Performance analysis of demand-controlled displacement ventilation: balancing energy economy and contaminant control in high-density cleanrooms

Abstract

EN: This study investigates the performance of demand-controlled displacement ventilation in cleanrooms with high internal activity and dense equipment arrangement, focusing on the simultaneous management of energy consumption and contaminant removal. A simplified mathematical model was developed to relate supplied airflow, fan power, and contaminant concentration, forming a structured framework for scenario-based evaluation. Experimental measurements in Kharkiv Oblast using anemometric, thermal, and particle sensors validated model assumptions and provided realistic operating data. Ten operating states were analysed, revealing non-linear interactions: initial airflow increases substantially reduced contaminant concentration, while further increases offered diminishing environmental improvement at disproportionately higher energy cost. A three-dimensional regression surface quantified the coupled influence of airflow and fan power on contaminant concentration, highlighting operational intervals where cleanliness is maintained efficiently with minimal energy expenditure. The results identify intermediate airflow ranges as optimal for balancing environmental performance and electrical demand. The proposed methodology integrates modelling, experimentation, tabulated data, and regression analysis, providing a practical tool for optimizing ventilation strategies in controlled environments with intensive internal loading.

UA: Дослідження присвячене оцінюванню ефективності систем вентиляції з контролем витрат повітря за попитом у чистих приміщеннях із високою інтенсивністю внутрішніх процесів і щільним розташуванням обладнання, зокрема балансуванню між енергоспоживанням і видаленням забруднювачів. Розроблено спрощену математичну модель, яка пов’язує подавання повітря, потужність вентилятора і концентрацію частинок у приміщенні, формуючи основу для сценарного аналізу та порівняння операційних станів. Експериментальні вимірювання в Харківській області з використанням анемометричних, термометричних і частинкових сенсорів підтвердили припущення моделі та забезпечили реалістичні дані для оцінювання роботи системи. Було проаналізовано десять робочих станів, що виявили нелінійну поведінку системи: початкове збільшення подавання повітря значно знижувало концентрацію забруднювачів, тоді як подальше підвищення забезпечувало обмежене покращення за значно більшого енергоспоживання. Побудована тривимірна регресійна поверхня кількісно відображає взаємний вплив подавання повітря і потужності вентилятора на концентрацію частинок, визначаючи оптимальні інтервали роботи, у яких чистота повітря підтримувана ефективно за мінімальних витрат енергії. Результати дослідження ідентифікують проміжні рівні подавання як найбільш збалансовані відносно контролю забруднення та економії електроенергії. Запропонована методологія поєднує математичне моделювання, експериментальні вимірювання, табличний аналіз і регресійне оцінювання, забезпечуючи практичний інструмент для оптимізації стратегій вентиляції в контрольованих приміщеннях з інтенсивним внутрішнім навантаженням.