單走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房壓力波動(dòng)研究

吳利瑞 孟濤 韓磊 胡強(qiáng)

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)除了要控制室內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)速外，還要控制室內(nèi)污染物濃度。對(duì)室內(nèi)污染物控制的主要手段之一是維持各個(gè)動(dòng)物房間合理的壓力梯度，保持氣流由高潔凈區(qū)到低潔凈區(qū)的流向，避免室外或低潔凈級(jí)別區(qū)的空氣回流造成對(duì)工作區(qū)的污染。如何判斷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房各區(qū)域間空氣的流動(dòng)值得研究。本文通過(guò)一種有效而簡(jiǎn)便的辦法研究單走廊SPF實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房各個(gè)區(qū)域間的壓力波動(dòng)情況，從而為研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房各區(qū)域間空氣的流動(dòng)提供幫助。

1 動(dòng)物房壓力模型的建立

SPF實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房按照潔凈走廊的布局方式分為單走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房和雙走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房?jī)煞N。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房一般包括動(dòng)物飼養(yǎng)室、動(dòng)物檢疫室、緩沖室和潔凈走廊。本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的單走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房潔凈區(qū)域模型，如圖1所示。包括三個(gè)動(dòng)物飼養(yǎng)室，一條潔凈走廊，一個(gè)動(dòng)物檢疫室，兩個(gè)緩沖室。每個(gè)房間都有一個(gè)通往潔凈走廊的自動(dòng)門(mén)，緩沖室1和緩沖室2分別各有一個(gè)通往室外的自動(dòng)門(mén)，各個(gè)門(mén)窗的編號(hào)如圖所示。

圖1 單走廊動(dòng)物房壓力模型

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

除了圖中標(biāo)明位置的縫隙之外，每個(gè)房間實(shí)際上還有其它縫隙，如有些動(dòng)物飼養(yǎng)室會(huì)有外窗，但對(duì)于同一類型的縫隙，縫隙兩側(cè)的壓力都相同，可以歸結(jié)為一處。由于潔凈室的壓力變化相對(duì)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(jì)，即認(rèn)為空氣是不可壓縮的。本文的研究目的是分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房間在影響因素變化的條件下壓力的波動(dòng)情況，因此可以忽略各潔凈房間內(nèi)部壓力不均勻性，即認(rèn)為每個(gè)潔凈區(qū)只有一個(gè)靜壓值。

由式（1），對(duì)于每個(gè)房間而言其進(jìn)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(shù)設(shè)定與求解

2.1 壓力模型參數(shù)的設(shè)定

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

對(duì)于SPF實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房，要求不同等級(jí)的動(dòng)物房間壓差保持在10Pa。對(duì)于單走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房而言，靜壓值可以設(shè)置如下[3]：動(dòng)物飼養(yǎng)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(mén)窗流量滲透系數(shù)（如表1），就可以解出所有的壓差風(fēng)量（如表2）。

表1 門(mén)窗流量系數(shù)（m3/(h·Pa1/2)）

表2 各個(gè)動(dòng)物房的靜壓風(fēng)量（m3/h）

有了所有的流量系數(shù)和壓差風(fēng)量，只要改變其中任意一個(gè)條件，就可以通過(guò)求解方程組，得出各個(gè)房間靜壓值與各個(gè)房間壓差風(fēng)量和流量系數(shù)間的變化關(guān)系。

2.2 壓力模型的求解

針對(duì)上述的非線性方程組，本文利用MATLAB軟件，用牛頓下山法編寫(xiě)程序計(jì)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(shù)值滿足 |f(xk)|＜ε，返回近似解 xk，迭代終止；

3）計(jì)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(jì)算第三步；

5）令迭代步k增加1，轉(zhuǎn)到第一步。

3 求解結(jié)果分析

3.1 流量系數(shù)變化對(duì)潔凈區(qū)域的影響

流量系數(shù)C2在潔凈走廊和動(dòng)物房1之間，從圖2中可以看出，隨著C2的變大，只有動(dòng)物房1的靜壓值不斷變小，其他各個(gè)區(qū)域的靜壓值不會(huì)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(dòng)物房1和潔凈走廊的靜壓風(fēng)量都沒(méi)有改變。與此類似，流量系數(shù)C3～C5的變化也只會(huì)改變各自房間所對(duì)應(yīng)房間的靜壓值，不會(huì)對(duì)整個(gè)區(qū)域的壓力造成影響。

圖2 流量系數(shù)C2變化對(duì)各個(gè)房間靜壓的影響

流量系數(shù)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(gè)潔凈區(qū)域的靜壓值都發(fā)生相應(yīng)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(qū)域靜壓值都受到影響。而且從所有曲線變化趨勢(shì)可以看出，隨著流量系數(shù)的增大到一定程度，靜壓值變化趨于平緩；各個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)越小，如檢疫室和動(dòng)物房3，靜壓值變化越快（曲線斜率越大），即區(qū)域壓力抵抗外界干擾能力越弱。

圖3 流量系數(shù)C6變化對(duì)各個(gè)房間靜壓的影響

流量系數(shù)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(gè)潔凈區(qū)域的靜壓值都發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖4 流量系數(shù)C8變化對(duì)各個(gè)房間靜壓得影響

3.2 滲透風(fēng)量變化對(duì)潔凈區(qū)域的影響

從圖5、圖6可以看出，滲透風(fēng)量的變化都會(huì)引起整個(gè)區(qū)域靜壓值的變化，各個(gè)區(qū)域靜壓值變化的快慢程度與該區(qū)域所對(duì)應(yīng)的滲透流量正相關(guān)。但總體上可以看出潔凈走廊滲透凈風(fēng)量變化對(duì)整個(gè)區(qū)域壓力都有較大的影響，而其它某個(gè)動(dòng)物房的滲透凈風(fēng)量變化對(duì)其它潔凈區(qū)域的靜壓值影響不大。

圖5 走廊壓差造成的滲透風(fēng)量變化對(duì)各個(gè)房間靜壓的影響

圖6 動(dòng)物房1壓差造成的滲透風(fēng)量變化對(duì)各個(gè)房間靜壓的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)壓力模型的求解和分析結(jié)果可知，對(duì)于單走廊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房：

1）任意房間滲透風(fēng)量的變化都會(huì)對(duì)整個(gè)潔凈區(qū)域的壓力分布產(chǎn)生影響，隨著某個(gè)房間滲透風(fēng)量的加大，各個(gè)房間靜壓值都會(huì)有不同程度的變大。

2）與潔凈走廊相連的房間所對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)改變只對(duì)該房間的靜壓值有影響，不會(huì)改變其它房間的靜壓值，對(duì)應(yīng)房間靜壓值隨著流量系數(shù)的增大而減小。

3）其它區(qū)域的流量系數(shù)改變會(huì)引起整個(gè)區(qū)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(jì)大學(xué),2007

[3]全國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施(GB14925-2010)[S].2010

[4]吳鵬.MATLAB高效編程技巧與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010

[5]同濟(jì)大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)教研室.現(xiàn)代數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2003