空氣齡
即空氣質點的空氣齡（Age of air），是指空氣質點自進入房間至到達室內某點所經歷的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，它可以綜合衡量房間的通風換氣效果，是評價室內空氣品質的重要指標。
空氣齡的概念最早于20世紀80年代由Sandberg提出。根據定義，空氣齡是指空氣進入房間的時間。在房間內污染源分布均勻且送風為全新風時，某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質就越好，某點的空氣齡走勢，如下圖所示。
下面我們采用Clabso軟件來對潔凈室進行模擬分析。
圖1為潔凈室模型圖，該潔凈室的結構尺寸為10m×8m×5m，其中頂層滿布FFU，四周分布出風口，房間內部分為工位區和設備區兩個區域。
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CFD模擬在潔凈室設計上的應用
（本項目由昆山市弘毅志遠環境工程有限公司實施，本文知識產權歸深圳市弘毅志遠環境技術有限公司所有。）
潔凈室（又稱無塵室或無塵車間）是指對空氣潔凈度、溫度、濕度、照度、壓力、噪聲等參數根據需要都進行控制的密閉性較好的空間。國內曾統計過，在無潔凈級別（非無塵環境）的要求的環境下生產MOS電路管芯的合格率僅10%~15%，64位儲存器合格率僅2%，液晶顯示行業更是離不開合格的無塵環境，因此可以看到潔凈室對于現代工業發展的重要性。目前在醫藥行業、精密機械、半導體、宇航、原子能等工業中應用潔凈室已相當普遍。
根據氣流組織形式，潔凈室可以分為單向流和非單向流兩種。在電子行業中主要采用非單向流潔凈室，也稱為亂流或者紊流潔凈室，室內的氣流并不都按單一方向流動。非單向流的氣流組織形式在空氣凈化行業中最為多見，廣泛采用在千級~三十萬（class6~calss9）的潔凈室中，非單向流潔凈室有幾個共同的特點：終端過濾器（高效或亞高效）盡量接近潔凈室，它可以就是送風口或直接連送風口，也可以接到房間的送風靜壓箱上；回風口均設在潔凈室的下部，目的是將潔凈空氣和室內灰塵混合后的空氣有效有序的帶離潔凈室。
一般情況下，潔凈室所用的凈化空調系統的能耗比一般普通家用或商用空調系統的能耗大的多。其原因是兩者之間的負荷特點不同。就潔凈室而言，尤其是半導體工業潔凈室而言，其負荷特點是：由于排風量大、又要保持潔凈室的正壓，從而造成新風量大，而新風與室內設計空氣狀態有比較大的焓差，故所需冷量大；同時由于生產過程要求潔凈室內的工作人員全程穿著包裹嚴實的潔凈服，為了舒適性并且防止出汗，潔凈室的設計溫度一般為20~23℃左右，比常規空調設計溫度要低，這也是潔凈室冷負荷比較大的一個重要原因。生產設備的發熱量大，消耗冷量大。這三項負荷之和一般占總負荷的70%~95%。因此，潔凈室用凈化空調系統節能措施應從減少新風量、控制送風量（即控制合理的換氣次數）；充分利用回風量；選擇低阻力高效率的空調和凈化設備和可變風量的風機等入手。
本文以一個實際案例為背景，介紹了如何采用CFD模擬的手段來優化潔凈室的氣流組織，在性能達標的情況下盡可能的減少送風量，從而達到節能的目的。
這項目由昆山市弘毅志遠環境工程有限公司總包，潔凈室用于電子元器件的生產，要求無塵等級為萬級（class7）。限于篇幅，本文只展示最終優化后的模擬結果。
如圖1、圖2所示，該潔凈室凈空尺寸為21mx19.4mx2.5m高，頂部布置5x6=30個GS10(1000CMH)型高效送風口。回風口布置2側的底部，共16個回風口，其中12為H64型單層豎條可調百葉，4個為H88型單層豎條可調百葉。
通常工作面位于800mm到1000mm標高，上圖分別給出了800mm、900mm和1000mm標高處的速度場，從圖中可以看到在這個區間內氣流不存在死角，這就意味著所有塵埃粒子都將隨著氣流從回風口進入凈化系統。
綜上所述，通過本次CFD潔凈室氣流的模擬，本設計滿足了潔凈室的要求，潔凈氣流沒有出現死角，潔凈氣流在整個室內都有分布，達到了潔凈的效果。
從理論上分析，以上三個目標之間是相互矛盾的，要想氣流沒死角，渦流必然會大；要想渦流大，必然要風量大。因為設計的終點就是在三個目標中找一個平衡點。CFD模擬作為一種計算機輔助手段，恰恰可以幫助工程師們以最高效的手段和最經濟的方式達到設計目標。
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三維設計與虛擬施工在潔凈室工程中的應用
導讀：介紹了三維設計技術的發展狀況與發展趨勢，三維設計技術的特點以及三維設計技術在潔凈工程中的應用價值，通過三維設計與二維設計在可視化、虛擬方程式等方面對比，闡明了可視化模型、虛擬方程式技術應用對減少碰撞錯誤，提高潔凈工程施工質量，縮短工期，降低潔凈室投資等方面的優勢，并提出了三維設計技術在潔凈工程項目實施中的應用方法與過程。
作者：程強 徐偉 | 來源：數字化企業網
0 引言
隨著光電、半導體、制藥、醫療、航空航天及精密制造等各類需求潔凈環境的行業的發展，潔凈室結構變得更加復雜，潔凈等級要求也越來越高，風、水、氣、電及其他各種特殊管線、設備組織越來越復雜，需要協同的設計施工等單位越來越多，各種設備管線的碰撞及各施工單位施工過程碰撞越來越多，需要無塵車間技術人員提高對工程組件和施工過程的預知能力。三維設計及可視化設計為此提供了條件，為解決設計中所面臨的問題提供了可能。
三維設計集成工程項目中各種相關的信息與數據，提供了可視化的思路，將設計圖紙中線條式的構件以三維立體實物的形式展現出來。設計師通過建立三維模型，并依據模型存儲了包括：平面圖、立面圖和剖面圖、表格、文字說明及材料清單等所有的相關信息。這些信息全部根據模型生成，并隨著模型的改變而調整。可視化的模型使結構直觀模擬成為可能，使碰撞檢查及優化效率更高。目前三維設計技術已經在工業設計、動畫設計及機械、飛機、汽車、造船業、建筑等多個行業中廣泛應用。尤其是建筑業，近幾年發展迅速，BIM即是以三維數字化技術為基礎的建筑信息模型，現已在全球范圍內得到建筑業界的廣泛認可。國內，涌現出一大批相關三維數字技術軟件，并各有專長，在建筑設計施工中應用也已經如火如荼，如深圳灣體育中心，深圳平安大廈，上海巨無霸上海中心等大型樓宇場館均使用了BIM技術，工業園區建筑也在逐步引入BIM，如正在建設的深圳灣科技生態園。潔凈行業與建筑緊密聯系，在設計施工中也應當根據行業的特點引入三維設計技術，提高無塵車間設計施工水平。
1 三維設計技術特點及應用價值
1.1 可視化設計
基于三維設計軟件的三維潔凈室系統模型，通過三維效果圖、虛擬漫游、虛擬施工、虛擬剖切等手段將隔離系統、送回風系統、空調水，蒸汽、純水、純氣、電器管線及潔凈設備、過濾末端、照明直觀展示給工程設計人員、施工人員及業主（圖1）。
1.2 參數化設計
三維建模過程即是參數化設計，將潔凈室構件、設備，包括管線以及外部建筑通過參數屬性定義，并通過這些屬性自動統計、計算、分析，對三維模型參數修改、調整達到細節設計精確設計的目的和模型驅動的作用。結合可視化效果圖，工程圖紙將工程信息準確傳達到工程技術人員及項目管理人員。
1.3 關聯修改
在無塵車間項目設計中，工程圖各個視圖與三維模型參數實時關聯，在設計中或者評審過程中增加、刪除或者修改三維特征時，各個視圖全部自動更新，提高設計與設計變更效率，減少漏畫、少畫等工程圖失誤發生(圖2)。
1.4 協同設計
無塵車間涉及到暖通空調、給排水、建筑、電氣、自動控制、機械、結構等多個專業。工程設計中，尤其是大型潔凈項目中，各專業技術人員需要各自開展工作，同步進行，而各專業人員對其他專業知識了解有限，造成溝通不暢，協同困難（圖3）。在參數化三維設計中，各專業設計僅需基于相同的三維設計平臺就可以實現多專業、多團隊的協作，輔以實時協同與階段性的控制點協同，三維校審等方法，及時解決各種錯漏及碰撞，提高無塵車間的設計質量與設計速度。
1.5 設計成果性能分析
三維設計是參數化設計，模型構建完成后可以利用設計平臺自身的分析功能進行基本的參數分析，對于一些特殊的模擬，如：CFD對潔凈室氣流組織模擬、熱傳導與熱流組織模擬。可以利用設計平臺的格式轉換工具，將三維設計模型轉化為適合分析平臺或軟件認可的格式，再在轉換格式的基礎上進行修改調整即可對模型進行功能分析與調試，無需二次建立三維邊界。通過對設計成果參數分析，指導送回風、照明、設備及出入口等結構布局，為潔凈度、氣流速度、氣流組織等功能參數優化提供依據，消除使用過程中可能存在的隱患，實現建造成果可控。
1.6 三維設計交付
三維設計帶來了直觀的可視化三維模型、準確的二維表達的工程圖紙和詳盡的自動生成的包含功能參數及性能特點的物料清單，使設計成果交付更加直觀、詳盡，成為無塵車間設計交付或者設計交底的新模式。
2 三維設計在無塵車間中的應用優勢
2.1 設計階段工作重點提前
隨著無塵車間技術的發展與管理水平的提高，無塵車間項目管理與其他項目管理一樣將由粗放型向集約型轉變，要求設計文件更加詳細、準確，要求工程設備及配件更加精密，促進潔凈室施工模式向裝配模式轉變。裝配模式致使無塵車間項目的方案設計、施工圖設計、施工過程所占用工期比例改變。以某無塵車間項目為例，二維設計方式和三維設計方式各階段占用的工期如圖4。
從圖4可看出，二維設計中，設計人員根據以往經驗及參數進行設計，花費大量的時間在制圖、清單編制和協調上，而與項目質量關系密切的方案比選、專業技術設計等重要部分卻花費的時間比較少。三維設計由于可以自動生成各種工程圖紙和清單，提高了無塵車間項目的設計效率和質量，設計人員有更多的時間用在三維模型及方案的比選，專業設計、優化及協同上，詳細的三維模型設計及優化協同的結果也促進潔凈室構件尺寸更加精密，參數化的構件設計圖紙更適宜于工程構件工廠化、標準化生產、縮短現場施工時間，工程構件的產品化生產進一步促進裝配式施工模式發展。
2.2 虛擬裝配促使現場施工簡易化，提高質量
與二維設計相比，三維設計中，潔凈室構件通過參數化三維數據展現，工程計算以三維建模相融合自動更新，數據信息完整，傳遞過程無信息損失，可以進行校核計算及模擬，并且可以根據計算結果調整設計參數。設計調整后的三維設計成果與實物構件一致。可進行虛擬裝配施工，使無塵車間從3D設計轉向4D施工。
潔凈室虛擬施工即先試，后建。即在開工之前，基于虛擬環境，模擬、分析、檢測設計結果與施工組織設計方案的可行性，進而優化和調整，獲得最佳方案。因此虛擬施工不僅僅是一個設計繪圖過程，而是設計方案、成果比選過程。在潔凈室虛擬施工中，除了虛擬的所有潔凈室原型構件外，還需要通過三維可視化平臺創造一個虛擬的現實施工環境，資源模型及過程模型，實現施工過程有效可視化模擬。通過原型構件的模擬施工，減少各系統間結構碰撞與工期碰撞優化設計方案與施工方案，提高設計準確度與設計精確度，提高施工精度和無塵車間質量。
2.3 施工成本優化
在無塵車間中，工程的規模及復雜程度一般沒有大型建筑工程大，所以不會建立工期．成本數學模型，再通過復雜的迭代過程優化成本。在無塵車間中，可通過三維設計與施工技術將工程項目分部、分段，通過三維可視化模型，對施工過程進行模擬，構件材料更加精確（圖1）。模擬過程對施工方案優化以使施工組織更加合理、有序。通過提高人、材、機綜合配備能力和提高施工管理能力來降低損耗和成本。
3 三維技術在無塵車間中的應用
目前三維設計平臺及軟件較多，包括各種建筑BIM軟件，如Autodesk的Revit等；機械類的如Pro-e，Solidworks的三維工程軟件等。但結合無塵車間裝配式施工的特點，建筑BIM軟件、機械類的軟件都有欠缺，這也是為什么無塵車間行業在三維設計及應用方面發展緩慢的原因。以下以某項目Solidworks模型為例介紹無塵車間三維設計及應用過程。
步驟1，虛擬現實：對外部環境，如建筑等建模，也是設計師對環境的立體認識，也可以由其他BIM軟件轉換外部現實環境載入。
步驟2，建立基準面模型：根據建筑網格及虛擬現實模型，潔凈室的主要構件等高線建立基準面，方便后期各類組件裝配、定位，以及在方案設計，施工圖毆計，施工等階段組件替換，模型調整、修改。
步驟3，潔凈室平面規劃。
步驟4，三維模型創建（圖5）。
步驟6，模型系統整體調試、分析。
步驟7，虛擬施工及調整（圖7）。
4 結語
目前，BIM技術在建筑行業逐漸被廣人世計、施工人員接受并運用，也是工程技術發展的方向。但無塵車間中較少應用到，在無塵車間設計和施工中引入并應用三維設計技術及4D/5D技術，創建潔凈室信息模型，使潔凈室在設計建造過程更加高效，在整個運行壽命期內更加節能、綠色、環保。
