非单向流洁净室的多目标通风优化：一种集成的RSM-NSGA-II-TOPSIS方法

《Building and Environment》：Multi-objective ventilation optimization in non-unidirectional cleanrooms: an integrated RSM-NSGA-II-TOPSIS approach

　　

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  提出了一种面向洁净室的RSM-NSGA-II-TOPSIS集成框架。
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  FFU-穿孔地板覆盖比对气流和洁净度具有显著影响。
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  架空地板高度是对所有目标最具广泛影响的因素。
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  CFD验证结果表明，TOPSIS最优解的相对误差低于3.1%。

引言

电子产业是现代高科技制造的基础，对其生产环境提出了严格的洁净度要求。ISO 6级洁净室广泛应用于半导体、显示屏和精密电子元件的制造中，其中低颗粒浓度以及稳定均匀的气流和温度是产品良率和可靠性的关键。然而，洁净室设计需要在相互竞争的性能目标之间进行大量权衡。例如，无差别地增加换气次数（ACH）可以改善污染物去除效果，但会增加能耗，并可能因风速过高而造成人员不适[[1], [2], [3]]。相反，过度强调节能可能削弱污染控制并降低环境洁净度[4]。因此，高效的洁净室通风系统取决于多种设计因素的协同作用，包括风机过滤单元（FFU）布置、送风风速和回风配置[[5], [6], [7]]。

大量数值和实验研究已经探讨了这些参数对洁净室性能的影响。在FFU运行条件方面，已有研究提出了根据人员位置动态调节送风风速的控制策略，以实现局部高效净化[8]。从机理上看，颗粒物的输运路径和稳定时间与变化的送风风速高度相关[9]。在此基础上，通过优化整体气流组织以限制污染物进入关键区域，可以在不牺牲洁净度的前提下将所需换气次数降低51%?72%[10]。除气流参数外，结构配置对通风效果的影响同样显著。在天花板层面，FFU布置和覆盖比对颗粒扩散的时间演化具有强烈影响[11,12]。类似地，在地板层面，架空地板高度和穿孔地板孔隙率等结构参数已被证明能够有效稳定气流并最小化偏转角[13]。在瞬态运行条件方面，已有研究评估了节能通风策略[14]，以及人员占用[15]和送风减量[16]对不均匀颗粒分布的动态影响。

尽管取得了上述进展，仍存在若干关键局限性。从数值建模角度来看，许多研究依赖简化的物理模型，无法显式解析穿孔地板的实际开孔面积比，限制了其对多维气流特征的准确捕捉能力[13]。此外，现有研究集中于传统的独立参数（如换气次数或送风口尺寸），却往往忽视架空地板高度、FFU相对于穿孔地板的空间配置及其耦合交互效应等结构变量[17]。在方法学层面，先前的优化框架倾向于通过主观赋权将多目标问题简化为单目标问题，这阻碍了生成完整的非支配帕累托前沿[[18], [19], [20]]。最后，在性能评估方面，传统的能量利用系数（EUC）忽略了占用区域与非占用区域之间的体积差异。虽然热利用效率（TUE）已被引入以提供更精确的关键工作区能量评估[[21], [22], [23]]，但它很少与人员满意度和洁净通风指数（CVI）在同一多目标优化框架内被同时整合。

为弥补上述研究空白，本研究提出了一种综合多目标优化框架，集成了响应面法（RSM）、非支配排序遗传算法II（NSGA-II）以及熵权法与逼近理想解排序法（EWM-TOPSIS）。本文引入了一个新的参数——FFU-穿孔地板覆盖比，并量化了其与换气次数和架空地板高度各自单独及交互作用对工作区满意度（WS）、TUE和CVI的影响。通过RSM建立的显式代理模型捕捉了各参数间的非线性交互作用，而NSGA-II则用于生成清晰定义的帕累托前沿，揭示各竞争目标之间的权衡关系。随后，应用EWM-TOPSIS客观地确定全局最优设计方案。总体研究框架如图1所示。本文其余部分组织如下：第2节概述数值建模与验证方法；第3节描述多目标优化框架；第4节分析参数交互作用并呈现优化结果；第5节总结主要结论。

各节摘要

物理模型

洁净室通风系统的工作原理如图2(a)所示。净化后的空气从FFU送入工作区，以稀释空气中的污染物。随后，空气被通过穿孔架空地板吸入双侧回风管道（RAS），经干式冷却盘管（DCC）冷却后，回流至上层技术静压箱。在那里，FF对空气进行过滤并重新送入工作区域，从而完成连续的闭环循环。本研究

EWM-TOPSIS

TOPSIS由各指标的最优值构建正理想解（PIS），由各指标的最差值构建负理想解（NIS）。随后计算帕累托前沿上每个解到PIS和NIS的欧氏距离（Di），再计算各解相对于PIS的接近度Ci。Ci越大，表明该解的综合性能越好[38,39]。EWM-TOPSIS评估流程如下：

(1). 构建加权归一化矩阵。$$\mathbf{R}={\left(r_{ij}\right)}_{m\times n}=w_j·y_{ij}$$

数学模型验证

为验证数值模型的准确性，将仿真结果与Zhang和Chen[40]报道的实验数据进行了对比。如图6所示，在若干代表性监测点提取了温度、速度和污染物浓度的垂直分布剖面，并与实验测量值进行了评估比较。总体而言，仿真结果与实验数据吻合良好，在大多数监测点处的相对误差低于20%。唯一的明显

结论

本研究开发了一种集成RSM、NSGA-II和EWM-TOPSIS的多目标优化框架，用于优化非单向流洁净室的通风性能。主要结论如下：

• (1)
  几何和运行参数强烈影响洁净室性能。增加换气次数可通过稀释作用降低工作区颗粒浓度，但也会导致部分洁净送风绕过工作区直接进入排风口。受限的架空

作者贡献声明（CRediT）

胡中廷： 监督指导、调查研究。 顾硕： 撰写——原稿、可视化、验证。 冯波： 资源获取。 毛定： 方法论。 李凯杰： 软件。 周良鹏： 项目管理。 何伟： 撰写——审阅与编辑。

胡中廷|顾硕|冯波|毛定|李凯杰|周良鹏|何伟