综述：洁净室系统的气流组织评估与多级节能优化：综述

《ENERGY AND BUILDINGS》：Airflow organization evaluation and multi-level energy-saving optimization for cleanroom systems: A review

　　

•对 176 项研究的回顾绘制了洁净室气流和节能研究图谱。
•气流指标被分为通用指标和应用特定指标。
•节能措施被归类为三个实施层面。
•提出了具有韧性的洁净室的未来方向。
引言
在高端制造和医疗行业中，环境控制已从辅助考虑因素演变为影响产品质量、工艺稳定性和人员安全的基本先决条件。因此，洁净室是高科技制造、医疗和其他领域不可或缺的重要设施。例如，半导体和微电子制造通常要求室内温度保持在 22 至 26°C 之间，相对湿度保持在 30% 至 70% 之间，同时确保低污染水平 [1], [2], [3]。在生物制药行业，污染暴露和生物安全防护受到特别关注。污染控制策略的设计应遵循质量风险管理原则，并得到健全的监管框架和环境监测体系的支持 [4], [5], [6]。在食品生产中，主要目标是减少空气中微生物污染并防止产品再污染。保持清洁的生产环境通常需要洁净室技术，如空气过滤、正压控制和区域隔离，以及空气处理方法，如气雾过氧化氢消毒和紫外-C 照射 [7], [8], [9], [10]。综上所述，这些应用使洁净室设计成为由不同环境控制需求驱动的综合工程挑战。
借助高效过滤、机械强制送风和压差控制，洁净室通常需要较高的每小时换气次数（ACH），以便精确控制温度、相对湿度和区域间压差 [11]。因此，洁净室具有巨大的能源需求，是能源使用强度最高的建筑类型之一。特别是，暖通空调（HVAC）和空气分配系统占据了洁净室总能耗的主导份额 [12], [13], [14]。一项针对台湾九个半导体洁净室设施的早期调查报告指出，平均功耗为 2.18 kW/m2，平均冷负荷为 1.526 kW/m2 [15]。最近的研究报告指出，以生产面积为基础，典型半导体制造厂的电力使用强度可达 20,908 kWh/(m2·年) [16]。这些发现表明，虽然洁净室确保了高清洁度水平和稳定的环境参数，但也面临着相当大的减少能源消耗的压力。
在此背景下，减少能源使用已成为洁净室领域的核心研究方向。气流组织决定了清洁空气的传输路径，影响污染物传输过程、空气处理量和运行能耗 [17], [18], [19]，使其成为洁净室节能优化的重要切入点。作为清洁空气处理和能量转换的主要系统，暖通空调系统直接影响冷却 - 加热抵消（即空气冷却除湿然后重新加热到所需送风温度）。它还通过系统配置、温湿度处理和室外空气/回风安排影响空气处理负荷。此外，洁净室运行参数的设定与人员占用、生产活动、污染物排放和洁净度等级要求密切相关。因此，长期依赖固定或保守的运行策略可能导致冗余的气流、压差和加热或冷却能力。从节能角度来看，气流组织、暖通空调系统配置和运行控制策略都具有相当大的优化潜力。然而，现有研究在评估目的、技术水平和应用场景方面仍然分散。相似的指标常用于不同的目的，而节能措施则在不同的技术背景下讨论。这使得难以一致地解释性能指标，并按干预级别组织节能措施。
现有综述考察了洁净室中的污染控制、通风策略、性能评估和暖通空调节能，为该领域的研究提供了重要的知识库。如表 1 所示，之前的综述在气流组织、污染控制、性能评估和节能方面显示出不同程度的重叠。Zhao 等人 [20] 系统地回顾了高科技洁净室的能源模型、能源性能指标、系统性能和节能方法，特别强调空调系统。该综述的一个关键特征是以能源为中心整合性能评估和节能技术。Guo 等人 [21] 绘制了洁净室暖通空调环境控制的更广泛研究图谱，并进一步综合了控制变量、控制目标和控制策略。通过将研究图谱映射与暖通空调控制策略的深入分析相结合，他们提供了一种独特的以控制为导向的视角。
然而，仍存在两个缺口。性能指标并未根据其评估目的进行一致分类。设计、暖通空调系统和运行控制层面的节能措施也未被系统组织。指标的结构化分类可以区分对气流和污染物传输的表征与对关键区域保护有效性的评估。它还可以揭示现有研究是否主要关注通用环境性能，还是考虑应用特定的结果，如暴露和风险控制的。这种区别有助于识别当前评估实践中的差距，并支持为不同的洁净室目标选择合适的指标。同时，按干预级别对节能措施进行分类可以阐明能源冗余发生的位置。它也为在不同设计和运行条件下选择和组合节能策略提供了结构化基础。
据此，本综述由三个问题引导：
(1) 当前洁净室研究中气流组织和性能评估是如何表征的？
(2) 如何根据其干预级别和机制组织节能技术？
(3) 当前评估和节能实践中仍存在哪些局限性，未来研究应优先关注哪些方向？
针对这些局限性，本综述围绕气流组织、性能评估和多层节能技术的控制原则构建。与之前的综述相比，其主要贡献如下：
(1) 回顾了单向流和非单向流气流组织的原则和特征。性能评估指标被分为通用指标和应用特定指标并进行统计分析。还总结了相应的方法论框架。
(2) 在设计、暖通空调系统和运行控制层面回顾了节能技术。讨论了其基本原理、节能潜力和适用性边界。
(3) 基于对当前研究状态的综合，识别了现有局限性，并在四个领域提出了未来研究方向：动态和韧性设计、供需协调匹配、综合性能评估和工艺自适应设计。
整体研究框架如图 1 所示。第 2 节介绍文献筛选策略和描述性分析。第 3 节描述主要的气流组织模式、性能评估指标和研究方法。第 4 节根据干预级别对节能技术进行分类和讨论。第 5 节提出了洁净室发展的未来方向。第 6 节总结了本综述的主要结论。
章节摘要
研究方法
本研究采用了结构化叙事综述设计。使用预定义的文献检索和人工筛选过程建立核心文献语料库。然后应用描述性分析和主题分类来表征研究趋势并组织所审查的研究，同时主要发现通过叙事方式综合，以检查气流性能评估和多层节能策略。因此，本综述重点关注结构化分类和
气流组织的原则与评估
有效的气流组织可以在保持良好室内空气清洁度的同时提高通风系统的能源利用效率，为平衡污染控制和能效优化提供重要基础。因此，本节讨论主要的气流模式及其性能评估指标。
节能技术分类
仅优化气流组织无法充分利用洁净室的节能潜力。还需要在多个层面采取协调措施，包括暖通空调系统设计、能量回收、过滤阻力控制和运行策略。能源边界、基准系统、运行条件和评估方法的差异可能会限制不同研究之间报告的节能率的直接比较。在本节中，洁净室节能
未来展望
在解释本综述的发现时，应考虑几个问题。研究包括涉及手术室、隔离病房和实验室的内容。然而，这些发现的可迁移性取决于每个应用的具体清洁度要求、工艺特性和环境控制目标。此外，许多提出的策略主要仍由计算流体力学（CFD）模拟或短期实验支持。长期运行数据仍然
结论
基于对 2017 年 1 月至 2026 年 6 月期间 176 篇洁净室相关出版物的统计分析，本综述综合了气流组织原则、评估指标和节能技术。主要结论如下：
(1) 评估指标被分为通用类别和应用特定类别并进行量化。表征气流和污染物传输的通用指标出现在 96.4% 报告指标的研究中，而
CRediT 作者贡献声明
李宏鑫：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。
李昆龙：写作 – 原稿，概念化。
张泽恩：方法论，形式分析，概念化。
徐子涵：方法论，概念化。
刘卫东：形式分析，概念化。
郭亚彬：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报道的工作。
致谢
本研究得到河南省重点科技攻关项目（资助号：252102321079）和河南省自然科学基金（资助号：252300421524）的支持。
李宏鑫 | 李昆龙 | 张泽恩 | 徐子涵 | 刘卫东 | 郭亚彬