張顯相 劉東

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

近些年，隨著全社會(huì)對(duì)公共衛(wèi)生安全問(wèn)題的重視，實(shí)驗(yàn)室及其安全成了人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。理化實(shí)驗(yàn)室主要是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段對(duì)物質(zhì)的物理性能和化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析的實(shí)驗(yàn)室，其安全性主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空氣品質(zhì)是否得到保證。試驗(yàn)中產(chǎn)生的一些揮發(fā)氣體對(duì)人體有各種刺激作用，一些有毒有害物如笨、甲醛已被確定對(duì)人體有致癌性[1]。危險(xiǎn)的工作環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的生命健康造成巨大威脅。美國(guó)職業(yè)安全衛(wèi)生管理局統(tǒng)計(jì)顯示，實(shí)驗(yàn)室人員壽命比社會(huì)平均壽命少10 年[2]。排風(fēng)柜是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重要的局部通風(fēng)設(shè)備，其提供一個(gè)封閉的通風(fēng)操作空間，通過(guò)在內(nèi)部形成負(fù)壓，環(huán)境以捕集、排出煙氣，顆粒等有害物質(zhì)，從源頭對(duì)污染物進(jìn)行控制，保證實(shí)驗(yàn)人員安全。

實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)的作用時(shí)稀釋室內(nèi)污染物及維持相鄰房間壓力差，而送風(fēng)口位置不當(dāng)時(shí)，其會(huì)對(duì)排風(fēng)柜形成不同程度的干擾，所以實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)應(yīng)同時(shí)考慮其通風(fēng)效率和對(duì)排風(fēng)柜性能的影響，本文特別針對(duì)實(shí)驗(yàn)室常用的散流器送風(fēng)口在不同布置位置的工況下對(duì)排風(fēng)柜面風(fēng)速，濃度的影響情況，來(lái)研究送風(fēng)對(duì)排風(fēng)柜性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)施介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)室介紹

同濟(jì)大學(xué)排風(fēng)柜全性能測(cè)試平臺(tái)中，標(biāo)準(zhǔn)型排風(fēng)柜背靠墻放置于封閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4 m×4 m×3.5 m（圖1），本次實(shí)驗(yàn)所涉及風(fēng)口為實(shí)驗(yàn)室唯一送風(fēng)，排風(fēng)依靠排風(fēng)柜排風(fēng)，實(shí)驗(yàn)室全面排風(fēng)口關(guān)閉，房間微負(fù)壓。

圖2 風(fēng)口支架示意圖

圖2 為風(fēng)口支架示意圖。圖中，1 為移動(dòng)輪（可滾動(dòng)改變支架位置），2 為支柱，3 為滑軌，4 為支撐條（每個(gè)支撐條可在滑軌上單獨(dú)滑動(dòng)和固定），5 為風(fēng)口（可固定在支撐條上）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

采用Testo 425 高精度配合風(fēng)速儀支架進(jìn)行面風(fēng)速測(cè)試，采用Thermo ScientificTMMIRAN SapphIRe 便攜式環(huán)境空氣分析儀實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀器對(duì)多種氣體的精確檢測(cè)。

2 散流器不同位置對(duì)排風(fēng)柜性能影響研究

2.1 散流器風(fēng)口特征

在暖通設(shè)計(jì)領(lǐng)域，方形散流器具有良好的散流特性和美觀的外形，結(jié)構(gòu)形式多樣，有1～4 個(gè)方向散流的形式，能滿(mǎn)足不同類(lèi)型天花板的要求，而且散流器內(nèi)外框可以自由分離，拆裝容易，便于調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此被廣泛應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口[3]。其氣流屬于貼附（平送）型，多用于層高較矮、人員較密集的房間，可以作為送風(fēng)口，一般情況下送風(fēng)距離3～4 m 左右[4]。故很多帶吊頂?shù)膶?shí)驗(yàn)室會(huì)選擇散流器作為送風(fēng)風(fēng)口。本次實(shí)驗(yàn)選用的散流器面板由外邊框和可拆卸風(fēng)口內(nèi)芯組成，固定式葉片用于水平送風(fēng)，結(jié)合靜壓箱使用，效果良好，風(fēng)口內(nèi)芯可通過(guò)置于外邊框內(nèi)的彈簧裝置定位或拆除。材質(zhì)邊框和內(nèi)芯均采用鋁合金6063-T5，表面用靜電粉末噴涂。圖3 為方散三視圖，規(guī)格為525 mm（L）×525 mm（H），其中，X=672 mm，Y=522.8 mm。

圖3 方散三視圖

2.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平問(wèn)題的有效方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有高效，快速和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于科學(xué)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中。

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)極差分析和方差分析處理試驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)解。

散流器風(fēng)口對(duì)排風(fēng)柜性能影響的研究中，各個(gè)因素及水平如表所示，三個(gè)因素分別為相對(duì)排風(fēng)柜左右位置，相對(duì)排風(fēng)柜前后位置，風(fēng)口高度。每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，選用正交表L9（34），各因素相對(duì)位置描述。

因素A：相對(duì)排風(fēng)柜左右位置，如圖4 所示：

圖4 相對(duì)排風(fēng)柜的左右位置

因素B：相對(duì)排風(fēng)柜前后位置，如圖5 所示：

圖5 相對(duì)排風(fēng)柜的前后位置

因素C：風(fēng)口的高低位置，如圖6 所示：

圖6 風(fēng)口高低位置

表1 為正交試驗(yàn)表。

表1 正交試驗(yàn)表

2.3 結(jié)果分析（確定最佳的安裝距離和安裝高度）

對(duì)于排風(fēng)柜的研究，面風(fēng)速和控制濃度是排風(fēng)柜的重要性能參數(shù)。對(duì)排風(fēng)柜進(jìn)行測(cè)試，排風(fēng)柜靜尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1250 mm×860 mm×2200 mm，排風(fēng)口為300 mm。拉門(mén)高度設(shè)在500 mm，排風(fēng)量取整為1200 m3/h，送風(fēng)量1100 m3/h。測(cè)試是在某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試時(shí)實(shí)驗(yàn)門(mén)窗關(guān)閉。

2.3.1 面風(fēng)速測(cè)定

面風(fēng)速測(cè)試時(shí)，排風(fēng)柜操作面均勻劃分為12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖7 所示：按照標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法，使用風(fēng)速溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速。

圖7 面風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)位圖

根據(jù)正交試驗(yàn)表所列的實(shí)驗(yàn)工況，保證送風(fēng)、排風(fēng)風(fēng)量不變的情況下，調(diào)整散流器的位置測(cè)量不同工況下的面風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過(guò)分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)20 組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差均值和各個(gè)測(cè)點(diǎn)20 組數(shù)據(jù)的均值的標(biāo)準(zhǔn)差反映不同工況下面風(fēng)速的波動(dòng)性和均勻性。

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)每組實(shí)驗(yàn)的面風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，對(duì)排風(fēng)柜操作面均勻劃分為12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取20 組數(shù)據(jù)，波動(dòng)性分析先計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)20 組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，然后再對(duì)12 個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)求平均值，得出面風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的均值，反映了面風(fēng)速的波動(dòng)性（表2）。

表2 面風(fēng)速波動(dòng)性

表2 中，T1，T2和T3這三行數(shù)據(jù)分別是各因素同一水平結(jié)果之和。例如，T1行A 因素列的數(shù)據(jù)0.177 是A 因素3 個(gè)1 水平的實(shí)驗(yàn)值的和，而A 因素3 個(gè)1 水平分別在第1、2、3 號(hào)實(shí)驗(yàn)，所以

注意到，在上述計(jì)算中，B 因素的3 個(gè)水平各參加了一次計(jì)算，C 因素的3 個(gè)水平也各參加了一次計(jì)算。

其他的求和數(shù)據(jù)計(jì)算方式和上述方式相似，然后對(duì)T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數(shù)據(jù)表示各因素在每一水平下的平均波動(dòng)性。用各因素標(biāo)準(zhǔn)差均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。

圖8 各因素面風(fēng)速波動(dòng)性的影響

表3 反映面風(fēng)速均勻性的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)波動(dòng)性的研究方法，可以得出面風(fēng)速均勻性最好的方案為A3B3C3。

表3 面風(fēng)速均勻性測(cè)試和計(jì)算結(jié)果

圖9 各因素面風(fēng)速均勻性的影響

2.3.2 濃度測(cè)定

在排風(fēng)柜工作臺(tái)面、內(nèi)側(cè)壁面上畫(huà)平行于柜門(mén)的直線，在距柜門(mén)均為150 mm 的地方釋放微量煙氣。對(duì)于一個(gè)典型的帶有垂直柜門(mén)的臺(tái)式排風(fēng)柜，需要三個(gè)位置：左、中、右。左邊位置時(shí)，引射器的中心距離左側(cè)壁300 mm。中間位置與左右兩側(cè)壁等距。右邊位置距離右邊側(cè)壁300 mm。假人著實(shí)驗(yàn)室衣服，呼吸帶距排風(fēng)柜柜面垂直高度550 mm，距柜面水平距離75 mm（圖10）。

圖10 假人位置

待房間背景濃度達(dá)到測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)每個(gè)工況每個(gè)位置下的污染物（假人吸入）濃度測(cè)試，每秒記錄一次讀數(shù)，共記錄360 組數(shù)據(jù)。對(duì)各工況下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4 所示。

表4 濃度測(cè)試和計(jì)算結(jié)果

表4 中，T1，T2和T3這三行數(shù)據(jù)分別是各因素同一水平結(jié)果之和。例如，T1行A 因素列的數(shù)據(jù)7.055 是A 因素3 個(gè)1 水平的實(shí)驗(yàn)值的和，而A 因素3 個(gè)1 水平分別在第1、2、3 號(hào)實(shí)驗(yàn)，所以

注意到，在上述計(jì)算中，B 因素的3 個(gè)水平各參加了一次計(jì)算，C 因素的3 個(gè)水平也各參加了一次計(jì)算。其他的求和數(shù)據(jù)計(jì)算方式和上述方式相似，然后對(duì)T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數(shù)據(jù)和表示各因素在每一水平下的平均濃度。用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。

圖11 各因素對(duì)濃度的影響

通過(guò)對(duì)濃度與面風(fēng)速分析結(jié)果的對(duì)比分析，最優(yōu)組合信息如表5 所示：

表5 面風(fēng)速與濃度的對(duì)比

從表5 可得出如下結(jié)論：散流器風(fēng)口工況下，風(fēng)口的位置最優(yōu)組合為A1B2C1，面風(fēng)速的波動(dòng)性與濃度相關(guān)性大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)面風(fēng)速波動(dòng)性的研究，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1，比較極差得到，A 因素的極差RA=0.031最大，表明A 因素對(duì)波動(dòng)性的影響程度最大。B 因素的極差RB=0.012 最小，說(shuō)明B 因素對(duì)面風(fēng)速波動(dòng)性的影響程度不大。影響大小順序依次是A＞C＞B。

同樣對(duì)波動(dòng)性的研究方法，可以得出面風(fēng)速均勻性最好的方案為A3B3C3。影響大小順序依次是C＞A＞B。

通過(guò)對(duì)濃度的分析，用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。比較極差得到C 因素的極差RC=6.233 最小，說(shuō)明該風(fēng)口的工況下C 因素對(duì)濃度的影響程度不大。影響大小順序依次是B＞A＞C。