引言

我國電子工業(yè)發(fā)展迅速，電子無塵車間使用得越來越多，電子無塵車間能耗巨大。推進綠色工業(yè)建筑建設(shè)的呼聲越來越高，我國已于2010?年發(fā)布了綠色工業(yè)建筑評價導(dǎo)則，綠色工業(yè)建筑評價標準也即將頒布。在此背景下對電子無塵車間的節(jié)能設(shè)計進行研究顯得非常有意義。

1電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素及其特征

1.1?影響因素

潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗由?3?大部分組成：冷熱源系統(tǒng)能耗，冷熱媒輸配能耗，風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗，它們均受負荷特性的影響，此外冷熱源系統(tǒng)能耗還受冷熱源設(shè)備性能系數(shù)的影響，冷熱媒輸配能耗還受冷熱媒溫差、管路系統(tǒng)的阻力特性、動力設(shè)備效率的影響，風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗還受送風(fēng)溫差、管路系統(tǒng)的阻力特性、風(fēng)機效率的影響。

負荷特性主要受氣候、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、生產(chǎn)工藝的影響，對于一個確定的電子無塵車間，這三方面因素的影響程度也是確定的。設(shè)計時，暖通設(shè)計師可以操控的因素有：冷熱源設(shè)備性能系數(shù)、冷熱媒溫差、動力設(shè)備（泵、風(fēng)機、壓縮機）效率、冷熱媒管路阻力特性、風(fēng)系統(tǒng)管路阻力特性。

1.2?能耗特征

（1）能耗負荷大

電子無塵車間潔凈中央空調(diào)具有控制參數(shù)多且控制精度高、夏季溫度偏低冬季溫度偏高、新風(fēng)量大、潔凈中央空調(diào)

負荷大等特征[3]，這使得其冷熱源系統(tǒng)能耗和冷熱媒輸配系統(tǒng)能耗負荷大。此外，電子無塵車間的換氣次數(shù)明顯高于民用建筑，且送風(fēng)需一定的過濾處理，這導(dǎo)致其風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗大。總體來講電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗負荷明顯高于一般潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)。

（2）能耗負荷相對穩(wěn)定

電子無塵車間大都設(shè)于廠房內(nèi)部，被其他房間包圍，外圍護結(jié)構(gòu)少，空間相對較密閉，圍護結(jié)構(gòu)保溫性能好，潔凈中央空調(diào)負荷受外界氣象影響較小而受工藝的影響明顯。生產(chǎn)期間，內(nèi)部工藝均按生產(chǎn)計劃穩(wěn)定運行，因而潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗負荷也相對較穩(wěn)定。

（3）能耗受氣流組織影響明顯

GB50472-2008?將無塵車間劃分為9?個等級，不同的潔凈度等級，其氣流組織形式不同。表1?摘取了有關(guān)電子無塵車間氣流流型的選擇要求。取無塵車間層高為3m，則1-5?級無塵車間的最大換氣次數(shù)將達600?次/h，不同氣流流型換氣次數(shù)差別很大，由最小10?次/h?到最大600?次/h，這使得其送風(fēng)量相差懸殊，風(fēng)機的能耗與風(fēng)量成正比[4]，這間接表明氣流組織對電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗影響顯著。

2?電子無塵車間各氣流組織形式對比

從整個電子工業(yè)來看，電子無塵車間的潔凈等級全部涵蓋了9?個潔凈等級。從氣流流型的角度來劃分，電子無塵車間氣流組織形式大致分為3?種：單向流、非單向流、混合流，三種氣流的優(yōu)缺點對比見表2。單向流又細分為水平單向流和垂直單向流；非單向流又細分為頂送側(cè)下回、側(cè)送側(cè)回、頂送頂回，其中頂送側(cè)下回最為常用。各氣流組織形式在實際工程中具體使用時，（www.gxshunjiang.com）因所采用的送回風(fēng)口形式、數(shù)量、具體布置方式的不同，其潔凈效果、初投資、運行能耗又有較大差別。

3?CFD?在電子無塵車間節(jié)能設(shè)計中的使用

3.1?電子無塵車間節(jié)能設(shè)計探討

電子無塵車間潔凈中央空調(diào)系統(tǒng)能耗受多種因素的影響，相應(yīng)地其節(jié)能途徑也有多種。氣流組織對電子無塵車間能耗影響顯著，優(yōu)化氣流組織設(shè)計便是節(jié)能設(shè)計的重要途徑之一，在滿足工藝要求的前提下合理降低送風(fēng)量，可有效降低風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗。

CFD?的重要功能之一就是能夠?qū)κ覂?nèi)氣流組織效果進行有效預(yù)測，輔助設(shè)計師對氣流組織方案進行驗證和優(yōu)化。合理地將CFD?使用于無塵車間氣流組織設(shè)計中，將能夠有效降低無塵車間的能耗。

3.2?模型假設(shè)與基本方程

室內(nèi)氣流視為常物性不可壓縮牛頓流體，圍護結(jié)構(gòu)可視為絕熱，工作人員和工藝設(shè)備作為內(nèi)熱源，無塵車間內(nèi)的流場、壓力場均視為準穩(wěn)態(tài)?？諝饬鲃訛橥牧鳎瑵M足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。紊流模型目前在通風(fēng)潔凈中央空調(diào)數(shù)值模擬領(lǐng)域使用的最多的是k-ε?兩方程模型，通過求解湍能k?和湍能耗散率ε?的輸運方程得到湍流粘性系數(shù)。

3.3?網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格所需網(wǎng)格數(shù)小于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[5]，如果幾何模型較規(guī)整，則選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較好，既可保證計算精度計算速度又快。在速度梯度大的地方（送風(fēng)口和回風(fēng)口等），網(wǎng)格要適當加密。

3.4?邊界條件

壁面邊界：用低雷諾數(shù)法處理近壁區(qū)域內(nèi)的紊流， 在壁面附近劃分網(wǎng)格進行計算，滿足

Vx=Vy=Vz=0，k=0，ε=0；送風(fēng)口：矢量速度和溫濕度根據(jù)實際情況進行設(shè)置；回風(fēng)口：

4?工程實例分析

4.1?工程簡介及CFD?模型

千級電子無塵車間，其尺寸為52.8m×12m×2.9m，共有4?條相同的生產(chǎn)線，溫濕度：23±3℃、

40%～60%。氣流組織形式為頂送側(cè)回，吊頂上布置FFU，兩側(cè)墻上設(shè)回風(fēng)口（底離地0.3m），設(shè)計時擬采用將FFU?重點布置在生產(chǎn)線區(qū)域的上空，重點保證生產(chǎn)線區(qū)域潔凈度的方案。為了驗證該方案的可行性，遂決定進行模擬計算。采用Airpak?進行模擬，取其中一條生產(chǎn)線所占區(qū)域為建模對象，尺寸為13.2×12×2.9，F(xiàn)FU（1200×600）19?個，回風(fēng)百葉（1000×800）4?個。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃193479?個網(wǎng)格，整個模型及網(wǎng)格劃分如圖1?所示。

圖?1 CFD?幾何模型及網(wǎng)格劃分

Fig.1CFD geometric model and grid division

4.2?求解結(jié)果分析

4.2.1?溫濕度場分析

圖?2 Y=1.0m?溫度場

Fig.2The temperature field on height of 1m

圖?3 Y=1.0m?濕度場

Fig.3The humidity field on height of 1m

圖?4 Y=1.0m?平均空氣齡

Fig.4The average air age on height of 1m

圖2-3?為工作高度范圍內(nèi)（Y=1.0m）溫濕度場，可以看出生產(chǎn)線區(qū)域的溫度明顯高于其它區(qū)域的溫度，這是因為發(fā)熱體集中在生產(chǎn)線區(qū)域；人體表面附近的濕度相對較高，這是由于人體也在不斷散濕的結(jié)果。生產(chǎn)線操作高度范圍內(nèi)溫度為20-26℃，濕度為40-60%，達到了工藝要求。

4.2.2?氣流組織分析

圖?5-6?為不同斷面氣流分布圖，可以發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)線操作區(qū)域內(nèi)氣流較均勻，速度為0.1-0.15m/s，工作面以上區(qū)域無渦流；斷面X=6.4m?中部氣流分布明顯優(yōu)于斷面Z=2.6m?處的氣流分布，這是由于斷面X=6.4m?處的工作臺是不連續(xù)的而是間斷的，氣流可以從間隙處流通，從而改善了整個氣流分布，這說明工作臺上的間隙孔明顯改善了氣流組織效果。因此在不影響工藝的前提下，建議業(yè)主考慮在工作臺上設(shè)一定量的氣流孔，以提高潔凈效果。圖4?為平均空氣齡分布，空氣齡越小空氣新鮮度越高。整個室內(nèi)最大空氣齡為93.77s，操作線區(qū)域平均空氣齡為35-70s，空氣齡總體來說較小，這間接說明了此方案通風(fēng)效果良好。

圖?5 X=6.4m?氣流分布

Fig.5Air distribution at the section X = 6.4 m

圖?6 Z=2.6m?氣流分布

Fig.6Air distribution at the section Z = 2.6 m

4.2.3?節(jié)能性分析

（1）送風(fēng)量對比

生產(chǎn)線共?4?條，共有76?個FFU，每個FFU?送風(fēng)量為1000m3/h，總送風(fēng)量為76000m3/h。千級無塵車間相當于GB 50472-2008?中潔凈度為N（6）的無塵車間，規(guī)范推薦的換氣次數(shù)為50-60?次/h，一般取55?次/h，對應(yīng)的計算送風(fēng)量為101060m3/h。本設(shè)計方案所減少的風(fēng)量為25060m3/h，減少率為24.8%，所減少的FFU?為25?個。

（2）能耗節(jié)省量

FFU?的電功率為0.22kW，則所節(jié)省的電功率為5.5kW，假定每天運行12?小時，全年有效上班天數(shù)為250?天，則全年節(jié)省電量為16500kWh。

本 次 設(shè) 計 為了節(jié)省輸配能耗采用了MAU+FFU+DC?系統(tǒng)即組合式新風(fēng)機組+風(fēng)機過濾器單元+干盤管，若采用空氣集中處理集中送風(fēng)的傳統(tǒng)系統(tǒng)，則本方案所節(jié)省的能耗將更可觀。

5?結(jié)論

縱觀全文可以得到以下幾個結(jié)論：

（1）電子無塵車間能耗影響因素主要有：負荷特性、冷熱源設(shè)備性能系數(shù)、冷熱媒溫差、動力設(shè)備（泵、風(fēng)機、壓縮機）效率、冷熱媒管路阻力特性、風(fēng)系統(tǒng)管路阻力特性。

（2）電子無塵車間主要能耗特征有：能耗負荷大、能耗負荷相對穩(wěn)定、能耗受氣流組織影響明顯。

（3）設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工藝特征，采用各種分析方法，研究確定合適的氣流組織形式以期降低電子無塵車間能耗，達到節(jié)能設(shè)計的目的。

（4）CFD?在驗證和優(yōu)化電子無塵車間氣流組織方案中作用明顯，優(yōu)化氣流組織方案可顯著降低能耗，CFD?可以作為電子無塵車間節(jié)能設(shè)計很好的輔助手段。