任塞峰 唐汝宁 李军军

1 内蒙古工业大学土木工程学院

2 中国电信股份有限公司云计算内蒙古分公司

目前我国实验室设计规范对于换气次数的规定很少涉及，虽有些提到换气次数要求，但仍较为笼统，根据文献[1]中的描述：“有轻度污染的实验室房间换气次数宜为6～8 次/h。有大量污染的实验室房间换气次数宜为8～12 次/h”，但规范中并未界定“轻度污染”与“大量污染”的标准和污染物种类，且化学分析室污染量随着检测频次的增减而变化，很难固定。本文以某典型化学分析实验室为研究对象，运用CFD 技术，对比不同换气次数下的气流分布，总结出化学分析室合理的换气次数要求。

1 可靠性验证

1.1 测试平台概况

测试实验室位于上海市浦东新区秀浦路2555 号A1 楼7 层B 座，倚世节能科技（上海）有限公司自主搭建的测试平台。该实验室内部尺寸为（长×宽×高）4.8 m×3.9 m×3.0 m，面积约18.7 m2，四周围护结构为彩钢板，密封、隔热性能良好，送风口、排风口位于室内吊顶处。室内放置一台通风柜，尺寸为（长×宽×高）1.50 m×0.92 m×2.37 m，最大开启高度0.875 m，排风管直径0.25 m。

1.2 检测仪器、工具

测试使用的仪器及工具见表1。

表1 检测仪器、工具

1.3 实验前准备

开始测试前，准备好测试仪器，关闭实验室门，室内无人员走动，启动房间送排风系统，将通风柜拉门开至最大开度，距排风柜1.5 m 范围内无超过0.1 m/s的横向气流干扰[2]。使用风速仪测量操作口断面风速，调节风阀使断面风速保持在0.4～0.5 m/s，让实验室至少运行5 min，以排空残余气体，同时也可稳定气流。

1.4 测试步骤

1）将通风柜操作视窗开启至最大（0.875 m），设定其面风速为0.5 m/s。

2）利用细线将通风柜操作面划分为16 个大小均匀的网格，单个网格面积0.07 m2，符合规范小于0.09 m2的要求，如图1、图2 所示。

图1 通风柜测点分布

图2 通风柜面风速实测照片

1.5 测试与模拟结果对比分析

图3 为模拟面风速与实测值分布曲线，从图中可看出二者分布特性较为吻合。实测值波动较大，可能是受现场测试条件和人员走动的影响。模拟与实测值最大偏差和最小偏差见表2，均满足规范小于15%的要求，另计算得出模拟值与实测值最大偏差为26%，最小偏差为4%，均在允许误差范围内。由此可见数值模拟的可靠性。

图3 通风柜测点风速值

表2 实测面风速与模拟面风速偏差

2 数值模拟

2.1 仿真模型

在模拟可靠性基础上，以某典型化学分析分析测试中心实验室为例使用Gambit 软件进行建模，房间尺寸：8.5 m×6.0 m×3.0 m（长×宽×高），室内布置有通风柜、试剂柜、中央操作台等实验家具，开门朝向北。如图4 所示：

图4 实验室平面布置图

为突出研究重点，本次模拟首先对房间进行简化，只保留一台通风柜，用来保护研究人员免受研究工作中产生的有害或有毒气体的伤害[3]，柜体距南侧墙2.0 m，其外部尺寸为：1.50 m×0.92 m×2.37 m（长×宽×高），实验时视窗开口尺寸为：1.3 m×0.5 m，柜内设置一污染源。通风柜顶部排风管直径0.25m。室内顶部设置一处送风口和一处辅助排风口（尺寸：0.5×0.5m），风口距通风柜水平距离2.5m，模型如图5 所示：

图5 房间模型

2.2 模型假设

1）由于实验室内空气流速较低，将其视为不可压缩气体，满足牛顿内摩擦定律。

2）流动为湍流，稳态。

3）室内空气低速流动，满足Boussinesq 假设[4]。

4）假设房间围护结构为绝热材料，不考虑热传导和热辐射。

5）假设房间密封性良好，不考虑门窗渗透，送风量等于排风量。

2.3 模型简化

1）将通风柜上柜简化为一矩形腔体，壁厚2 mm，忽略导流板、灯具、气体考克等内部构造。

2）将排风口和送风口简化为矩形风口，设定湍流强度和水力直径。

3）将通风柜内污染物简化为0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方体[5]，污染气体为SF6，由其顶部均匀发散，发散率设定为4 L/min。

2.4 模型边界条件设定

1）送风口边界条件设置为速度进口（velocity-inlet）。

2）通风柜排风口和辅助排风口边界条件设置为流动出流（outflow）。

3）污染物上表面设置为质量流量入口（mass-flow-inlet）。

4）其余边界条件设置为壁面（wall）。

2.5 参数设置

室内通风量可由下式计算[6]：

式中：Q 为通风量，m3/h；n 为换气次数，次/h；V 为房间容积，m3。

模拟时，将通风柜操作视窗开启高度设定为0.5m，面风速设为0.5 m/s，通风柜排风量则可由下式计算：

式中：v 为通风柜面风速，m/s；A 为通风柜操作口面积，m3。因此通风柜排风量QT=1170 m3/h。

由于房间送风口至通风柜罩面所在平面距离不应少于1.5 m[7]，因此本文将水平距离设置为2.5 m，尽量减少送风对通风柜面风速的扰动，同时在设计时也应尽可能减小送风口风速。但过小的风速会导致房间产生气流死角区域，空气中的污染物难以得到充分混合，根据文献[8]中结论，送风口风速为3 m/s 时，通风柜面风速波动及不均匀度均较大，风速减小至2 m/s时，对通风柜面风速影响减小，人员工作区域风速小于0.3 m/s，人员舒适性好，且房间内气流死角较少。因此本文将送风速度设定为2 m/s。

确定以上参数之后，需要计算湍流强度I 和水力直径de。湍流强度I 定义为相对于平均速度uavg的脉动速度u′的均方根[9]，其经验公式为：

式中：Re 为雷诺数。

水力直径定义为：

式中：A 为过流断面面积，m2；χ 为过流断面上流体与固体接触的周长，称为湿周，m。

3 模拟结果及分析

3.1 控制点浓度

人员操作区污染物浓度是通风柜性能及室内气流组织评价的重要指标，根据文献[2]中人体模型尺寸，呼吸区高度为1.5 m，鼻尖距柜门外侧平面0.025 m，结合本文中模型，此控制点为（5.055,2.750,1.500），图6 中给出了5～16 次/h 换气次数下，控制点的污染物浓度值。

图6 不同换气次数对应的控制点浓度

由图6 可以看出，换气次数n=5 次/h 时（对应通风柜面风速0.3 m/s），控制点污染物浓度明显高于其他工况，且超出规范要求的0.5 ppm；其余各换气次数下（n=6 次/h 时对应通风柜面风速0.4 m/s，其余工况对应0.5 m/s）污染物浓度均未超过规范要求值，但污染物浓度并未随着换气次数的增加而单调递减，而是呈现上下波动的趋势。在换气次数10、11 次/h 时浓度最低，其余情况均略有升高。但此时还不能完全确定合理的换气次数值，因为单纯分析某一点的值不能代表污染物整体情况，且污染物浓度单位为ppm，在如此小的数量级下改变收敛精度或控制方程等任何一项参数均会对结果有较大影响。

3.2 不同换气次数下污染物浓度场

图7 给出了6、8、10、12、14 次/h 换气次数下，在通风柜中心截面Y=2.75 m 的污染物浓度云图。从图中可以看出，当n=6 次/h 时（通风柜面风速为0.4 m/s），由于通风量较小，操作口附近污染物浓度较高，且柜内污染物多聚集在后下部，没有形成沿排风管稳定的排放流动，如此增加了污染物逃逸出操作口风险；当换气次数由6 次/h 增大至10 次/h 时，柜内污染物逐渐在后壁面聚集，沿排风管方向排出，同时，操作口前0.025～0.5 m 附近污染物浓度平均值逐渐下降。当换气次数继续增大至14 次/h 时，操作口附近污染物浓度值再次呈现增大趋势，且房间内污染物逐渐向上移动，这可能是由于随着房间通风量增大，在通风柜排风量一定的情况下，辅助排风量增加，加剧了对气流的卷吸作用，使得排风柜内的一部分污染物被带出，造成了操作口附近的SF6浓度上升。由以上分析初步得出换气次数n=10 次/h 左右为宜。

图7 不同换气次数下Y=2.75 m截面的污染物浓度云图

将通风柜操作口附近污染物浓度放大，云图范围定义在1e-9～1e-7，结论与上述相符。

3.3 不同换气次数下速度场

图8 给出了6、8、10、12、14 次/h 换气次数下Z=1.5 m 截面（即人员呼吸区高度）的速度分布云图。从图中可以看出新风从送风口送入房间，速度在垂直方向逐渐衰减并向周围扩散，在人员工作区气流速度均小于0.3 m/s，人员舒适性较好。但n=6 次/h 和n=8 次/h 工况下，由于换气次数较低，导致房间工作区气流死角区域较大，当n 增大至10-12 次/h 时，气流死角明显减少，继续增大换气次数，死角区域的变化并不显著。

图8 不同换气次数下Z=1.5 m 截面的速度云图

4 结论

通过以上对不同换气次数下的浓度场和速度场分析，得出如下结论：

1）化学分析实验室通风系统设计时，通风柜面风速不应小于0.4 m/s。

2）在保证通风柜面风速稳定的前提下，通风柜前控制区的污染物浓度值并不随换气次数的增加而单调递减，即并非传统概念中的换气次数越大，污染物浓度越低。

3）有辅助排风的房间换气次数以10～12 次/h 为宜，若换气次数过大，不仅能耗升高且增加柜内污染物逸出的风险。