引言
压力控制是洁净室保证室内洁净度、减少污染的关键技术之一。对于一系列不同级别的洁净室,各室之间应形成不同的静压差,即有序的梯度压力,以保证洁净气流的定向流动,气流只能从高洁净级别的房间流向低洁净级别的房间。两相邻房间之间存在着不同形式的缝隙,空气流经这些缝隙时产生阻力,洁净室的静压差反映的就是这些缝隙的阻力特性。对洁净室压差风量的研究首先是对缝隙特性的研究。
1　对缝隙特性的研究
1. 1 基本理论
影响缝隙压差风量的因素很多,如缝隙的几何形状、尺寸、两侧的静压差等。以实验为基础,缝隙压差风量和其两侧压差的关系可以整理成二次方程形式和幂指数方程的形式。
1. 1. 1 二次方程形式
△P = AQ +BQ2 (1)
式中:ΔP - 缝隙两侧的压差, Pa;
A - 充分发展的层流段的摩擦阻力系数,Pa·s /m3 ;
B - 进出口和湍流段的阻力损失系数,Pa·s2 /m6 ;
Q - 通过缝隙的气体体积流量, m3 / s;
(1)式适用于从充分发展的层流到湍流的一个较大的流动范围。
1. 1. 2 幂指数方程形式
Q = C△Pⁿ (2)
式中: C - 流量系数, m3 / ( s·Pⁿa ) ;
n - 流量指数。范围是0. 5 ～1,当流动是充分发展的紊流时取极限值0. 5, 为层流时则取极限值1。
(1)式和(2)式都是描述ΔP和Q的关系的经验公式。不同的缝隙其n值是不同的,即使对于同一个缝隙,当ΔP的变化范围较大时, n也不是定值。但是有文献指出对于实际建筑围护结构的各种缝隙和作用在围护结构上的压力而言, n是基本不变的,接近于0. 65。值得指出的是工程中计算缝隙的风量时,往往忽略小缝隙的影响而取n = 0. 5。文献对空气通过缝隙的渗透用CFD方法进行了模拟,并得到了和实验相符合的结果。
1. 1. 3 等效(有效)泄漏面积
对于整体的房间而言,其缝隙的多少是难以定量描述的,不同的房间,缝隙的多少也难以比较。因此引入了等效(有效)泄漏面积的概念。

式中: AL - 等效(有效) 泄漏面积, cm2 ;
Q r - 预计的空气流量(根据压力实验所得结果拟合的曲线而来) , m3 / s;
ρ - 空气密度, kg /m3 ;
△P r - 相对压差, Pa;
CD - 渗透系数。
通过等效(有效)泄漏面积的计算,将建筑围护结构的所有缝隙转化为缝隙面积AL 和渗透系数CD的组合。有些学者设定CD = 1,也有些学者设定CD≈ 0. 6。因此这个泄漏面积指的是在相同的参照压差的情况下,和此围护结构产生等量渗透空气量的某种缝隙(对应设定的CD 值)的面积。
1. 1. 4 缝隙的串联和并联
两个或多个相邻的房间之间空气通过多种缝隙渗透,这些缝隙的关系可以划分为并联、串联和二者的混合。文献仿照电流和电压的关系对并联和串联的缝隙的风量和压差的关系进行了推导,见图1和图2。并联缝隙的总等效面积A_LT为各部分的缝隙等效面积之和:

　串联缝隙的总等效面积满足如下关系式:

式(4)和( 5)中, AL i为各部分缝隙的等效面积,A_LT为总等效面积。
 
2　对两种方程形式的讨论及工程中应用的公式
建筑围护结构的缝隙很复杂,按照其形状特征可分为如图3中的3种基本形式:直通形、L型、两次弯曲型。文献通过理论分析、试验室测量和现场实测得出结论,认为建筑内的缝隙大多是没有充分发展的流动,和二次方程形式相比,幂指数方程形式更加符合建筑维护结构实际缝隙的情况,而且适用范围更加广泛。国内外一些手册和标准中给出的压差风量的计算方法大多属于幂指数方程的形式。
 
　 文献中采用幂指数方程的形式( n取0. 5)给出了缝隙的流量和阻力的关系式:　　串联缝隙的总等效面积满足如下关系式:
 
式中: ε - 面积收缩系数;
F - 缝隙的面积, m2 ;
φ - 流速系数,取0. 82;
ρ - 空气密度, kg /m3 ;
μ - 流量系数,通常取0. 3 ～ 0. 5;
还有其他文献也给出了缝隙的流量和阻力的关系式,如文献,基本和(6)式的形式相同,本文不再赘述。
3　压差风量的工程应用及目前存在的问题
3. 1 文献中对压差漏风量的推荐值
尽管各国学者对缝隙的特性作了详细的研究,并且理论得到了实验的验证,但在工程应用过程中,设计人员仍然难以根据这些公式进行精确设计。这主要是由于以下原因: (1)实际工程中缝隙的几何尺寸(如缝隙的宽度、深度、长度等)变化多样。( 2)从小到大的各种缝隙难以统计计算。(3)从上述实验研究的公式可见,即使公式的形式可以统一,公式中的参数变化也很大。因此很多学者[ 11 ]利用实验的方法直接进行洁净室的压差风量的研究,给出了洁净室设计中的一些参考数据。目前直接针对医院手术室压差风量的推荐数据比较少,文献[ 12 ] [ 13 ]给出了两种计算电子厂房洁净室渗漏风量的方法,根据围护结构单位长度缝隙的压差风量计算和根据洁净室压差值与房间换气次数的关系计算。
3. 2 对一些洁净室实测的漏风量
笔者对5个医院的49间洁净手术室(其中Ⅰ级手术室10间, Ⅱ级21间, Ⅲ级18间)进行了调查,所有调查的手术室均为近三年内建成的装配式洁净手术室。手术室均为一侧为洁净走廊,另一侧为清洁走廊的形式,手术室的压力符合GB 50333 - 2002《医院洁净手术部建筑技术规范》的规定。对于带有附属房间(如体外循环间)的没有列入。调查结果如表1所示。

　　
对实测漏风量的问题分析
从表中可见( 1)洁净手术室的压差换气次数比较大; (2)换气次数分布的范围也比较广。第一点是否说明目前建设的洁净室气密性不符合要求呢? 洁净室的围护结构和普通住宅、办公、商业用建筑不同,洁净室要求有比较高的气密性,围护结构的缝隙是很小的,这在洁净室的设计建造规范中都有提及。洁净室的墙面、地面、顶棚、门窗等维护结构以及设备、工艺管线等进出围护结构的部位都要采取严格的密封措施。笔者在调试过程中发现目前装配式洁净室的结构的气密性是很好的,洁净室的漏风主要集中在通往洁净走廊的自动门和通往清洁走廊的平开门处尤以自动门为主,有的门周围的缝隙达到7mm 以上。为什么会出现这种情况呢? 我们知道,提高洁净室的气密性,减少漏风量,有利于保证洁净室的安全运行和节能。但是有经验的调试人员都知道,气密性特别好的洁净室往往是很难调试的。风量稍低时,洁净室的压差达不到要求,风量调高一点,却又使得压差过大了。目前使用的大多新风定风量阀(CAV)的一个刻度是100m3 /h,阀所定的风量也存在一定的误差,这就说明送入室内的压差风量不是可以连续的精确的调整的。这是压力调节部件的精度问题。为了避免洁净室的压差调不出的情况,很多单位都在自动门处留有较大的缝隙,而缝隙的大小又没有统一的规定,因此洁净室的压差风量难以计算。笔者认为这也是很多洁净手术室压差风量偏大的原因。而调查结果反映出的第二点则说明了设计师在设计过程中确实存在确定压差风量的困难。
下面的讨论将探讨如何在易于调试的前提下尽量地减少压差风量。
4　变对洁净室渗漏风量的被动适应为主动控制
针对目前洁净室设计中存在的问题,总结前面的研究及推荐的计算方法,笔者认为随着结构材料和制造安装工艺水平的发展,洁净室已经可以达到很高的气密性。设计人员不再只是被动地接受洁净室的既成缝隙,而是可以根据工艺特点,对洁净室的缝隙提出要求,根据工程实际主动控制缝隙,以达到保证洁净室安全、节能且易于实现压力控制的目的。
4. 1 对洁净室缝隙的分类
在能够达到施工规范气密性要求的情况下,洁净室的缝隙称为基本缝隙,其对应的压差风量称为基本压差风量。由于工艺水平的限制,这类缝隙是不可能
变少的,压差风量也是不可能减少的,但是这类缝隙的尺寸都比较小。从图4中可以看到缝隙的尺寸越小,缝隙的压差风量就越小。还可以看出缝隙尺寸越小,曲线的斜率就越小,压差风量随压差的变化也越小。
另外,一些比较大的缝隙可以根据压力控制的要求来调整缝隙的尺寸,这种缝隙称为可控制缝隙,对应的可以调节的风量称为可控制压差风量。
基本压差风量是施工质量合格的洁净室的基本特性之一,与围护结构材料、部件的形式有关,不可人为改变。可控制风量可由设计人员根据工程情况调整。
 
4. 2 压差风量主动控制的思路
根据围护结构特征确定出基本压差风量,当基本压差风量大于控制精度要求的风量时,以基本压差风量作为洁净室的压差风量;小于控制要求的风量时,对洁净室的门、窗等的可控制缝隙进行调整,取能达到压差控制要求的最小风量作为洁净室的压差风量。下面通过一个实验测试来说明对压差风量主动控制的方法。
5　实验分析
同济大学济阳楼209房间内有一间装配式的洁净室,长/宽/高: 5010 /3230 /2390mm,对于一些明显的孔口和非正常缝隙进行密封后,压力实验的结果如表2所示:

　　
在整理数据中发现,拟合为直线比拟合为幂指数曲线的误差更小,分析原因认为是: ( 1)密封后房间的缝隙主要为小尺度缝隙,空气在缝隙中的流动更加接近于层流状态( n = 1) ; (2)压差变化在0～25Pa之间,范围较小,不易体现出幂指数曲线的形式。拟合的直线图如图5所示。拟合的直线方程为:
Q = 2. 9331△P + 25. 6060 (7)
针对本洁净室,为了讨论问题,特做如下假设:假设洁净室压差送风风量的控制精度为±5% ,排风维持不变,压差控制的范围是5～15Pa,根据式(7)可知当压差为5Pa 时,对应风量为40. 3m3 /h,当压差为15Pa时,对应风量为69. 6m3 /h,因此若要使压差控制在5～15Pa的范围内,则风量允许的最大变动幅度为29. 3m3 /h,下面分两种情况讨论:
 
5. 1 当洁净室的压差送风风量不大于293m3 /h时,实际送风风量的变化幅度小于29. 3 (293 ×10% )m3 /h,洁净室的压差易于控制,此时可根据洁净室的设计压差值,计算出基础压差风量,作为设计压差风量。如此洁净室设计压差值为10Pa,则根据(7)式可取设计压差风量为54. 9m3 /h。
5. 2 当洁净室的压差送风风量大于293m3 /h时,实际送风风量的变化幅度超过29. 3m3 /h,此时必须调整缝隙,使得允许压差风量的变动幅度在压差风量的控制精度之内。设此洁净室的排风量为300m3 /h,如果送风风量设为354. 9m3 /h,则压差风量的变动范围是35. 49 (354. 9 ×10% ) m3 /h,对应的压差变动就达到18Pa左右,超过了允许的变动范围,因此洁净室的压差就难以控制。这时可以采用主动控制的思路,适当调整缝隙特性(如使得门窗等的缝隙处宽度适当增加) ,从而使得调整后的房间的压差风量特性曲线适合风量控制精度。本次实验中在增加了一条高度为1. 5mm,长度为410mm 的缝隙后,测得对应于压差5Pa时,漏风量为38. 2m3 /h,对应于压差15Pa时,漏风量为75. 3Pa, 此时的允许风量变化范围是37. 1m3 /h,已经符合压差控制精度范围的要求。
本实验说明通过对洁净室缝隙的主动控制,可以人为改变洁净室的缝隙特性,获得既易于调节、保证压力控制精度,又比较节能的较小压差风量。实验中使用的洁净室的密封情况很一般,只是进行了简单的密封,相信在现行建造工艺的条件下,洁净室的密封程度要好于本洁净室,利用本实验中的方法,洁净室可以大大减少作为压差风量的新风量,从而既可以减少新风通过高效过滤器的阻力损失,又可以减轻昂贵的高效过滤器的尘负荷。
6　建议和讨论
6. 1对洁净室压差风量主动控制的前提是已知洁净室的基本压差风量和缝隙的特性曲线。笔者建议基本压差风量曲线由围护结构(如壁板、门、窗等)生产厂家通过压力实验测得,作为洁净室的参数提交给设计人员。由于现在洁净室内装修的装配化,基本压差风量换算为单位面积或单位体积后的变化范围将比较小。洁净室建造规范中虽有气密性的要求,但目前尚未见到关于气密性的数据,因此建议确定一个合理的基本压差风量范围后写入规范。缝隙的特性曲线可参照以前的研究成果或作更加深入的研究后提供给设计人员。
6. 2 影响洁净室设计压差风量的因素除了洁净室的基本压差风量、压差风量的控制精度之外,还有出于卫生等因素考虑的最小新风量和排风量的规定,如规范 ,也是洁净室设计人员必须考虑的。本文所指的减小压差新风量是指在满足规范要求的前提下的减少,并无意超出规范规定的范围。本文旨在提出一种控制压差风量的方法,对于即使新风量不可减少的场合,仍然可以利用这种思路来准确的调节压差风量,使洁净室的总体运行准确可靠。
6. 3 对于气密性很好的洁净室,压差风量的控制精度对压差控制的影响比较明显。当风量的控制精度不易提高时,可通过调整缝隙来实现压差控制。
7　结论
本文总结了缝隙压差风量和压差关系方面的研究成果,调查了已建成的一些医院手术室的压差风量,结合洁净室实际设计中的问题,提出了对洁净室的压差风量进行主动控制的观点。通过对一个洁净室的压力实验的测试和分析,指出了对压差风量主动控制的方法。通过对压差风量的主动控制,可以得到简单、准确、易于调试且节能的压差控制风量。