【关键词】实验室通风空调；实验室系统工程设计；实验室设计；CFD；实验室气流控制
正文：
从暖通空调的专业角度考虑，封闭空间气流控制的目的：一是为保证空间内人员的安全，需要维持可接受的氧气浓度并稀释和去除二氧化碳及其它污染物；二是为营造可以接受的受控制的热环境。然而值得一提的是，在整个通风区域，如果空气不能均匀分布的话，规定的或者要求的通风量并不能保证充分的稀释或者去除污染物。当气流组织和“塞状流”或“活塞流”的差别越大时，对污染物的稀释效果就越差。同样道理，热分布的均匀性也反映了受控环境的热舒适程度。因此，应该根据标准对气流分布控制进行设计和安装，以达到安全与舒适或者工艺的要求，满足生活或生产对空气品质的要求。
气流控制设计在暖通空调工程实践中采用的方法主要有四种：射流公式、区域模型、CFD以及模型实验。其中CFD分析有如下优势：具有模拟现实系统的能力；具有为CFD模型边界设定精确和理想条件的能力；避免了测量仪器的干扰问题，能够揭示物理实验所不能展示的重要的流动特征；CFD分析的费用与进行实验的费用相比少得多；具有处理有害环境的能力；对于CFD，不存在有毒性、不宜人员停留等问题；参数研究可以轻而易举地通过CFD完成；在建立设计原型之前，能够迅速而系统地筛选许多设计思想；能够提供详细的局部点信息和全面信息，而传统物理实验只能在选定的有限点上提供数据。因此，CFD方法应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，得到房间内风速、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细情况，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，逐渐受到行业从业人员的青睐。
CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称，其研究通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、可视化结果与输出。暖通空调领域的流体的数学模型，通常按不可压缩的黏性流体流动的微分方程求解，流态为乱流流动。该数学模型具有很强的非线性特征，可利用数值方法求解，数值算法中常用的离散形式有：有限容积、有限差分、有限元；暖通空调的气流为低速不可压缩流体，采用有限容积法进行离散的情形较多。求解结果的速度场、温度场、浓度场等通过计算机图形学等技术表达出来，可以将单调繁杂的数值更形象直观，便于非专业人士理解。
CFD如何应用于实验室通风空调工程呢？CFD主要可用于解决以下实验室暖通空调工程设计的问题：
一、实验室空间气流组织设计。实验室领域气流组织要求最严格的当属洁净室和恒温恒湿室，其中洁净室气流组织设计的原则包括：净化空调的末端高效过滤器送风气流应以最短的距离，不受污染的直接送到工作区，并且尽可能覆盖工作区，使污染物在扩散之前就被携带到回风或排风口；尽量减少涡流，避免把工作区之外的污染物带入工作区；尽量控制上升气流的产生，防止灰尘的二次飞扬；工作区的气流力求均匀，满足生产工艺、节能及卫生要求。恒温恒湿空间气流组织设计应考虑以下原则：合理地组织气流流程，充分发挥送风气流的冷却或加热作用；建立一个稳定均匀的温度场，以保证在气流到达工作区时，其平均温度与工作区的温度差不超过允许的温度波动值；根据室内工作人员的卫生要求，在气流到达工作区时，其流动速度为0.25m/s左右；对于热源分布很不均匀，或房间比较高大时，恒温恒湿车间如果采用一个统一的空气参数，同时又均匀地分配风量，就会在室内产生相差悬殊的温度场，将影响恒温精度；这时，如工艺允许，应尽量将发热量较大的设备部件，移至恒温恒湿车间外面或套间里，或者采用分区空调，即对不同区域根据其负荷情况或工艺要求，采取不同的送风参数和送风量。由此可见，受控空间的气流组织直接决定了工艺空调的设计效果甚至成败，而借助CFD可以预测仿真其中的空气速度分布和温度分布详细情况，色调的冷暖表示温度的高低，矢量箭头的长短表示速度的大小，将空调空间内的流场形象直观地表示出来，及时调整通风空调设备的参数(冷热量、风量、风压)、送/回/排风口布局等，从而指导实验室通风空调的设计和施工。
二、实验室建筑外环境分析设计。建筑外环境，如风压气流的冲击、室外尘源的分布、毗邻热环境等，对实验室内部受控环境的设计有着重要的影响，采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的实验室风环境。举例风压气流的冲击影响：室外气流在遇到建筑物时会发生绕流流动，而在气流离开建筑物一段距离后才恢复平行流动，按照边界层流动的特性，在迎风面将形成滞留区，产生正压压力；而在建筑物顶部和背风面将分别形成回流空腔和回旋气流区，总称为空气动力阴影区，产生负压压力；如果实验室废气排放入空气动力阴影区，有害物质会逐渐积聚，如本区内有新风口，则有害物将随新风进入室内；当室外风速大于3m/s时，产生的风压力约5Pa，此时与迎风面室外相邻的洁净室正压值应考虑风压的影响，否则室外的含尘气流可能渗漏到室内。由此可见，建筑外环境的分析设计对内环境的设计尤为重要，通过模拟建筑外环境的风流动情况，进一步指导厂区总图布局、实验楼的自然通风设计、洁净室与恒温恒湿室的选址、工艺空调空间压力尘埃粒子控制、废气处理与达标排放方案比选等。
三、实验室设备性能的研究改进。实验室暖通空调工程的许多设备，如净化风柜、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
四、实验室环境空气质量的提高。暖通设计人员应充分了解实验室建筑功能特点和技术要求，与时俱进，精心设计，才能为科研人员营造一个安全、卫生、舒适的工作环境。环境空气质量的评价应采用客观的方式，通过模拟各种污染物浓度、发生量、种类、作用时间的关系，CFD通过求解偏微分方程，得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数，从而客观评价实验室通风换气的效率、热舒适以及污染物排放效率等指标，切实有效地提高实验室环境空气质量。
综上所述，使用CFD最大的意义就在于节省实验成本与预测结果，是理论设计与实践相结合的纽带，如果能够保证CFD模拟的精度，就可以减少大量的实验，而且可以完成一些现实中不可能完成、或是事先不能做的实验，是后期施工质量的技术保证。可以预见：类似CAD替代传统图板制图那一样，CFD技术将成为未来暖通空调设计工程师的必备工具。
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