風(fēng)機(jī)過濾單元性能指標(biāo)參考限值與初期設(shè)備優(yōu)選

張 爽，張萬毅，徐浩然，陳 旭，李晨林，王 威，林忠平

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

風(fēng)機(jī)過濾單元（FFU）主要由風(fēng)機(jī)、箱體、過濾器及配套電控元件組成，其安裝靈活節(jié)省空間，節(jié)能效果顯著［1］。在工業(yè)潔凈室中，生產(chǎn)設(shè)備的可靠性很大程度上取決于生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，而FFU用在潔凈生產(chǎn)線和組裝式潔凈室等場合可有效控制生產(chǎn)環(huán)境潔凈度［2］。隨著我國微電子（尤其是液晶顯示面板）、生物醫(yī)藥等行業(yè)的迅速發(fā)展，市場對FFU的需求量不斷增加。因設(shè)備制造時(shí)采用部件和生產(chǎn)工藝的差異，不同廠家所生產(chǎn)的FFU 設(shè)備性能參差不齊［3-4］，如何判斷FFU性能合格與否并進(jìn)而選擇性能最優(yōu)的FFU產(chǎn)品成為業(yè)界難題。

目前已有不少學(xué)者圍繞FFU 的空氣動力性能與能耗性能展開FFU的性能評估研究，李釗利用生命周期評價(jià)（LCA）方法對市場中的FFU 進(jìn)行生命周期內(nèi)的能耗分析，并提出過濾器的最佳更換周期［5］。FFU設(shè)備能耗可基于風(fēng)機(jī)相似律或設(shè)備余壓與能耗的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，一定條件下有效減少FFU設(shè)備的性能測試工作，但不同系列FFU設(shè)備之間性能差異明顯［6-7］，計(jì)算方法仍受限。此外，近些年對FFU 設(shè)備的性能優(yōu)化工作也在不斷推進(jìn)。FFU 的箱體結(jié)構(gòu)較大程度影響出風(fēng)均勻性［8］，安裝導(dǎo)流板、采用漸擴(kuò)流道、設(shè)置均流板、改變均流板孔隙等措施均能起到改善FFU 出風(fēng)效果［9-10］。采用無下隔板、向內(nèi)擋板及斜向上擋板的FFU 節(jié)能性良好［11］。FFU 設(shè)備結(jié)構(gòu)與離心風(fēng)機(jī)性能不斷被優(yōu)化，使得FFU的性能不斷提高。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)機(jī)過濾機(jī)組》（JG/T388—2012）提到了FFU 部分基本性能參數(shù)在額定風(fēng)量下的要求值，如1 200×1 200mm（4 ft×4 ft），額定風(fēng)量為2 000m3·h-1，機(jī)外靜壓分為≥50Pa 標(biāo)準(zhǔn)型和≥120Pa高靜壓型，輸入功率根據(jù)機(jī)外靜壓（標(biāo)準(zhǔn)型和高靜壓型）分別要求≤330W 和≤450W 等［12］。但隨著用戶要求的提高以及FFU產(chǎn)品性能的不斷提升，目前國內(nèi)一線品牌產(chǎn)品相應(yīng)工況下的功率已遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)中的功率限值，因此該標(biāo)準(zhǔn)所提出的性能參數(shù)與實(shí)際差距較大。另一方面，當(dāng)不同廠家的FFU展現(xiàn)出不同的“優(yōu)勢性能指標(biāo)”時(shí)，怎樣合理進(jìn)行選擇可以有效確保選用最優(yōu)產(chǎn)品以滿足用戶需求，經(jīng)驗(yàn)不足的人員對此較有困難。因此有必要提出FFU 各性能指標(biāo)詳細(xì)的參考限值和各重要指標(biāo)之間所占權(quán)重的計(jì)算方法來更好地進(jìn)行產(chǎn)品性能評估，而層次分析法是一種可以將主觀判斷進(jìn)行定量分析繼而進(jìn)行合理商品選擇的有效方式［13］。

因此，考慮到FFU設(shè)備性能各具優(yōu)勢以及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中尚未給出全面的指標(biāo)參考限值，基于積累的大量FFU測試數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，提出FFU設(shè)備能耗性能指數(shù)（energy performance index，EPI）、空氣動力效率、整機(jī)效率、面風(fēng)速均勻性、聲強(qiáng)、振動速度、電流諧波畸變率（諧波）、壓降、過濾器效率等性能指標(biāo)參考限值及現(xiàn)階段較優(yōu)產(chǎn)品的性能水平，結(jié)合層次分析法給出計(jì)算各性能指標(biāo)權(quán)重的方法，并以3 種FFU 設(shè)備為例對具有不同性能優(yōu)勢的FFU 設(shè)備進(jìn)行初始階段最優(yōu)選擇，幫助終端用戶選擇更符合潔凈室需求的FFU設(shè)備，解決多指標(biāo)條件下選擇不一致的問題。

1 FFU性能指標(biāo)參考限值

一般而言，F(xiàn)FU 的主要性能參數(shù)指標(biāo)包括：風(fēng)量、功率、空氣動力效率、整機(jī)效率、EPI、面風(fēng)速均勻性、噪聲。隨著使用要求的不斷提高，用戶對FFU 設(shè)備的電流諧波畸變率、振動速度、過濾器阻力、過濾器效率、漏風(fēng)量的關(guān)注度越來越高。近期，中國制冷與空調(diào)工業(yè)協(xié)會（CRAA）發(fā)布了關(guān)于FFU 性能試驗(yàn)方法的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)機(jī)過濾單元實(shí)驗(yàn)方法》（T/CRAA 435—2020），將以上性能指標(biāo)的檢測方法進(jìn)行規(guī)范［14］。

筆者實(shí)驗(yàn)室曾負(fù)責(zé)數(shù)10 個(gè)面板及半導(dǎo)體項(xiàng)目（包括京東方、華星光電、惠科、中電熊貓、天馬、三星、柔宇、Intel、信利等）的FFU 測試與評估工作，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行FFU 性能檢測中使用的試驗(yàn)臺如圖1 所示，基于終端用戶的實(shí)際需求以及大量FFU樣品的測試數(shù)據(jù)提出1 200mm×1 200mm（4ft×4 ft）規(guī)格FFU 在典型應(yīng)用工況條件（0.45m·s-1@100Pa）下各指標(biāo)對應(yīng)的參考限值并展示現(xiàn)階段國內(nèi)較優(yōu)的FFU產(chǎn)品的性能水平（表 1），以補(bǔ)充JG/T388—2012標(biāo)準(zhǔn)中FFU性能指標(biāo)參考值，為FFU設(shè)備的生產(chǎn)和優(yōu)化提供參考。以EPI 為例，圖2 反映了2009—2018 年所測試的769 臺FFU 樣品中 0.45m·s-1面風(fēng)速（余壓0～150Pa）工況條件下的EPI 水平，進(jìn)一步從圖2 數(shù)據(jù)中選取2015—2018 年同規(guī)格FFU 在同工況（0.45m·s-1@100Pa）條件下的測試數(shù)據(jù)來代表近些年國內(nèi)FFU設(shè)備EPI的發(fā)展，如圖3可見，市場中FFU設(shè)備整體性能水平有所提高。

表1 各性能指標(biāo)參考限值及較優(yōu)性能范圍Tab.1 Reference limits of each performance index and better performance range

圖1 FFU性能測試試驗(yàn)臺示意Fig.1 Schematic diagram of FFU performance test bench

圖2 0.45m·s-1所有余壓點(diǎn)的能耗性能指數(shù)歷年數(shù)據(jù)分布Fig.2 Distribution of EPI of all residual pressure points over the years at 0.45m·s-1

圖3 0.45m·s-1 @100Pa的能耗性能指數(shù)歷年數(shù)據(jù)分布Fig.3 Distribution of EP I at 0.45m·s-1 and 100Pa over the years

2 層次分析法進(jìn)行FFU 綜合性能評估

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

在不同F(xiàn)FU供應(yīng)商之間進(jìn)行產(chǎn)品最優(yōu)選擇時(shí)，通過比較所有設(shè)備在相同工況條件下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，很容易得到單一性能指標(biāo)下產(chǎn)品間的優(yōu)劣，但綜合主要性能指標(biāo)判斷不同產(chǎn)品的優(yōu)劣排序較為困難。根據(jù)項(xiàng)目需求選擇最優(yōu)FFU設(shè)備時(shí)，需要基于哪些性能指標(biāo)以及明確各指標(biāo)之間的相對重要性即各指標(biāo)在FFU設(shè)備優(yōu)選時(shí)所占的權(quán)重，目前還沒有廣泛接受的方法。層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP法）可將定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合，能夠有效解決決策規(guī)劃過程中多指標(biāo)的最優(yōu)化選擇問題［15］。

基于標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)機(jī)過濾單元實(shí)驗(yàn)方法》（T/CRAA 435—2020）所涉及的FFU相關(guān)性能指標(biāo)，假定各性能指標(biāo)的主觀重要性（實(shí)際應(yīng)用中各性能指標(biāo)相對重要性排序需獲得專家或終端用戶認(rèn)可后作為計(jì)算依據(jù)），以實(shí)驗(yàn)室測試的FFU 設(shè)備進(jìn)行優(yōu)選為例，嘗試將層次分析法應(yīng)用在多性能指標(biāo)設(shè)備的最優(yōu)化選擇中。由于過濾器效率是確保室內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境滿足工藝要求的關(guān)鍵，因而是參與產(chǎn)品競選的前提條件，功率、功率因數(shù)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及整機(jī)效率可以通過其他相關(guān)性能指標(biāo)反映，因此在重要性比較中，不再將這些參數(shù)列入性能指標(biāo)間相對重要性的比較范圍。根據(jù)用戶需求，對各FFU 進(jìn)行性能評估時(shí)基于以下指標(biāo)并予以相應(yīng)的標(biāo)號：過濾器阻力（A1）、EPI（A2）、面風(fēng)速均勻性（A3）、電流諧波畸變率（A4）、振動速度（A5）、聲強(qiáng)（A6）、空氣動力效率（A7）。一般地，由于FFU需要長期不間斷運(yùn)行以保障生產(chǎn)空間的潔凈度，其對室內(nèi)空氣潔凈度的控制及其運(yùn)行能耗成本是終端用戶最為關(guān)心的2個(gè)要素。對于單臺FFU設(shè)備，F(xiàn)FU能耗性能指數(shù)EPI則直接決定設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)行成本。高效或超高效空氣過濾器的效率及面風(fēng)速均勻性都會直接影響室內(nèi)空氣潔凈度，但前者起決定性作用且因其作為產(chǎn)品合格的基本準(zhǔn)入指標(biāo)而不在本研究討論范疇；因此在本研究所涉及FFU指標(biāo)中，EPI最為重要，面風(fēng)速均勻性次之。相比較而言，空氣動力效率、振動速度及聲強(qiáng)3個(gè)指標(biāo)分別對FFU實(shí)際運(yùn)行能耗、運(yùn)行時(shí)對環(huán)境及工藝設(shè)備的影響及潔凈室噪聲具有影響，重要程度相對EPI及面風(fēng)速均勻性弱些，但這3個(gè)指標(biāo)之間的相對重要程度不容易界定，一般給出同等權(quán)重。由于過濾器阻力對運(yùn)行能耗的影響可在EPI 中反映，風(fēng)機(jī)電流諧波畸變率一般使用情況下也均滿足限值或安全需求，因此這2個(gè)指標(biāo)重要程度相對最低。綜上，本研究將FFU 各性能指標(biāo)的重視度由大到小排序?yàn)椋篍PI、面風(fēng)速均勻性、空氣動力效率以及振動速度以及聲強(qiáng)、過濾器阻力以及電流諧波畸變率，并結(jié)合產(chǎn)品層構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

基于某項(xiàng)目3 臺不同廠家生產(chǎn)的相同尺寸的FFU（分別表示為F1、F2、F3）在相同工況下測試結(jié)果進(jìn)行FFU設(shè)備初期優(yōu)選，各性能參數(shù)測試結(jié)果詳情見表2。從測試結(jié)果看，這3 臺FFU 設(shè)備在同工況下性能測試結(jié)果差異明顯且各具優(yōu)勢，如設(shè)備F1具有良好的面風(fēng)速均勻性，設(shè)備F2空氣動力效率高但聲強(qiáng)較大。這主要因?yàn)椴煌瑥S家在設(shè)備生產(chǎn)過程中使用的材料、設(shè)備元件、箱體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)加工工藝不同造成的。

表2 3種FFU設(shè)備測試結(jié)果Tab.2 Results of three tested FFU

2.2 FFU設(shè)備最優(yōu)化選擇計(jì)算

利用層次分析法進(jìn)行FFU設(shè)備初期選擇時(shí)，最重要是對各參考指標(biāo)重要性進(jìn)行主觀判斷（構(gòu)造判斷矩陣），再利用數(shù)學(xué)方法獲得指標(biāo)權(quán)重、最優(yōu)產(chǎn)品。

在主觀排序計(jì)算中，需要對成對指標(biāo)之間的重要性比較判斷，并根據(jù)一定的比例標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，采用的比例標(biāo)度如表 3所示。

表3 比例標(biāo)度Tab.3 Proportional scale

在第1 層問題中有A1，A2，…，An各指標(biāo)，則構(gòu)造的判斷矩陣A可以表示為

式中：aij表示縱列Ai與橫列Aj相比的結(jié)果。

計(jì)算判斷矩陣的最大特征根和特征向量可使用和積法對矩陣進(jìn)行求解，計(jì)算步驟如下：①將判斷矩陣A每一列正規(guī)化

②將B=(bij)n×n按行相加。③將步驟②所得的行和向量正規(guī)化，得排序權(quán)重向量w

④將權(quán)向量w左乘矩陣A，求解最大特征值λmax存在且唯一

⑤判斷兩兩指標(biāo)之間的標(biāo)度比例是否滿足一致性，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。定義一致性指標(biāo)CI為(λ?n)/(n?1)，CI為零，有完全的一致性；CI接近于零，有滿意的一致性；CI越大，不一致越嚴(yán)重。為了衡量一致性指標(biāo)的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，RI 是多次（＞500 次）重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)判斷矩陣特征值的計(jì)算后取算術(shù)平均值得到的，如表4 所示，N越大表示判斷矩陣出現(xiàn)一致性偏離的可能性越大。考慮一致性偏離是由隨機(jī)原因造成，因此在檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性時(shí)，通常將一致性指標(biāo)CI與隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 的比值即一致性比率（檢驗(yàn)系數(shù)）是否足夠小來決定是否通過一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)系數(shù)：CR為CI與RI比值，一般認(rèn)為一致性比率CR小于0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣中不一致程度在容許范圍內(nèi)，可通過一致性檢驗(yàn)。否則需要重新調(diào)整構(gòu)造判斷矩陣，即對aij進(jìn)行調(diào)整，直到一致性檢驗(yàn)通過即可。⑥層次總排序。計(jì)算某一層次所有因素對于最高層（總目標(biāo)）相對重要性的權(quán)值為層次總排序，即指標(biāo)層n個(gè)元素對評價(jià)總目標(biāo)的排序?yàn)閍1，a2，…，an。產(chǎn)品層對上層各指標(biāo)的層次單排序?yàn)閎1j，b2j，…，bmj（j=1，2，3，…，n），產(chǎn)品層的總排序W（產(chǎn)品層第m個(gè)產(chǎn)品對總目標(biāo)的權(quán)值為：

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.4 Random consensus index

基于以上計(jì)算過程，將FFU各性能指標(biāo)或各產(chǎn)品之間某一性能指標(biāo)下的性能優(yōu)劣所構(gòu)造的判斷矩陣先進(jìn)行每一列正規(guī)化后求行和、再正規(guī)化獲得權(quán)向量，在一致性滿足的條件下，根據(jù)層次總排序的計(jì)算方式將每一性能指標(biāo)的權(quán)重與每一產(chǎn)品各指標(biāo)所占權(quán)重相乘，繼而得到各產(chǎn)品在綜合評估下分別占的權(quán)重，權(quán)重越高代表FFU設(shè)備在該確定的指標(biāo)重要性排序中的優(yōu)勢越明顯。

根據(jù)確定的各性能指標(biāo)的重要性排序和層次分析法的比例標(biāo)度，以重要性較弱的過濾器阻力（A1）和電流諧波畸變率（A4）2個(gè)指標(biāo)為對比基準(zhǔn)，將其余指標(biāo)分別與之進(jìn)行重要性比較并予以相應(yīng)的標(biāo)度值。相比之下，EPI（A2）強(qiáng)烈重要，標(biāo)度定為7；面風(fēng)速均勻性（A3）明顯重要，標(biāo)度定為5；空氣動力效率（A7）、振動速度（A5）、聲強(qiáng)（A6）稍重要，標(biāo)度均定為3。之后按照式（1）至（5）求解，表5至13對計(jì)算結(jié)果即各性能指標(biāo)（Aindex）之間和產(chǎn)品之于每一指標(biāo)構(gòu)建的判斷矩陣、各指標(biāo)（產(chǎn)品）權(quán)重及一致性檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總。

由表5可知，各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算最大特征值λmax=7.0，CI 為0，CR 為0，因此一致性檢驗(yàn)系數(shù)CR 小于0.1，各指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣的不一致性在容許范圍內(nèi)。此外，由表6至表12可見，各個(gè)指標(biāo)下3個(gè)產(chǎn)品權(quán)重各不相同，但最大特征特征值λmax=3.0 及一致性檢驗(yàn)結(jié)果相同，判斷矩陣一致性均通過檢驗(yàn)。由表13可見，各產(chǎn)品在該性能指標(biāo)評估體系下的權(quán)重可用式（5）計(jì)算得來。從指標(biāo)層看，各指標(biāo)的權(quán)重與各指標(biāo)的重要性排序一致。其中EPI 權(quán)重最高，過濾器阻力和諧波權(quán)重較小，表明終端用戶對能耗的關(guān)注度最高，過濾器阻力和諧波的關(guān)注度相對較低。從產(chǎn)品層看，3個(gè)不同廠家的同規(guī)格FFU設(shè)備，F(xiàn)2權(quán)重最大，因此終端用戶在確定的權(quán)重體系下，綜合各性能指標(biāo)可知，F(xiàn)2設(shè)備可視為最優(yōu)選擇。但需注意的是，用戶在獲得FFU 設(shè)備的測試結(jié)果后，必須根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求確定性能指標(biāo)主觀重要性排序，之后結(jié)合AHP 計(jì)算方法，綜合所選指標(biāo)對不同F(xiàn)FU設(shè)備進(jìn)行對比，繼而獲得該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的最優(yōu)產(chǎn)品。

表5 各指標(biāo)權(quán)重分析Tab.5 Analysis of the weight of each index

表6 指標(biāo)過濾器阻力（A1）的各產(chǎn)品權(quán)重Tab.6 Weight of each product at filter resistance(A1)

表7 指標(biāo)能耗性能指數(shù)（A2）的各產(chǎn)品權(quán)重Tab.7 Weight of each product at energy perfor?mance index (A2)

表8 指標(biāo)面風(fēng)速均勻性（A3）的各產(chǎn)品權(quán)重Tab.8 Weight of each product at airflow velocity uniformity (A3)

表9 指標(biāo)電流總諧波（A4）的各產(chǎn)品權(quán)重Tab.9 Weight of each product at total harmonic distortion of electric current (A4)

表10 指標(biāo)振動速度（A5）的各產(chǎn)品權(quán)重Tab.10 Weight of each product at vibration veloci?ty (A5)

表11 聲強(qiáng)（A6）產(chǎn)品權(quán)重分析Tab.11 Weight of each product at sound intensity level (A6)

表12 指標(biāo)空氣動力效率（A7）產(chǎn)品權(quán)重分析Tab.12 Weight of each product at aerodynamic power (A7)

表13 各指標(biāo)下不同F(xiàn)FU產(chǎn)品權(quán)重Tab.13 Weights of different FFU products under each index

3 結(jié)論

根據(jù)用戶需求及大量FFU 性能檢測結(jié)果提出FFU 常用性能指標(biāo)參考限值并總結(jié)FFU 設(shè)備可達(dá)到的較優(yōu)水平，為FFU設(shè)備生產(chǎn)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。另一方面，提出利用層次分析法對FFU設(shè)備進(jìn)行初期優(yōu)選，解決多指標(biāo)情況下主觀判斷不一致導(dǎo)致選擇困難的問題，并以某項(xiàng)目3 臺FFU 為例計(jì)算各參考指標(biāo)的權(quán)重，確定最優(yōu)選擇。主要結(jié)論如下：

（1）總結(jié)實(shí)驗(yàn)室大量FFU 性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近年來國內(nèi)FFU設(shè)備性能水平整體有所提高。

（2）提出了FFU的主要性能指標(biāo)包括能耗性能指數(shù)、空氣動力效率、整機(jī)效率、面風(fēng)速均勻性、聲強(qiáng)、振動速度及諧波畸變率的分級參考限值，為FFU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供基礎(chǔ)支撐。

（3）層次分析法能夠?qū)⒍ㄐ詥栴}轉(zhuǎn)換為定量分析，用戶可結(jié)合比例標(biāo)度和各性能指標(biāo)相對重要性主觀排序，利用數(shù)學(xué)方法定量計(jì)算各指標(biāo)以及每一指標(biāo)下各產(chǎn)品權(quán)重，結(jié)合層次總排序獲得最符合要求的設(shè)備。

（4）由于不同潔凈廠房需求存在差異，各終端用戶在應(yīng)用層次分析法選擇最合適的FFU設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)具體項(xiàng)目實(shí)際需求對各性能指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行主觀排序，并保證排序結(jié)果受認(rèn)可。

作者貢獻(xiàn)聲明：

張 爽：進(jìn)行研究構(gòu)思、整理數(shù)據(jù)、起草論文。

張萬毅：對主要學(xué)術(shù)性內(nèi)容提出建議、做出修訂。

徐浩然：參與設(shè)備性能測試、2016 年之前數(shù)據(jù)的選取、整理。

陳 旭：參與設(shè)備性能測試、2016 年之前數(shù)據(jù)的選取、整理。

李晨林：參與設(shè)備性能測試、2016 年之后數(shù)據(jù)的選取、整理。

王 威：參與設(shè)備性能測試、2016 年之后數(shù)據(jù)的選取、整理。

林忠平：對重要學(xué)術(shù)性內(nèi)容提出建議、做出修訂。