單走廊實驗動物房壓力波動研究

吳利瑞 孟濤 韓磊 胡強

1 同濟大學機械與能源工程學院

2 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

實驗動物房空調系統的任務除了要控制室內的溫度、濕度和風速外，還要控制室內污染物濃度。對室內污染物控制的主要手段之一是維持各個動物房間合理的壓力梯度，保持氣流由高潔凈區到低潔凈區的流向，避免室外或低潔凈級別區的空氣回流造成對工作區的污染。如何判斷實驗動物房各區域間空氣的流動值得研究。本文通過一種有效而簡便的辦法研究單走廊SPF實驗動物房各個區域間的壓力波動情況，從而為研究實驗動物房各區域間空氣的流動提供幫助。

1 動物房壓力模型的建立

SPF實驗動物房按照潔凈走廊的布局方式分為單走廊實驗動物房和雙走廊實驗動物房兩種。實驗動物房一般包括動物飼養室、動物檢疫室、緩沖室和潔凈走廊。本文建立了一個簡化的單走廊實驗動物房潔凈區域模型，如圖1所示。包括三個動物飼養室，一條潔凈走廊，一個動物檢疫室，兩個緩沖室。每個房間都有一個通往潔凈走廊的自動門，緩沖室1和緩沖室2分別各有一個通往室外的自動門，各個門窗的編號如圖所示。

圖1 單走廊動物房壓力模型

空氣流經兩房間之間的縫隙時流量和壓差之間的關系可以由下式來表示[1]：式中：Q為通過縫隙的氣體體積流量，m3/h；P為縫隙兩側的壓差，Pa；C 為流量系數，m3/(h·Pa)；n 為流量指數，范圍是0.5～1，當氣體流動為充分發展的紊流時取極限值0.5，當流動為層流時取1。工程中較大尺寸的縫隙往往起著主導作用，因此為方便使用，一般取流量指數n=0.5，可靠性達到90%以上，因此本文為了方便討論，取 n=0.5[2]。

除了圖中標明位置的縫隙之外，每個房間實際上還有其它縫隙，如有些動物飼養室會有外窗，但對于同一類型的縫隙，縫隙兩側的壓力都相同，可以歸結為一處。由于潔凈室的壓力變化相對大氣壓而言很小，因此由于壓力變化引起的空氣密度的改變忽略不計，即認為空氣是不可壓縮的。本文的研究目的是分析各個實驗動物房間在影響因素變化的條件下壓力的波動情況，因此可以忽略各潔凈房間內部壓力不均勻性，即認為每個潔凈區只有一個靜壓值。

由式（1），對于每個房間而言其進入的空氣量等于流出的空氣量，可以得到如下的方程組：

2 壓力模型的參數設定與求解

2.1 壓力模型參數的設定

對于上述方程組，已知流量系數C1～C8和壓差風量Q1～Q7可以求解出各個房間的靜壓值；同樣的道理，已知流量系數C1～C8和各個動物房間要求的靜壓值就可以求解出各個動物房的壓差風量。本文的目的是得出在動物房流量系數變化和靜壓風量變化的情況下，各個動物房間壓力的變化情況。所以需要給定模型中的流量系數 C1～C8和壓差風量 Q1～Q7。

對于SPF實驗動物房，要求不同等級的動物房間壓差保持在10Pa。對于單走廊實驗動物房而言，靜壓值可以設置如下[3]：動物飼養室保持30Pa靜壓值，潔凈走廊保持20Pa靜壓值，與潔凈走廊相連接的緩沖室保持10Pa靜壓值，檢疫室保持5Pa的靜壓值。假定所有的門窗流量滲透系數（如表1），就可以解出所有的壓差風量（如表2）。

表1 門窗流量系數（m3/(h·Pa1/2)）

表2 各個動物房的靜壓風量（m3/h）

有了所有的流量系數和壓差風量，只要改變其中任意一個條件，就可以通過求解方程組，得出各個房間靜壓值與各個房間壓差風量和流量系數間的變化關系。

2.2 壓力模型的求解

針對上述的非線性方程組，本文利用MATLAB軟件，用牛頓下山法編寫程序計算。牛頓下山法的算法如下[4～5]：

1）給定初值 x0，控制精度 ε，令 k=0；

2）如果函數值滿足 |f(xk)|＜ε，返回近似解 xk，迭代終止；

3）計算 dk=-f(xk)/f'(xk)，δ=1；

4）如果 |f(xk+δdk)|＜|f(xk)|，令 xk+1=xk+δdk，否則 δ折半，重新計算第三步；

5）令迭代步k增加1，轉到第一步。

3 求解結果分析

3.1 流量系數變化對潔凈區域的影響

流量系數C2在潔凈走廊和動物房1之間，從圖2中可以看出，隨著C2的變大，只有動物房1的靜壓值不斷變小，其他各個區域的靜壓值不會改變。從方程組也可以看出C2改變只是引起了靜壓值P2的變化，動物房1和潔凈走廊的靜壓風量都沒有改變。與此類似，流量系數C3～C5的變化也只會改變各自房間所對應房間的靜壓值，不會對整個區域的壓力造成影響。

圖2 流量系數C2變化對各個房間靜壓的影響

流量系數C6在潔凈走廊和緩沖室2之間，從圖3中可以看出，隨著C6的變大，整個潔凈區域的靜壓值都發生相應的改變。這是由于，C6的變化引起了潔凈走廊靜壓值的變化，所有與潔凈走廊相連的區域靜壓值都受到影響。而且從所有曲線變化趨勢可以看出，隨著流量系數的增大到一定程度，靜壓值變化趨于平緩；各個區域所對應的流量系數越小，如檢疫室和動物房3，靜壓值變化越快（曲線斜率越大），即區域壓力抵抗外界干擾能力越弱。

圖3 流量系數C6變化對各個房間靜壓的影響

流量系數C8在緩沖室2和室外之間，從圖4中可以看出，與C6變化情況類似，隨著C8的變大，整個潔凈區域的靜壓值都發生相應的改變。

圖4 流量系數C8變化對各個房間靜壓得影響

3.2 滲透風量變化對潔凈區域的影響

從圖5、圖6可以看出，滲透風量的變化都會引起整個區域靜壓值的變化，各個區域靜壓值變化的快慢程度與該區域所對應的滲透流量正相關。但總體上可以看出潔凈走廊滲透凈風量變化對整個區域壓力都有較大的影響，而其它某個動物房的滲透凈風量變化對其它潔凈區域的靜壓值影響不大。

圖5 走廊壓差造成的滲透風量變化對各個房間靜壓的影響

圖6 動物房1壓差造成的滲透風量變化對各個房間靜壓的影響

4 結論

通過對壓力模型的求解和分析結果可知，對于單走廊實驗動物房：

1）任意房間滲透風量的變化都會對整個潔凈區域的壓力分布產生影響，隨著某個房間滲透風量的加大，各個房間靜壓值都會有不同程度的變大。

2）與潔凈走廊相連的房間所對應的流量系數改變只對該房間的靜壓值有影響，不會改變其它房間的靜壓值，對應房間靜壓值隨著流量系數的增大而減小。

3）其它區域的流量系數改變會引起整個區域靜壓值的變化。

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

[2]杜世元.潔凈室壓力控制研究[D].上海:同濟大學,2007

[3]全國實驗動物標準化技術委員會.實驗動物環境及設施(GB14925-2010)[S].2010

[4]吳鵬.MATLAB高效編程技巧與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010

[5]同濟大學計算數學教研室.現代數值數學和計算[M].上海:同濟大學出版社,2003