潔凈度、室內空氣品質與送風氣流中粒子譜的關系
簡介：潔凈度與室內空氣品質是兩個不同的概念，在空調和舒適性空調系統中，兩者都與粒子濃度有關。由于空氣調節的目的不同，在兩類空調房間中對顆粒物濃度的要求也有本質的區別。本文以潔凈室為例，選擇了兩個實際的粒子譜，通過必要的計算嚴格區別了上述概念。
關鍵字：潔凈度空氣品質粒子沉積潔凈空調
潔凈空調系統是應用最為廣泛的一類特殊空調，自1960年代起，許多A都陸續制定了關于潔凈度等級的相關標準[1,2]。由于對顆粒的輸送規律并無完整的認識，并受到檢測水平的限制，因此，從某種意義上講，早期各國對潔凈度等級的規定似乎更多地依賴于經驗和儀器的精度，并且根據各自的技術發展要求和經濟水平的進步來進行后續修訂，直到最近國際標準化組織公布ISO-1標準后，才有逐步統一的趨勢[3,4]。
在室內空氣品質成為舒適性空調的熱點研究后，這類空調系統中的顆粒物污染無疑也將是一個不容忽視的問題[5]。容易想到，既然舒適性空調也出現了顆粒物污染問題，是否可以借用潔凈室標準來對做出某種限制？顯然，這至少不是一個經濟可行的方法，其次，兩類環境中對顆粒污染物濃度的限制目的不同，因此，不能簡單地給出結論。
但是必須指出，潔凈度與室內空氣品質是兩個有密切聯系的概念。首先，如果假定這兩種房間（即潔凈室和普通空調房間）內均無顆粒污染源，則對室內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，由于潔凈度對粒子濃度的限制是保證成品率（以電子車間為例），而室內空氣品質對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，后者的規定完全適合于前者，但反之不然。
為了澄清對上述兩個基本概念的模糊認識，以避免認為潔凈度與室內空氣品質的區別僅僅只在房間的用途上，本文選擇了兩個潔凈度同為10,000級，但送風氣流中粒子譜不同的潔凈室，利用對氣溶膠粒子在室內沉積損失的估計，來分析相同潔凈度下室內空氣品質的差別。
1氣溶膠粒子室內損失速度
假定氣流為上送側回流動（水平流動的控制方程與此相同），忽略邊界效應，則顆粒物隨送風氣流進入到潔凈室內后，問題的通用控制方程如下[6,7]
連續性方程
(1)
動量方程
(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；
為氣體運動粘度，m2/s；
為氣體絕對溫度，℃；
為氣體導熱系數，m2/s；n為粒子數濃度，個/m3；D為粒子的布朗擴散系數，s/m2；c為外場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∞表示遠離工作臺表面處的粒子濃度，則駐點流流動中濃度方程的邊界條件為
，
(5)
，
(6)
邊界條件(5)表示工作臺表面是一個理想的粒子匯，即在距沉積表面一個粒子半徑的地方，粒子濃度為零。對于本文的討論，實際上還可以認為粒子濃度N僅隨y的變化而改變。
令
，
，這里a由為送風氣流速度特性系數。注意到引入無量綱變量
，
后，無量綱粒子濃度可寫為
。于是方程(4)化為
(7)
式中
為粒子Schmidt數，
。上式中已規定了外場造成的粒子遷移速度c的方向與
軸的方向相反。為使非線性方程(7)得以解出，在流動邊界層內將
方向氣流速度展為級數形式[6]，得
(8)
取
的二階近似代入式(7)后得到
(9)
邊界條件變為
，
(10)
，
(11)
與前一節討論水平流相同，這里考慮氣溶膠粒子同樣受三種外場力作用，即重力、熱泳和電場力。在本節中，三種外場作用下粒子的遷移速度的無量綱表示式分別為[7,8]
，
，
(12)
故有
。式中
為熱泳系數。熱泳系數的定義為[7,9]
(2.7)
式中，
分別為氣體和粒子的導熱系數，
；其他常數的取值分別為：
，
，
；
，
，
。
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)是一個二解非線性奇異攝動方程，無法直接求解。由于方程(13)表示的是外場存在時對純擴散的擾動，因此，可以將它的解視作對擴散方程解的修正。沿用討論水平流動時的思路，可以通過求（13）的外解來求粒子沉積速度。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從零階項中略去，這樣，方程（13）便描寫的是剛剛進入到流動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，僅由擴散導致的粒子沉積速率為
(16)
外場造成的沉積速率
應為單位時間內到達邊界層邊緣的粒子，即
(17a)
若將氣流中受擴散作用支配的亞微米及超細粒子視作點粒子，即令
，則上式退化為
(17b)
2濃度、沉積量與潔凈度和空氣品質的關系
引起送風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、布朗擴散。一定時間內粒子沉積在某物體水平表面上的數量用下式計算
(18)
這里m為設定時間內的粒子沉積數，個；A水平沉積表面的面積，m2；t為沉積時間，s。
現以10,000級(ISO7級)電子車間為例來說明室內粒子濃度與潔凈度。假定送風氣流中的氣溶膠粒子密度取rp=2000
，工作臺上芯片（沉積表面）的直徑為100mm，芯片溫度低于室內送風氣流溫度，溫差10℃；芯片上的靜電在芯片上方產生的平均電場強度為1000V/m，假定氣流中粒子均攜帶1個單位電荷電量。
表1中為兩個潔凈度級別相同、室內粒子質量濃度也相同（均為2mg/m3）、但粒子數濃度不同的房間內的粒徑分布情況。表中ud由式(17b)求得。
送風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
室內粒子濃度
(個/m3)
潔凈室1
潔凈室2
ud（m/s）
可以看出，在室內粒子質量濃度相同的條件下，不同粒徑范圍的粒子數可以有較大的差別。但是其潔凈度級別卻可以相同。還要指出，上述兩個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。在擴散及外力作用下，送風氣流中的粒子將沉積在工件上，表2給了設定時間內在上述條件下粒子在水平表面上的沉積量。
給定時間內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)
潔凈室1
沉積量
0.5
10分鐘內
300
7.7
31.5
1.5
4.1
3.2
30分鐘內
900
23.0
94.5
4.6
12.4
9.5
潔凈室2
沉積量
0.5
10分鐘內
300
38.5
6.3
3.9
3.3
1.0
30分鐘內
900
115.6
18.9
11.6
9.9
3.2
表5中的計算結果顯示，除了0.5mm的粒子外，相同時間內其他粒徑的粒子在水平表面上的沉積量差別很大。這種沉積的結果將導致室內粒子質量濃度的不同，在送風過程達到穩定狀態時，容易估計出室內粒子質量濃度將分別為0.8mg/m3和1.2mg/m3。因此，室內空氣品質將不再相同。
還要指出，在上述討論中，沒有涉及到沉積粒子的室內再懸浮效應和粒子凝并效應，最近的研究指出，即使在潔凈室內，這種作用也是明顯的。再懸浮可能不但使空氣品質下降，也會會室內空間的局地潔凈度惡化；而凝并效應雖然對室內空氣品質有一定程度的改善作用，但超細氣溶膠粒子(dp<0.1mm)的凝并將導致亞微米粒子數濃度的增加，從而使房間潔凈度下降。
3結論
計算和分析表明，即使室外背景大氣中的粒子質量濃度和送風氣流中粒子濃度相等，房間潔凈度相同，由于送風氣流中的粒子譜的差別，在送風達到穩定的條件下，相同時間內室內空氣中的粒子剩余濃度也將會有明顯的差別；如果考慮到粒子的室內再懸浮和凝并效應，則室內氣流中的氣溶膠粒子剩余濃度將不存在漸近值。從而說明了，即使潔凈度相同，人體在這種環境下的暴露量依然不同，因此，室內空氣品質不能簡單地用潔凈度來類比，反之亦然。
參考文獻
[1]DeavesDM,MalamD.Advancedanalysistechniquesfortheoptimumdesignofcleanrooms.JofEnviron.Sci.,1985,
[2]LiuBYH,PuiDYH.Aerosols.InEncyclopediaofAppl.Pyhs.,VCHPublisher,Inc.,1:415~441,1994
[3]規范編寫組.潔凈廠房設計規范（GB-2001）.北京：中國計劃出版社，2001
[4]許鐘麟.空氣潔凈技術原理.北京：科學出版社，2003，第三版
[5]FreijerJI,BloemenHJ.ModelingRelationshipsbetweenIndoorandOutdoorAirQuality.JoftheAir&WasteManagementAssociation,2000,50(2):292~300
[6]WhiteFM.ViscousFluidFlow.NewYork:McGrawHill,1991
[7]FriedlanderSK,常樂豐譯.煙、塵和霾.北京：科學出版社,1983
[8]TsaiR,ChangYPandLinTY,Combinedeffectsofthermophoresisandelectrophoresisonparticledepositionontoawafer.J.AerosolSci.,1998,20(7):811-825
[9]TalbotLetal.Thermophoresisofparticlesinheatedboundarylayer.JFluidMech.,1980,101:737~758
<
<
<
<
<
<
<
<
