潔凈室設(shè)計中需要注意哪些問題？

中國建筑科學研究院空調(diào)所
劉華☆
王清勤

提要:本文簡單地分析了高效空氣過濾器流量—阻力特性，并用實例闡述了作者對高效空氣過濾器選型中的一些經(jīng)驗。同時對潔凈室系統(tǒng)送風量的計算提出了自己的經(jīng)驗算法。作者觀點僅供參考。
關(guān)鍵詞:潔凈室、高效過濾器、送風量

Several Analysis In Cleanroom DesignABSTRACTThis article simply analyses flux-resistance′character of HEPA filter, and discusses some experience of HEPA filter′choice through existing example. At the same time it puts forward experiential arithmetic about air supply volume in a cleanroom system. Keep author′opinion only for reference.KEYWORD
Clean room、HEPA filter、Air supply volume
1引言：

《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》GB50073—2001中指出“空氣過濾器的處理風量應(yīng)小于或等于額定風量。設(shè)置在同一潔凈區(qū)內(nèi)的高效（亞高效、超高效）空氣過濾器的阻力、效率宜接近”。并同時指出“潔凈室的送風量，應(yīng)取下列三項中的最大值：1.1為保證空氣潔凈度等級的送風量。1.2根據(jù)熱、濕負荷計算確定的送風量。1.3向潔凈室內(nèi)供給的新鮮空氣量。”由此可見，在空調(diào)系統(tǒng)中過濾器的選擇和送風量（換氣次數(shù)）的計算具有重要意義。

在實際的設(shè)計過程中，過濾器的選擇一般都要考慮到過濾器的投資和使用壽命的問題，設(shè)計人員選擇過濾器的實際風量均小于它本身的額定風量，具體方法是按照某一過濾器額定風量比例（如60%）來選擇某一型號的過濾器，認為只要是小于額定風量，它們之間的阻力不平衡可以通過安裝調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)，因此未能校核過濾器的阻力，從而未能使同一潔凈區(qū)內(nèi)的高效空氣過濾器的阻力達到接近，給風量調(diào)節(jié)帶來麻煩，并且對過濾器的使用壽命造成影響。而一般情況下認為潔凈室的等級換氣次數(shù)均大于熱、濕負荷計算來確定的送風量（普通空調(diào)露點送風換氣次數(shù)為8~10次/h），潔凈室送風量的選擇一般是按照潔凈度的級別，根據(jù)潔凈室保證不同級別選用不同的換氣次數(shù)，而不校核熱、濕負荷計算來確定的送風量，這樣的計算存在的問題在于，一個凈化空調(diào)系統(tǒng)只能有一個送風狀態(tài)點，當不同級別潔凈室（如萬級和十萬級甚至千級潔凈室在一個系統(tǒng)時）或室內(nèi)負荷相差較大的房間在一個系統(tǒng)（如更衣間和主要的操作間之間的房間冷負荷相差幾倍甚至十幾倍）時，無法確定一個正確的送風狀態(tài)點，造成有的房間冷，而有的房間熱。
2高效過濾器的選擇計算：

由于潔凈室的特性不同，高效過濾器的選擇首先要按照潔凈室的級別、無菌程度、溫濕度、耐火程度、防腐等不同要求來確定。如100級以下選擇A類或B類，100級以上則需要選擇C類過濾器；高溫高濕條件下宜選用金屬分隔板和金屬框架的過濾器；有防腐要求的宜選用塑料分隔板和塑料框架的過濾器；有防火要求的，過濾器所有材料應(yīng)為不燃性等等。本文不考慮這些問題，僅僅考慮影響常規(guī)高效過濾器（以過濾≥0.5μm為主）的選擇中風量和阻力問題。

實踐中常規(guī)過濾器就是指高效空氣過濾器標準中規(guī)定的A類和B類，它們是潔凈廠房設(shè)計中最常用的高效過濾器，一般低于或等于10萬級可以選A類；1萬~100級可以選B類。凡是常規(guī)高效過濾器，對于≥0.5μm微粒的效率可按照5個“9”即0.9999計算。

首先要明確一下高效過濾器通過的風量與其阻力的關(guān)系，實驗證明高效過濾器的阻力與流量是非直線關(guān)系，但在‘一般比額定風量大得不多時，阻力和通過風量的關(guān)系如近似看成直線關(guān)系，誤差也不大’。表1是北京同創(chuàng)過濾器廠生產(chǎn)的高效過濾器規(guī)格表，圖1是該廠生產(chǎn)的高效過濾器阻力特性曲線,由圖1可以看出不同特征尺寸的過濾器其阻力的特性曲線是不同的，我們可以根據(jù)所選的過濾器的型號查它的相應(yīng)阻力特性曲線得到它的阻力,為了方便選擇我們把圖1中的曲線處理一下，用每一個型號的曲線的橫坐標風量去除以高效過濾器的特征尺寸（即高效過濾器的體積V=H×W×D），然后重新進行擬和成圖2中的曲線，從圖中可以看出兩條曲線有重合的趨勢，只要特征尺寸選擇得當（可以考慮一下不同型號過濾器結(jié)構(gòu)阻力，因為過濾器的真正過濾面積要小于過濾器的截面積，存在一個有效面積比，而且小型號的過濾器有效面積比較大，而大型號的小），兩條曲線將更加逼近，兩個擬和方程的相對應(yīng)系數(shù)也相差不大。而且我們所需要的是額定風量附近的曲線（圖2中＜20000附近的曲線，即相當于額定風量以下的風量），對于我們工程選擇來講，這樣的差距是可以忽略不計的。從表1中也可以看出，在相同初阻力下，每種型號過濾器的Q/（H×W×D）值也均大致相等，即在圖2中有一個相同的狀態(tài)點。因此我們可以得出這樣的結(jié)論：在不大于額定風量的前提下，常規(guī)高效空氣過濾器的阻力—流量特性曲線可以用一條曲線來描述，并且成線形分布。也就是說只要知道一種型號的過濾器的阻力—流量特性曲線就可以知道其它型號的過濾器大致的特性曲線，又因為成線形的分布，只要知道曲線上的兩點便可以確定該直線（因為我們知道該直線過坐標原點，因此只要知道一點即可方便的確定該直線，這一點可以用高效過濾器額定風量下的初阻力確定），從而給過濾器的選擇帶來很大的方便。

表1、高效過濾器規(guī)格：

由于高效過濾器的壽命T0是按照額定風量Q0下終阻力增加到等于初阻力的既定倍數(shù)（一般為2倍）時所使用的時間，此時高效空氣過濾器的容塵量也達到了最大（也稱標準容塵量P0），因此也可以認為高效過濾器的壽命T0是高效空氣過濾器的容塵量達到了標準容塵量P0的時間。當過濾器在低風量Q1下運行時，此時Q1＜Q0,所以過濾器的壽命可以延長至T1，此時T1＞T0。T1和T0的關(guān)系可以用如下的關(guān)系式（1）計算：

過濾器的阻力增值和積塵量的關(guān)系可以近似看成直線關(guān)系，在‘標準容塵量之下時或者阻力增值不超過初阻力值1倍時，產(chǎn)生的誤差不大；如果濾速超過常規(guī)，或容塵量已經(jīng)超過標準容塵量，阻力將隨著積塵量的增加而更快地增加。’而且高效空氣過濾器的積塵量P是與過濾器的通風量Q1成正比的，我們可以得出如下的結(jié)論：如果空調(diào)系統(tǒng)中過濾器的設(shè)計阻力不相近，即偏差比較大，則阻力大的將導(dǎo)致其過濾風量相對該型號過濾器額定風量偏大，因此積塵量也相應(yīng)的加快，導(dǎo)致其阻力的增值也加快，從而過濾器的壽命也將減小，而阻力小的過濾風量相對較小，則壽命相對較長，造成一個空調(diào)系統(tǒng)中壽命不相同，給將來過濾器的更換帶來麻煩，并隨著積塵量的增加會產(chǎn)生新的系統(tǒng)不平衡。同樣地而作為空調(diào)系統(tǒng)主要阻力的高效空氣過濾器（高效過濾器的初阻力至少也有100Pa，相當于含局部阻力的普通空調(diào)風管的100m以上長度的阻力），選擇阻力相近，對于運行調(diào)節(jié)并滿足風量平衡同樣具有重要意義。因此正如設(shè)計規(guī)范中所要求的那樣，設(shè)計時‘設(shè)置在同一潔凈區(qū)內(nèi)的高效（亞高效、超高效）空氣過濾器的阻力、效率宜接近’是非常有必要的。
下面具體地說明以下過濾器的選擇方法，首先要根據(jù)高效過濾器的設(shè)計使用壽命T1來選擇，可以根據(jù)上面公式（1），可以很方便的計算出在設(shè)計使用壽命下過濾器的設(shè)計風量Q1。根據(jù)公式可以得到以下表格2：

表2高效過濾器不同風量下的壽命

我們可以按照設(shè)計使用壽命10年，查表2選擇55%額定風量作為設(shè)計風量來選擇過濾器型號，由上面的分析可以知道按照高效過濾器的額定風量的百分比所選對應(yīng)的過濾器的阻力必定相等。下面的主要任務(wù)變成了選擇風量所對應(yīng)的過濾器型號。下表3是作者經(jīng)常使用的高效過濾器不同厚度、不同額定風量百分比下的風量（m3/h）。

表3高效過濾器不同額定風量百分比下的風量（鐵框）

表4實際工程中的風量計算表

我們以表4為例，該風量計算表是實際工程中的一例，我們按照實際送風量查表3中55%Q0風量所對應(yīng)過濾器型號，該選擇過程是一個試算的過程，如果現(xiàn)有的過濾器型號在55%風量下均能滿足所有房間的送風量的要求，則停止試算；如果僅有少數(shù)房間不能滿足，則可以選擇比設(shè)計值大的型號中風量最小的那一檔；如果大多數(shù)不能滿足，則需要重新選擇過濾器的壽命并重新計算所選過濾器額定風量的百分比，如可以選擇50% Q0或60% Q0，繼續(xù)試算直到滿足前兩條要求。最后可以通過設(shè)計風量除以其相應(yīng)的過濾器特征尺寸（H×W×D），看是否相近，不平衡率相差10%以內(nèi)即可認為所選過濾器基本阻力平衡。表4中經(jīng)過試算和校核，不平衡率在10%以內(nèi)，達到設(shè)計要求。
為了便于清楚理解，特編制了圖3流程圖以供參考。
3潔凈室送風量的確定：
對于單個空調(diào)房間，潔凈室的等級換氣次數(shù)與熱濕負荷所確定的換氣次數(shù)進行比較，選擇較大的換氣次數(shù)即可；對于多個空調(diào)房間組成凈化空調(diào)系統(tǒng)，每個房間的冷熱負荷情況不一樣，導(dǎo)致每個房間在該房間等級的換氣次數(shù)下，所要求的送風狀態(tài)點也不一樣，而作為一個凈化空調(diào)系統(tǒng)（凈化空調(diào)系統(tǒng)的特點之一是經(jīng)常不同級別的潔凈室在同一個空調(diào)系統(tǒng)中）設(shè)計上要求必須有且僅有一個送風狀態(tài)點，這時如果按滿足主要操作間溫濕度為前提，選擇主要操作間的送風溫差為系統(tǒng)送風溫差，則往往主要操作間的冷負荷較大，因此所需的送風溫差也較大，其它輔助房間的在其潔凈等級換氣次數(shù)下，會造成冷量過剩，房間過冷，給人以不舒適感；相反如果按滿足大多數(shù)輔助房間（因為大多數(shù)輔助房間的冷熱負荷較均衡）溫濕度為前提，選擇其送風溫差（偏?。橄到y(tǒng)送風溫差，則往往主要操作間在大冷負荷的情況下，需要增加比潔凈等級還要大的換氣次數(shù)來滿足操作間的溫濕度，這樣會給系統(tǒng)帶來風量的增加，初投資也相應(yīng)地加大。兩種方式各有利弊，可以根據(jù)具體情況適當選擇，或者可以兩種方式混合使用，即送風溫差選擇一個兩者之間的數(shù)值，以盡量滿足設(shè)計和投資的要求。

表5實際工程中的風量計算表（室內(nèi)設(shè)計溫度tn=24±2℃）

具體的計算步驟如下：
1、首先確定室內(nèi)的設(shè)計溫度tn±△（精度）。
2、計算凈化空調(diào)系統(tǒng)中各個潔凈室的冷負荷Ii，并計算∑Ii。
3、根據(jù)各潔凈室凈化等級確定送風量QDi，并計算∑QDi。
4、確定每一個潔凈室內(nèi)的送風量Qi，并令Qi的初始值為QDi，∑Qi=∑QDi。
5、根據(jù)∑Ii和∑Qi確定系統(tǒng)平均送風溫差=tn-ts，并確定ts。
6、用公式判斷∈tn±△的范圍內(nèi)嗎？
⑴若所有潔凈室均滿足，則結(jié)束計算，得到了所求的計算風量。
⑵否之，則適當增加溫度偏高的房間的換氣次數(shù)，并回到4。
我們同樣以表4的工程數(shù)據(jù)來計算，經(jīng)試算后得到表5，通過該表的計算得到以下有益結(jié)論：1、盡量選用潔凈等級送風量QDi作為潔凈室的送風量，以減小系統(tǒng)風量。

2、在滿足tn±△的范圍的要求的情況下，盡量加大送風溫差，即是換氣次數(shù)最小。

3、從表4中可以看出，各個冷負荷送風量QLi與送風量Qi相對偏差在±50%~60%的情況下，只要送風狀態(tài)點選擇的合適，其潔凈室的溫度也能控制在精度±△范圍內(nèi)。盡管各個房間的兩種計算方法中存在偏差（有正有負），但∑Qi和∑QLi應(yīng)該是相等的，偏差小于1%。
為了便于清楚理解，特編制了圖4流程圖以供參考。
4結(jié)論：

4.1高效空氣過濾器是凈化空調(diào)系統(tǒng)的滿足凈化等級的必備設(shè)備，正確地選擇它，可以給過濾器帶來合理的壽命，合理地控制凈化空調(diào)系統(tǒng)的運行周期，并給凈化系統(tǒng)的平衡調(diào)試帶來方便。

4.2凈化空調(diào)系統(tǒng)風量計算的特殊性，決定了同一個凈化空調(diào)系統(tǒng)各個潔凈室的溫度不能達到同一個設(shè)定值，因此如何正確選擇送風狀態(tài)點，校核潔凈室在所選風量的基礎(chǔ)上的室內(nèi)溫度是否滿足精度要求成為必然。

參考書目

(1)許鐘麟著:潔凈室設(shè)計.地震出版社,1994
(2)電子工業(yè)部第十設(shè)計研究院主編:空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，1995
(3)中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部主編:GB50073-2001《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》，中國計劃出版社出版，2001
(4)中華人民共和國國家標準GB13554—92《高效空氣過濾器》，1993-03-01實施
(5)許鐘麟等.非額定風量對高效過濾器壽命的影響，潔凈與空調(diào)技術(shù)，No1，6～８，1997

圖3流程圖