潔凈度、室內(nèi)空氣品質(zhì)與送風(fēng)氣流中粒子譜的關(guān)系
簡(jiǎn)介：潔凈度與室內(nèi)空氣品質(zhì)是兩個(gè)不同的概念，在空調(diào)和舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，兩者都與粒子濃度有關(guān)。由于空氣調(diào)節(jié)的目的不同，在兩類(lèi)空調(diào)房間中對(duì)顆粒物濃度的要求也有本質(zhì)的區(qū)別。本文以潔凈室為例，選擇了兩個(gè)實(shí)際的粒子譜，通過(guò)必要的計(jì)算嚴(yán)格區(qū)別了上述概念。
關(guān)鍵字：潔凈度空氣品質(zhì)粒子沉積潔凈空調(diào)
潔凈空調(diào)系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)特殊空調(diào)，自1960年代起，許多A都陸續(xù)制定了關(guān)于潔凈度等級(jí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1,2]。由于對(duì)顆粒的輸送規(guī)律并無(wú)完整的認(rèn)識(shí)，并受到檢測(cè)水平的限制，因此，從某種意義上講，早期各國(guó)對(duì)潔凈度等級(jí)的規(guī)定似乎更多地依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)和儀器的精度，并且根據(jù)各自的技術(shù)發(fā)展要求和經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)步來(lái)進(jìn)行后續(xù)修訂，直到最近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織公布ISO-1標(biāo)準(zhǔn)后，才有逐步統(tǒng)一的趨勢(shì)[3,4]。
在室內(nèi)空氣品質(zhì)成為舒適性空調(diào)的熱點(diǎn)研究后，這類(lèi)空調(diào)系統(tǒng)中的顆粒物污染無(wú)疑也將是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題[5]。容易想到，既然舒適性空調(diào)也出現(xiàn)了顆粒物污染問(wèn)題，是否可以借用潔凈室標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)做出某種限制？顯然，這至少不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的方法，其次，兩類(lèi)環(huán)境中對(duì)顆粒污染物濃度的限制目的不同，因此，不能簡(jiǎn)單地給出結(jié)論。
但是必須指出，潔凈度與室內(nèi)空氣品質(zhì)是兩個(gè)有密切聯(lián)系的概念。首先，如果假定這兩種房間（即潔凈室和普通空調(diào)房間）內(nèi)均無(wú)顆粒污染源，則對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度的高低起決定性作用的源只能是室外背景大氣中的氣溶膠粒子。其次，由于潔凈度對(duì)粒子濃度的限制是保證成品率（以電子車(chē)間為例），而室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)氣溶膠濃度的限制則是保證人的暴露量不致影響健康，所以，后者的規(guī)定完全適合于前者，但反之不然。
為了澄清對(duì)上述兩個(gè)基本概念的模糊認(rèn)識(shí)，以避免認(rèn)為潔凈度與室內(nèi)空氣品質(zhì)的區(qū)別僅僅只在房間的用途上，本文選擇了兩個(gè)潔凈度同為10,000級(jí)，但送風(fēng)氣流中粒子譜不同的潔凈室，利用對(duì)氣溶膠粒子在室內(nèi)沉積損失的估計(jì)，來(lái)分析相同潔凈度下室內(nèi)空氣品質(zhì)的差別。
1氣溶膠粒子室內(nèi)損失速度
假定氣流為上送側(cè)回流動(dòng)（水平流動(dòng)的控制方程與此相同），忽略邊界效應(yīng)，則顆粒物隨送風(fēng)氣流進(jìn)入到潔凈室內(nèi)后，問(wèn)題的通用控制方程如下[6,7]
連續(xù)性方程
(1)
動(dòng)量方程
(2a)
(2b)
能量方程
(3)
粒子濃度方程
(4)
式中
、
分別為氣流在x方向和y方向上的速度分量，m/s；P為氣體壓力，Pa；
為氣體密度，kg/m3；
為氣體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；
為氣體絕對(duì)溫度，℃；
為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，m2/s；n為粒子數(shù)濃度，個(gè)/m3；D為粒子的布朗擴(kuò)散系數(shù)，s/m2；c為外場(chǎng)引起的粒子遷移速度，m/s。
不失一般性，令dp為粒子直徑，仍用N∞表示遠(yuǎn)離工作臺(tái)表面處的粒子濃度，則駐點(diǎn)流流動(dòng)中濃度方程的邊界條件為
，
(5)
，
(6)
邊界條件(5)表示工作臺(tái)表面是一個(gè)理想的粒子匯，即在距沉積表面一個(gè)粒子半徑的地方，粒子濃度為零。對(duì)于本文的討論，實(shí)際上還可以認(rèn)為粒子濃度N僅隨y的變化而改變。
令
，
，這里a由為送風(fēng)氣流速度特性系數(shù)。注意到引入無(wú)量綱變量
，
后，無(wú)量綱粒子濃度可寫(xiě)為
。于是方程(4)化為
(7)
式中
為粒子Schmidt數(shù)，
。上式中已規(guī)定了外場(chǎng)造成的粒子遷移速度c的方向與
軸的方向相反。為使非線(xiàn)性方程(7)得以解出，在流動(dòng)邊界層內(nèi)將
方向氣流速度展為級(jí)數(shù)形式[6]，得
(8)
取
的二階近似代入式(7)后得到
(9)
邊界條件變?yōu)?/p>
，
(10)
，
(11)
與前一節(jié)討論水平流相同，這里考慮氣溶膠粒子同樣受三種外場(chǎng)力作用，即重力、熱泳和電場(chǎng)力。在本節(jié)中，三種外場(chǎng)作用下粒子的遷移速度的無(wú)量綱表示式分別為[7,8]
，
，
(12)
故有
。式中
為熱泳系數(shù)。熱泳系數(shù)的定義為[7,9]
(2.7)
式中，
分別為氣體和粒子的導(dǎo)熱系數(shù)，
；其他常數(shù)的取值分別為：
，
，
；
，
，
。
將式(12)代入方程(9)得
(13)
式中
為氣流與沉積表面間的溫差，K。
方程(13)是一個(gè)二解非線(xiàn)性奇異攝動(dòng)方程，無(wú)法直接求解。由于方程(13)表示的是外場(chǎng)存在時(shí)對(duì)純擴(kuò)散的擾動(dòng)，因此，可以將它的解視作對(duì)擴(kuò)散方程解的修正。沿用討論水平流動(dòng)時(shí)的思路，可以通過(guò)求（13）的外解來(lái)求粒子沉積速度。注意到
（在邊界層外緣附近，通常
），為便于求解，將方程(13)中作用最弱的熱泳項(xiàng)從零階項(xiàng)中略去，這樣，方程（13）便描寫(xiě)的是剛剛進(jìn)入到流動(dòng)邊界層處的粒子沉積情況，方程為
(14)
在條件(10)和(12)的限制下，方程(14)的解為
(15)
于是，僅由擴(kuò)散導(dǎo)致的粒子沉積速率為
(16)
外場(chǎng)造成的沉積速率
應(yīng)為單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)邊界層邊緣的粒子，即
(17a)
若將氣流中受擴(kuò)散作用支配的亞微米及超細(xì)粒子視作點(diǎn)粒子，即令
，則上式退化為
(17b)
2濃度、沉積量與潔凈度和空氣品質(zhì)的關(guān)系
引起送風(fēng)氣流中粒子沉積的原因較多，本文分析僅考慮重力沉降、熱泳、電泳、布朗擴(kuò)散。一定時(shí)間內(nèi)粒子沉積在某物體水平表面上的數(shù)量用下式計(jì)算
(18)
這里m為設(shè)定時(shí)間內(nèi)的粒子沉積數(shù)，個(gè)；A水平沉積表面的面積，m2；t為沉積時(shí)間，s。
現(xiàn)以10,000級(jí)(ISO7級(jí))電子車(chē)間為例來(lái)說(shuō)明室內(nèi)粒子濃度與潔凈度。假定送風(fēng)氣流中的氣溶膠粒子密度取rp=2000
，工作臺(tái)上芯片（沉積表面）的直徑為100mm，芯片溫度低于室內(nèi)送風(fēng)氣流溫度，溫差10℃；芯片上的靜電在芯片上方產(chǎn)生的平均電場(chǎng)強(qiáng)度為1000V/m，假定氣流中粒子均攜帶1個(gè)單位電荷電量。
表1中為兩個(gè)潔凈度級(jí)別相同、室內(nèi)粒子質(zhì)量濃度也相同（均為2mg/m3）、但粒子數(shù)濃度不同的房間內(nèi)的粒徑分布情況。表中ud由式(17b)求得。
送風(fēng)氣流中的粒子粒徑分布表1
粒徑范圍(mm)
0~0.06
0.08~0.06
0.1~0.08
0.3~0.1
0.5~0.3
>0.5
室內(nèi)粒子濃度
(個(gè)/m3)
潔凈室1
潔凈室2
ud（m/s）
可以看出，在室內(nèi)粒子質(zhì)量濃度相同的條件下，不同粒徑范圍的粒子數(shù)可以有較大的差別。但是其潔凈度級(jí)別卻可以相同。還要指出，上述兩個(gè)潔凈室的室外大氣背景濃度并不相同，分別為1.8mg/m3和2.3mg/m3。在擴(kuò)散及外力作用下，送風(fēng)氣流中的粒子將沉積在工件上，表2給了設(shè)定時(shí)間內(nèi)在上述條件下粒子在水平表面上的沉積量。
給定時(shí)間內(nèi)粒子在水平表面上的沉積量表2
粒徑范圍(mm)
0.5
0.4
0.2
0.09
0.07
0.06
粒子沉積量
(個(gè))
潔凈室1
沉積量
0.5
10分鐘內(nèi)
300
7.7
31.5
1.5
4.1
3.2
30分鐘內(nèi)
900
23.0
94.5
4.6
12.4
9.5
潔凈室2
沉積量
0.5
10分鐘內(nèi)
300
38.5
6.3
3.9
3.3
1.0
30分鐘內(nèi)
900
115.6
18.9
11.6
9.9
3.2
表5中的計(jì)算結(jié)果顯示，除了0.5mm的粒子外，相同時(shí)間內(nèi)其他粒徑的粒子在水平表面上的沉積量差別很大。這種沉積的結(jié)果將導(dǎo)致室內(nèi)粒子質(zhì)量濃度的不同，在送風(fēng)過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，容易估計(jì)出室內(nèi)粒子質(zhì)量濃度將分別為0.8mg/m3和1.2mg/m3。因此，室內(nèi)空氣品質(zhì)將不再相同。
還要指出，在上述討論中，沒(méi)有涉及到沉積粒子的室內(nèi)再懸浮效應(yīng)和粒子凝并效應(yīng)，最近的研究指出，即使在潔凈室內(nèi)，這種作用也是明顯的。再懸浮可能不但使空氣品質(zhì)下降，也會(huì)會(huì)室內(nèi)空間的局地潔凈度惡化；而凝并效應(yīng)雖然對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)有一定程度的改善作用，但超細(xì)氣溶膠粒子(dp<0.1mm)的凝并將導(dǎo)致亞微米粒子數(shù)濃度的增加，從而使房間潔凈度下降。
3結(jié)論
計(jì)算和分析表明，即使室外背景大氣中的粒子質(zhì)量濃度和送風(fēng)氣流中粒子濃度相等，房間潔凈度相同，由于送風(fēng)氣流中的粒子譜的差別，在送風(fēng)達(dá)到穩(wěn)定的條件下，相同時(shí)間內(nèi)室內(nèi)空氣中的粒子剩余濃度也將會(huì)有明顯的差別；如果考慮到粒子的室內(nèi)再懸浮和凝并效應(yīng)，則室內(nèi)氣流中的氣溶膠粒子剩余濃度將不存在漸近值。從而說(shuō)明了，即使?jié)崈舳认嗤梭w在這種環(huán)境下的暴露量依然不同，因此，室內(nèi)空氣品質(zhì)不能簡(jiǎn)單地用潔凈度來(lái)類(lèi)比，反之亦然。
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