化學分析實驗室換氣次數數值模擬分析

任塞峰 唐汝寧 李軍軍

1 內蒙古工業大學土木工程學院

2 中國電信股份有限公司云計算內蒙古分公司

目前我國實驗室設計規范對于換氣次數的規定很少涉及，雖有些提到換氣次數要求，但仍較為籠統，根據文獻[1]中的描述：“有輕度污染的實驗室房間換氣次數宜為6～8 次/h。有大量污染的實驗室房間換氣次數宜為8～12 次/h”，但規范中并未界定“輕度污染”與“大量污染”的標準和污染物種類，且化學分析室污染量隨著檢測頻次的增減而變化，很難固定。本文以某典型化學分析實驗室為研究對象，運用CFD 技術，對比不同換氣次數下的氣流分布，總結出化學分析室合理的換氣次數要求。

1 可靠性驗證

1.1 測試平臺概況

測試實驗室位于上海市浦東新區秀浦路2555 號A1 樓7 層B 座，倚世節能科技（上海）有限公司自主搭建的測試平臺。該實驗室內部尺寸為（長×寬×高）4.8 m×3.9 m×3.0 m，面積約18.7 m2，四周圍護結構為彩鋼板，密封、隔熱性能良好，送風口、排風口位于室內吊頂處。室內放置一臺通風柜，尺寸為（長×寬×高）1.50 m×0.92 m×2.37 m，最大開啟高度0.875 m，排風管直徑0.25 m。

1.2 檢測儀器、工具

測試使用的儀器及工具見表1。

表1 檢測儀器、工具

1.3 實驗前準備

開始測試前，準備好測試儀器，關閉實驗室門，室內無人員走動，啟動房間送排風系統，將通風柜拉門開至最大開度，距排風柜1.5 m 范圍內無超過0.1 m/s的橫向氣流干擾[2]。使用風速儀測量操作口斷面風速，調節風閥使斷面風速保持在0.4～0.5 m/s，讓實驗室至少運行5 min，以排空殘余氣體，同時也可穩定氣流。

1.4 測試步驟

1）將通風柜操作視窗開啟至最大（0.875 m），設定其面風速為0.5 m/s。

2）利用細線將通風柜操作面劃分為16 個大小均勻的網格，單個網格面積0.07 m2，符合規范小于0.09 m2的要求，如圖1、圖2 所示。

圖1 通風柜測點分布

圖2 通風柜面風速實測照片

1.5 測試與模擬結果對比分析

圖3 為模擬面風速與實測值分布曲線，從圖中可看出二者分布特性較為吻合。實測值波動較大，可能是受現場測試條件和人員走動的影響。模擬與實測值最大偏差和最小偏差見表2，均滿足規范小于15%的要求，另計算得出模擬值與實測值最大偏差為26%，最小偏差為4%，均在允許誤差范圍內。由此可見數值模擬的可靠性。

圖3 通風柜測點風速值

表2 實測面風速與模擬面風速偏差

2 數值模擬

2.1 仿真模型

在模擬可靠性基礎上，以某典型化學分析分析測試中心實驗室為例使用Gambit 軟件進行建模，房間尺寸：8.5 m×6.0 m×3.0 m（長×寬×高），室內布置有通風柜、試劑柜、中央操作臺等實驗家具，開門朝向北。如圖4 所示：

圖4 實驗室平面布置圖

為突出研究重點，本次模擬首先對房間進行簡化，只保留一臺通風柜，用來保護研究人員免受研究工作中產生的有害或有毒氣體的傷害[3]，柜體距南側墻2.0 m，其外部尺寸為：1.50 m×0.92 m×2.37 m（長×寬×高），實驗時視窗開口尺寸為：1.3 m×0.5 m，柜內設置一污染源。通風柜頂部排風管直徑0.25m。室內頂部設置一處送風口和一處輔助排風口（尺寸：0.5×0.5m），風口距通風柜水平距離2.5m，模型如圖5 所示：

圖5 房間模型

2.2 模型假設

1）由于實驗室內空氣流速較低，將其視為不可壓縮氣體，滿足牛頓內摩擦定律。

2）流動為湍流，穩態。

3）室內空氣低速流動，滿足Boussinesq 假設[4]。

4）假設房間圍護結構為絕熱材料，不考慮熱傳導和熱輻射。

5）假設房間密封性良好，不考慮門窗滲透，送風量等于排風量。

2.3 模型簡化

1）將通風柜上柜簡化為一矩形腔體，壁厚2 mm，忽略導流板、燈具、氣體考克等內部構造。

2）將排風口和送風口簡化為矩形風口，設定湍流強度和水力直徑。

3）將通風柜內污染物簡化為0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方體[5]，污染氣體為SF6，由其頂部均勻發散，發散率設定為4 L/min。

2.4 模型邊界條件設定

1）送風口邊界條件設置為速度進口（velocity-inlet）。

2）通風柜排風口和輔助排風口邊界條件設置為流動出流（outflow）。

3）污染物上表面設置為質量流量入口（mass-flow-inlet）。

4）其余邊界條件設置為壁面（wall）。

2.5 參數設置

室內通風量可由下式計算[6]：

式中：Q 為通風量，m3/h；n 為換氣次數，次/h；V 為房間容積，m3。

模擬時，將通風柜操作視窗開啟高度設定為0.5m，面風速設為0.5 m/s，通風柜排風量則可由下式計算：

式中：v 為通風柜面風速，m/s；A 為通風柜操作口面積，m3。因此通風柜排風量QT=1170 m3/h。

由于房間送風口至通風柜罩面所在平面距離不應少于1.5 m[7]，因此本文將水平距離設置為2.5 m，盡量減少送風對通風柜面風速的擾動，同時在設計時也應盡可能減小送風口風速。但過小的風速會導致房間產生氣流死角區域，空氣中的污染物難以得到充分混合，根據文獻[8]中結論，送風口風速為3 m/s 時，通風柜面風速波動及不均勻度均較大，風速減小至2 m/s時，對通風柜面風速影響減小，人員工作區域風速小于0.3 m/s，人員舒適性好，且房間內氣流死角較少。因此本文將送風速度設定為2 m/s。

確定以上參數之后，需要計算湍流強度I 和水力直徑de。湍流強度I 定義為相對于平均速度uavg的脈動速度u′的均方根[9]，其經驗公式為：

式中：Re 為雷諾數。

水力直徑定義為：

式中：A 為過流斷面面積，m2；χ 為過流斷面上流體與固體接觸的周長，稱為濕周，m。

3 模擬結果及分析

3.1 控制點濃度

人員操作區污染物濃度是通風柜性能及室內氣流組織評價的重要指標，根據文獻[2]中人體模型尺寸，呼吸區高度為1.5 m，鼻尖距柜門外側平面0.025 m，結合本文中模型，此控制點為（5.055,2.750,1.500），圖6 中給出了5～16 次/h 換氣次數下，控制點的污染物濃度值。

圖6 不同換氣次數對應的控制點濃度

由圖6 可以看出，換氣次數n=5 次/h 時（對應通風柜面風速0.3 m/s），控制點污染物濃度明顯高于其他工況，且超出規范要求的0.5 ppm；其余各換氣次數下（n=6 次/h 時對應通風柜面風速0.4 m/s，其余工況對應0.5 m/s）污染物濃度均未超過規范要求值，但污染物濃度并未隨著換氣次數的增加而單調遞減，而是呈現上下波動的趨勢。在換氣次數10、11 次/h 時濃度最低，其余情況均略有升高。但此時還不能完全確定合理的換氣次數值，因為單純分析某一點的值不能代表污染物整體情況，且污染物濃度單位為ppm，在如此小的數量級下改變收斂精度或控制方程等任何一項參數均會對結果有較大影響。

3.2 不同換氣次數下污染物濃度場

圖7 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數下，在通風柜中心截面Y=2.75 m 的污染物濃度云圖。從圖中可以看出，當n=6 次/h 時（通風柜面風速為0.4 m/s），由于通風量較小，操作口附近污染物濃度較高，且柜內污染物多聚集在后下部，沒有形成沿排風管穩定的排放流動，如此增加了污染物逃逸出操作口風險；當換氣次數由6 次/h 增大至10 次/h 時，柜內污染物逐漸在后壁面聚集，沿排風管方向排出，同時，操作口前0.025～0.5 m 附近污染物濃度平均值逐漸下降。當換氣次數繼續增大至14 次/h 時，操作口附近污染物濃度值再次呈現增大趨勢，且房間內污染物逐漸向上移動，這可能是由于隨著房間通風量增大，在通風柜排風量一定的情況下，輔助排風量增加，加劇了對氣流的卷吸作用，使得排風柜內的一部分污染物被帶出，造成了操作口附近的SF6濃度上升。由以上分析初步得出換氣次數n=10 次/h 左右為宜。

圖7 不同換氣次數下Y=2.75 m截面的污染物濃度云圖

將通風柜操作口附近污染物濃度放大，云圖范圍定義在1e-9～1e-7，結論與上述相符。

3.3 不同換氣次數下速度場

圖8 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數下Z=1.5 m 截面（即人員呼吸區高度）的速度分布云圖。從圖中可以看出新風從送風口送入房間，速度在垂直方向逐漸衰減并向周圍擴散，在人員工作區氣流速度均小于0.3 m/s，人員舒適性較好。但n=6 次/h 和n=8 次/h 工況下，由于換氣次數較低，導致房間工作區氣流死角區域較大，當n 增大至10-12 次/h 時，氣流死角明顯減少，繼續增大換氣次數，死角區域的變化并不顯著。

圖8 不同換氣次數下Z=1.5 m 截面的速度云圖

4 結論

通過以上對不同換氣次數下的濃度場和速度場分析，得出如下結論：

1）化學分析實驗室通風系統設計時，通風柜面風速不應小于0.4 m/s。

2）在保證通風柜面風速穩定的前提下，通風柜前控制區的污染物濃度值并不隨換氣次數的增加而單調遞減，即并非傳統概念中的換氣次數越大，污染物濃度越低。

3）有輔助排風的房間換氣次數以10～12 次/h 為宜，若換氣次數過大，不僅能耗升高且增加柜內污染物逸出的風險。