东侧未设置送风装置，整个温度场受到风场的影响而偏于西向，并且设备偏北侧也会对温度场有较大影响。从温度场模拟结果可以看出，在最不利工作状态下，最高温度低于24 ℃，满足设计参数要求。

3.3.2 厂房粒子浓度场分析

1.50 m处截面粒子浓度的最高上限为2.50×105个/m3，随着空间高度的增大，粒子浓度减小，在25.50 m处受到桁车影响，东侧浓度稍有偏高，但影响不大。从粒子浓度场模拟结果看出，操作区粒子浓度高于其他区域，最高浓度2.50×105个/m3，但整个厂房粒子浓度小于1.0×105个/m3，洁净度可达7级。最不利工况下浓度极值依然远小于设计上限（8级），因此厂房洁净度完全符合设计要求。

3.3.3 综合分析

通过对力学区厂房模型的CFD模拟分析，可以得出：

1）厂房的温度、洁净度完全满足设计要求，设计方案是合理可行的。

2）在力学区采用的喷口送风方式与传统的厂房顶部送风方式相比，减少了送风量，很好地达到了节能效果[1,2]。

4 空调优化方案CFD模拟

通过上述对力学区空调分层净化的模拟分析，现行的空调分层净化方案完全能满足设计参数的要求，且洁净度可以达到7级，远高于8级洁净度要求，所以，现行的方案还有很大的优化节能空间。

4.1 参数修正

现降低总的循环风量进行一次CFD模拟，将送风量由原来的15次/h降低到9次/h，即每个喷口风量由2 500 m3/h降为1 700 m3/h，换算后风量约为0.47 m3/s，其他参数不变。

4.2 优化方案模拟结果分析

参考3.3，取关键部位进行分析对比。

4.2.1 厂房温度场分析

由于减少了送风量，故整个厂房内的温度有所提高，最高温度变为24.3 ℃，但依然满足设计要求。

4.2.2 厂房粒子浓度场分析

由分析结果可知，厂房内粒子浓度在1.5 m处最高上限为5.70×105个/m3，在25.50 m处受到桁车影响，东侧浓度稍有偏高，但影响不大。尽管最高浓度达到了5.70×105个/m3，但是依然小于设计要求的浓度上限（8级洁净度约为3.20×106个/m3），符合8级洁净度的要求。

4.2.3 空调系统综合分析

综上所述，空间高度上的分层净化技术适用于高大、洁净厂房。在本工程中设计工况（15次/h的换气频率）和节能运行工况（9次/h的换气频率）下的厂房温度场及粒子浓度场均满足设计要求，同时通过减少送风量来降低能耗和费用的方案在理论上是可行的，但仍需要在使用中根据厂房具体要求来确定实际合适的送风量。

5 厂房洁净空调系统施工要点

1）净化空调系统施工必须等土建、管道和电气等安装工程基本完成，并对现场进行彻底清扫后方可进行。

2）管、部配件成型前，应对板材进行脱脂、清洗、除油污处理，成型后要擦拭干净、用吸尘器吸去浮尘，并用塑料薄膜包扎在封闭开口处，存放于干净场所，以备安装。

3）边擦拭边安装，当安装中途停顿或施工完毕时，要将端头与大气相通的孔口用塑料薄膜包扎封闭。

4）风管放样下料是关键环节，特别是三通、四通等管件的放样下料，尽可能一次成型，同时尽量减少拼接。安装完毕或停顿时，封好端头，以防系统内积尘。

5）为了保证系统的严密性，在系统安装完毕后必须进行漏光试验，隐蔽验收方可[3,4]。

6 结语

本文研究了在高大航天工业厂房空间高度分层净化的可行性，采用喷口侧送风、双侧夹墙下部侧回风的分层空调方式，经过CFD模拟，取得了满意的结果。同时在本厂房中采用分层净化技术，在满足洁净度的要求下达到较高的节能效果。另外，在洁净厂房施工过程中要注意部件及场地的洁净处理，保证整个安装过程中无粉尘污染。