【關(guān)鍵詞】實驗室通風空調(diào)；實驗室系統(tǒng)工程設(shè)計；實驗室設(shè)計；CFD；實驗室氣流控制

正文：

從暖通空調(diào)的專業(yè)角度考慮，封閉空間氣流控制的目的：一是為保證空間內(nèi)人員的安全，需要維持可接受的氧氣濃度并稀釋和去除二氧化碳及其它污染物；二是為營造可以接受的受控制的熱環(huán)境。然而值得一提的是，在整個通風區(qū)域，如果空氣不能均勻分布的話，規(guī)定的或者要求的通風量并不能保證充分的稀釋或者去除污染物。當氣流組織和“塞狀流”或“活塞流”的差別越大時，對污染物的稀釋效果就越差。同樣道理，熱分布的均勻性也反映了受控環(huán)境的熱舒適程度。因此，應(yīng)該根據(jù)標準對氣流分布控制進行設(shè)計和安裝，以達到安全與舒適或者工藝的要求，滿足生活或生產(chǎn)對空氣品質(zhì)的要求。

氣流控制設(shè)計在暖通空調(diào)工程實踐中采用的方法主要有四種：射流公式、區(qū)域模型、CFD以及模型實驗。其中CFD分析有如下優(yōu)勢：具有模擬現(xiàn)實系統(tǒng)的能力；具有為CFD模型邊界設(shè)定精確和理想條件的能力；避免了測量儀器的干擾問題，能夠揭示物理實驗所不能展示的重要的流動特征；CFD分析的費用與進行實驗的費用相比少得多；具有處理有害環(huán)境的能力；對于CFD，不存在有毒性、不宜人員停留等問題；參數(shù)研究可以輕而易舉地通過CFD完成；在建立設(shè)計原型之前，能夠迅速而系統(tǒng)地篩選許多設(shè)計思想；能夠提供詳細的局部點信息和全面信息，而傳統(tǒng)物理實驗只能在選定的有限點上提供數(shù)據(jù)。因此，CFD方法應(yīng)用于對室內(nèi)空氣分布情況進行模擬和預(yù)測，得到房間內(nèi)風速、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細情況，具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，逐漸受到行業(yè)從業(yè)人員的青睞。

CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計算流體動力學)的簡稱，其研究通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學物理模型、數(shù)值算法求解、可視化結(jié)果與輸出。暖通空調(diào)領(lǐng)域的流體的數(shù)學模型，通常按不可壓縮的黏性流體流動的微分方程求解，流態(tài)為亂流流動。該數(shù)學模型具有很強的非線性特征，可利用數(shù)值方法求解，數(shù)值算法中常用的離散形式有：有限容積、有限差分、有限元；暖通空調(diào)的氣流為低速不可壓縮流體，采用有限容積法進行離散的情形較多。求解結(jié)果的速度場、溫度場、濃度場等通過計算機圖形學等技術(shù)表達出來，可以將單調(diào)繁雜的數(shù)值更形象直觀，便于非專業(yè)人士理解。

CFD如何應(yīng)用于實驗室通風空調(diào)工程呢？CFD主要可用于解決以下實驗室暖通空調(diào)工程設(shè)計的問題：

一、實驗室空間氣流組織設(shè)計。實驗室領(lǐng)域氣流組織要求最嚴格的當屬潔凈室和恒溫恒濕室，其中潔凈室氣流組織設(shè)計的原則包括：凈化空調(diào)的末端高效過濾器送風氣流應(yīng)以最短的距離，不受污染的直接送到工作區(qū)，并且盡可能覆蓋工作區(qū)，使污染物在擴散之前就被攜帶到回風或排風口；盡量減少渦流，避免把工作區(qū)之外的污染物帶入工作區(qū)；盡量控制上升氣流的產(chǎn)生，防止灰塵的二次飛揚；工作區(qū)的氣流力求均勻，滿足生產(chǎn)工藝、節(jié)能及衛(wèi)生要求。恒溫恒濕空間氣流組織設(shè)計應(yīng)考慮以下原則：合理地組織氣流流程，充分發(fā)揮送風氣流的冷卻或加熱作用；建立一個穩(wěn)定均勻的溫度場，以保證在氣流到達工作區(qū)時，其平均溫度與工作區(qū)的溫度差不超過允許的溫度波動值；根據(jù)室內(nèi)工作人員的衛(wèi)生要求，在氣流到達工作區(qū)時，其流動速度為0.25m/s左右；對于熱源分布很不均勻，或房間比較高大時，恒溫恒濕車間如果采用一個統(tǒng)一的空氣參數(shù)，同時又均勻地分配風量，就會在室內(nèi)產(chǎn)生相差懸殊的溫度場，將影響恒溫精度；這時，如工藝允許，應(yīng)盡量將發(fā)熱量較大的設(shè)備部件，移至恒溫恒濕車間外面或套間里，或者采用分區(qū)空調(diào)，即對不同區(qū)域根據(jù)其負荷情況或工藝要求，采取不同的送風參數(shù)和送風量。由此可見，受控空間的氣流組織直接決定了工藝空調(diào)的設(shè)計效果甚至成敗，而借助CFD可以預(yù)測仿真其中的空氣速度分布和溫度分布詳細情況，色調(diào)的冷暖表示溫度的高低，矢量箭頭的長短表示速度的大小，將空調(diào)空間內(nèi)的流場形象直觀地表示出來，及時調(diào)整通風空調(diào)設(shè)備的參數(shù)(冷熱量、風量、風壓)、送/回/排風口布局等，從而指導(dǎo)實驗室通風空調(diào)的設(shè)計和施工。

二、實驗室建筑外環(huán)境分析設(shè)計。建筑外環(huán)境，如風壓氣流的沖擊、室外塵源的分布、毗鄰熱環(huán)境等，對實驗室內(nèi)部受控環(huán)境的設(shè)計有著重要的影響，采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進行模擬分析，從而設(shè)計出合理的實驗室風環(huán)境。舉例風壓氣流的沖擊影響：室外氣流在遇到建筑物時會發(fā)生繞流流動，而在氣流離開建筑物一段距離后才恢復(fù)平行流動，按照邊界層流動的特性，在迎風面將形成滯留區(qū)，產(chǎn)生正壓壓力；而在建筑物頂部和背風面將分別形成回流空腔和回旋氣流區(qū)，總稱為空氣動力陰影區(qū)，產(chǎn)生負壓壓力；如果實驗室廢氣排放入空氣動力陰影區(qū)，有害物質(zhì)會逐漸積聚，如本區(qū)內(nèi)有新風口，則有害物將隨新風進入室內(nèi)；當室外風速大于3m/s時，產(chǎn)生的風壓力約5Pa，此時與迎風面室外相鄰的潔凈室正壓值應(yīng)考慮風壓的影響，否則室外的含塵氣流可能滲漏到室內(nèi)。由此可見，建筑外環(huán)境的分析設(shè)計對內(nèi)環(huán)境的設(shè)計尤為重要，通過模擬建筑外環(huán)境的風流動情況，進一步指導(dǎo)廠區(qū)總圖布局、實驗樓的自然通風設(shè)計、潔凈室與恒溫恒濕室的選址、工藝空調(diào)空間壓力塵埃粒子控制、廢氣處理與達標排放方案比選等。

三、實驗室設(shè)備性能的研究改進。實驗室暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如凈化風柜、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進其更好地工作，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用。

四、實驗室環(huán)境空氣質(zhì)量的提高。暖通設(shè)計人員應(yīng)充分了解實驗室建筑功能特點和技術(shù)要求，與時俱進，精心設(shè)計，才能為科研人員營造一個安全、衛(wèi)生、舒適的工作環(huán)境。環(huán)境空氣質(zhì)量的評價應(yīng)采用客觀的方式，通過模擬各種污染物濃度、發(fā)生量、種類、作用時間的關(guān)系，CFD通過求解偏微分方程，得到室內(nèi)各個位置的風速、溫度、相對濕度、污染物濃度、空氣齡等參數(shù)，從而客觀評價實驗室通風換氣的效率、熱舒適以及污染物排放效率等指標，切實有效地提高實驗室環(huán)境空氣質(zhì)量。

綜上所述，使用CFD最大的意義就在于節(jié)省實驗成本與預(yù)測結(jié)果，是理論設(shè)計與實踐相結(jié)合的紐帶，如果能夠保證CFD模擬的精度，就可以減少大量的實驗，而且可以完成一些現(xiàn)實中不可能完成、或是事先不能做的實驗，是后期施工質(zhì)量的技術(shù)保證。可以預(yù)見：類似CAD替代傳統(tǒng)圖板制圖那一樣，CFD技術(shù)將成為未來暖通空調(diào)設(shè)計工程師的必備工具。

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