基于仿真技术的设备和人体对实验室内环境的影响分析_施俊杰.pdf

ANZHUANG2023年第3期48技 术 交 流 Technology Exchange施俊杰（上海市安装工程集团有限公司 上海 200080）摘 要：某些特殊实验室有恒温恒湿及洁净度的环境要求，在机电安装开展前应充分考虑不同工况下的空调与通风效果，为顺利开展各项试验提供环境保障。本文以某大学在建的微纳实验平台为研究对象，利用计算流体力学技术分析了不同设备散热和人员数量对室内温湿度及洁净度的影响，经过数值计算预测西侧回风夹道在未安装高效过滤器的情况下，有可能存在污染物不可控的情况，对温湿度的影响也较大，仿真的结果可为工程建设提供参考借鉴。关键词：气流组织 仿真 模拟 实验室 污染物中图分类号：TU831 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）03-0048-05基于仿真技术的设备和人体对实验室内环境的影响分析随着科技的不断发展，实验室已应用于高新技术领域中，如化学、材料、生物、精密制造等。新型的实验室一般都是高标准的现代化实验室，对室内温湿度、洁净区、气流组织和压力等有一定的要求。而目前在建实验室中，人们关注更多的还是实验设备和系统组成等，室内空气环境要求未引起足够的重视，这可能会导致实验室在使用过程中影响人员健康、设备寿命及实验精准度等。计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）技术是将流体力学结合数值解析求解作为分析基础，以流体的物理问题为研究目的，使用计算机实现图像生成和数值解析的求解技术。该技术已经在热传递、流体流动、气流扩散等领域进行有效计算，成为目前分析流体问题的重要技术手段1-2。基于此，本文利用计算流体力学技术对某在建的实验室（具有温湿度和洁净度要求）进行了模拟仿真，分析不同设备散热及人员数量对室内温湿度、气流组织和洁净度的影响，旨在为项目机电安装开展前的深化设计提供指导。1 实验室仿真说明1.1 实验室仿真模型本次仿真的实验室规模为7.45m6.56m3m（长宽高），室内摆放着一台2.1m1.6m2.3m的仪器设备（长宽高），实验仪器被安装在0.9m1.1m0.15m（长宽高）的减振台座上。室内的通风与空调采用风机过滤单元（FFU，单台尺寸1.2m1.2m，共25台，安装高度3m）、干冷却盘管（DDC，尺寸为1.2m0.8m，共8台）与新风处理机组（MAU）的空调形式。空调的送风经过高架地板后，途经干盘管和回风夹道后回到吊顶空间，循环风总量为10,000m3/h。经风机过滤单元送入室内，新风管距高架地面3.7m，新风管上开两个0.1m0.3m的风口送风，实验室仿真模型见图1。干干盘盘管管 新新风风管管 F FF FU U 电电子子束束 曝曝光光设设备备 减减振振台台 高高架架地地板板1.2 计算数学模型查阅相关资料及文献3，对于模拟室内空气的流动来说，RNG k-模型提供了更高的准确性，能够更好地模拟室内空气的流动，因此在本项目的模拟过程中选择RNG k-模型，本模型由Orzag和Yakhot的实验总结果得出，具体的数学描述为：图1 实验室仿真模型干盘管新风管FFU电子束曝光设备减振台高架地板49INSTALLATION2023.3Technology Exchange 技 术 交 流；。传统仿真工况下应对室内某一区域进行重点分析，因此需要对该区域进行网格加密，如此可更接近现实工况以缩小预测的误差。本次研究采用六面体网格技术，网格总数接近85万。为了模拟室内颗粒物的扩散，在模型内按照不同工况，分别设置1人、3人和5人代表颗粒物释放源；由于不确定设备的散热量，需要进一步考虑不同散热情况对室内空调环境的影响，本次仿真的工况见表1。量根据设计建议定为2000m3/h。新风口采用的边界条件类型为速度进口（velocity-inlet）。使用压力出口边界条件（pressure-outlet）定义DCC，出口压力值设为“0Pa”，计算风量软件自动拟合得出。本文模拟研究的收敛性以仿真区域长度中心面的速度平均值作为判定条件。此外，还需要作如下假设：（1）忽略门窗缝隙渗透风对计算结果的影响。（2）人员释放颗粒粒径为0.5m，假设为全套型洁净服状态步行时的产尘量56,000pc/（人min）。（3）当颗粒物运行至干盘管上即认为捕捉该颗粒物，随即可以中止计算该颗粒物轨迹。（4）FFU送风中不存在颗粒物。（5）仿真计算中壁面的传热被忽略。2 不同工况下设备散热及人员数量对室内环境的影响2.1 不同设备散热对室内环境的影响在室内仅1人设备发热量40kW的情况下，实验室大部分区域的温度在1824（见图3a）；而在设备发热量为30kW情况下，室内温度为1823（见图3b）；设备发热量为20kW，对应室内温度为1822（见图3c），因此可预测设备散热每下降10kW，设计空调工况下室内最高温度可降低1。由于设备运行产生大量热量，该区域附近的温度可达26，这个温度影响范围波及设备前方1m左右，其余区域的温度与送风温度相当。不同设备散热对室内湿度场的影响见图4，其中当实验仪器选型的散热量为40kW时，仪器周围的湿度约为表1 模拟工况设置表工况人数设备发热量/kW 送风温度/风速/（ms-1）送风相对湿度/%1140181.558233541305120为了定量地验证出实验室设计的合理性以及气流组织的分布是否满足设计要求，在房间选取X-3.725为距西墙3.725m的垂直面（即X向的中心面）。同时在1.5m、1.2m、1.0m和0.8m四个高度的截面上，每个截面选取22个测点，其中测点距侧墙为0.5m，测点之间的距离沿东西方向为1.61m，沿南北方向为1.38m。同时，为进一步分析沿室内高度方向温度的变化情况，在设备周围0.5m处，选取4条直线用于评价室内高度方向温度变化（见图2）。1.3 边界条件的设置计算的边界条件设置采用对FFU的送回风类型定义为“recirculation inlet”和“recirculation outlet”，单台风（a）测点布置 （b）高度方向测线位置图2 仿真计算中的测点布置图及测线位置图36%46%，其他区域湿度约为58%；当设备散热下降至30kW，周围湿度降至34%46%，设备发热量为20kW工况下同样维持在34%46%，其他区域较均匀，都基本维持在58%左右。湿度场分布很好地遵从了温度场变化的特性，仿真建议仪器区域留出足够空间的通道以缓解散热带来的湿度和温度影响。结合不同设备散热量对室内温度场的影响，本次仿真预测由于设计工况测线4测线3测线1测线2测点1测点9测点10测点17测点18测点5测点6测点13测点14测点22测点2测点11测点19测点3测点8测点12测点16测点20测点4测点7测点15测点21ANZHUANG2023年第3期50技 术 交 流 Technology Exchange下送风量和制冷量较充足，同时FFU对送风均匀性起到了很好的控制作用，故设备散热未对室内温度场和湿度场分布造成太大影响。结合图2b的测线布置，设备附近0.5m处温度变化曲线见图5。可以看出，沿高度方向，各测线的温度变化趋势基本一致，且1.5m2.3m高度附近温度最高，其中工况1（仪器发热量40kW）可达27左右。2.2 人员数量对室内环境的影响不同人员数量对室内气流组织影响见图6，仿真预测大型实验仪器周围存在涡流，除回风夹道和送风静压箱内部分区域风速较大外（超过2m/s），室内大部分区域风速基本都在0.25m/s0.5m/s，基本满足设计要求。中央区域出现局部0.75m/s的流速区，建议其他精密实验装置的布置应避开这些区域以免影响实验数据。同时，FFU的布置使室内气流有较平行的流线，有利于实验室后续可能要求的单向流形成。不同人员数量对室内的压力影响见图7，仿真结果预测室内1人、3人和5人的工况下，都能保持32Pa的正压（该数值相对于风机盘管出口），送风静压箱内维持2Pa的正压，压差维持稳定。实验仪器周围稳定的空气压力有助于设备的正常运行，满足精密实验室的恒压要求。（a）工况1（40kW）（b）工况4（30kW）（c）工况5（20kW）图3 不同设备散热量对室内温度场的影响（a）工况1（40kW）（b）工况4（30kW）（c）工况5（20kW）图4 不同设备散热量对室内湿度场的影响（c）Line3温度分布图 （d）Line4温度分布图图5 设备周围测线温度分布（a）Line1温度分布图 （b）Line2温度分布图温度/17 22 27 3217 22 27 3232.521.510.5032.521.510.5032.521.510.5032.521.510.5017 22 27 3217 19 21 23 25 27温度/温度/温度/距高架地板高度/m距高架地板高度/m距高架地板高度/m距高架地板高度/m51INSTALLATION2023.3Technology Exchange 技 术 交 流（a）工况1（1人）（b）工况2（3人）（c）工况3（5人）图6 不同人员数量对室内气流的影响（a）工况1（1人）（b）工况2（3人）（c）工况3（5人）图7 不同人员数量对室内压力的影响（a）工况1（1人）（b）工况2（3人）（c）工况3（5人）图8 不同人员数量对室内颗粒物分布的影响图6和图7均预示人员数量的增加未对室内流场和压力场造成太大影响。2.3 人员数量对室内洁净度的影响室内不同人员数量所产生的颗粒物分布见图8。在室内只有1人工况下，实验操作人员所产生的颗粒物基本通过下方高架地板和西侧回风通道带走，不会影响另一侧回风区域。当室内人员增加到3人时，相对室内1人的工况，人员附近与回风夹道内的粒子明显增多。当室内人员增加至5人时，该现象进一步明显，颗粒物主要通过地下高架地板串至另一侧区域。室内设备附近及其他区域在三种工况下均能保持低浓度的粒子环境，说明FFU送风对污染物控制的效果较好。结合图2a的测点分布，室内不同发尘量（人数）的情况下各高度平面室内颗粒物浓度的变化见图9。可以看出，随着室内人数的增加（即室内发尘量的增加），室内各高度平面的浓度也明显升高。大部分高度平面，ANZHUANG2023年第3期52技 术 交 流 Technology Exchange卓轶非（上海上安机械施工有限公司 上海 201208）摘 要：在机电安装施工过程中，柴油发电机、制冷机组、锅炉以及变压器等大型设备一般设置在地下室的机房内，通常需要采用起重吊装机械将设备吊装到指定位置进行安装。本文主要通过地下室内大型机电设备吊装的几种常规方式，探讨不同吊装施工工艺的主要实施场合、适用条件以及受力校核，确保施工过程的安全，供相关从业人员参考借鉴。关键词：地下室 大型设备 起重吊装 受力计算中图分类号：TU758.7 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）03-0052-04地下室大型机电设备不同吊装工艺探讨随着我国经济技术的快速发展，各类民用建筑的建设规模以及数量日益增加。大型设备作为机电系统中不可或缺的组成部分，通常设置在地下室的大型机房内，部分项目未能在建筑结构设计时妥善考虑到机电设备的进场吊装，这给吊装任务带来了不小的困难。基于此，本文以国内一二线城市中若干民用项目为研究背景，同时结合近几年来企业在地下室大型设备吊装上的工程经验，依据现场条件探讨不同的吊装工艺以及受力校核，室内5个人的工况相较另两个工况，浓度都较高。并且由于工况2和工况3中，有一个人员上方无FFU，颗粒物存在上升现象。因此，随高度增加浓度有所上升，若有条件建议该区域也布置FFU。02004006008001000120014001600180020000.811.21.5颗粒物浓度(pc/m3)工况1工况2工况33 结语（1）设计工况下，仿真工况下的室内人员数量和设备不同散热量均未对实验室内空调环境（温度、湿度、图9 不同高度平面颗粒物浓度气流场和压力）造成太大影响，室内的大部分区域温度与送风温度相似，可预测FFU的布置对室内环境的控制起到了很好的作用。（2）室内1人的情况下，仿真预测颗粒