洁净室设计中的几点

洁净室设计中的几点分析中国建筑科学研究院空调所刘华☆王清勤提要:本文简单地分析了高效空气过滤器流量—阻力特性，并用实例阐述了作者对高效空气过滤器选型中的一些经验。同时对洁净室系统送风量的计算提出了自己的经验算法。作者观点仅供参考。关键词:洁净室、高效过滤器、送风量SeveralAnalysisInCleanroomDesignABSTRACTThisarticlesimplyanalysesflux-resistance′characterofHEPAfilter,anddiscussessomeexperienceofHEPAfilter′choicethroughexistingexample.Atthesametimeitputsforwardexperientialarithmeticaboutairsupplyvolumeinacleanroomsystem.Keepauthor′opiniononlyforreference.KEYWORDCleanroom、HEPAfilter、Airsupplyvolume1引言：《洁净厂房设计规范》GB50073—2001中指出“空气过滤器的处理风量应小于或等于额定风量。设置在同一洁净区内的高效（亚高效、超高效）空气过滤器的阻力、效率宜接近”。并同时指出“洁净室的送风量，应取下列三项中的最大值：1.1为保证空气洁净度等级的送风量。1.2根据热、湿负荷计算确定的送风量。1.3向洁净室内供给的新鲜空气量。”由此可见，在空调系统中过滤器的选择和送风量（换气次数）的计算具有重要意义。在实际的设计过程中，过滤器的选择一般都要考虑到过滤器的投资和使用寿命的问题，设计人员选择过滤器的实际风量均小于它本身的额定风量，具体方法是按照某一过滤器额定风量比例（如60%）来选择某一型号的过滤器，认为只要是小于额定风量，它们之间的阻力不平衡可以通过安装调节阀来实现，因此未能校核过滤器的阻力，从而未能使同一洁净区内的高效空气过滤器的阻力达到接近，给风量调节带来麻烦，并且对过滤器的使用寿命造成影响。而一般情况下认为洁净室的等级换气次数均大于热、湿负荷计算来确定的送风量（普通空调露点送风换气次数为8~10次/h），洁净室送风量的选择一般是按照洁净度的级别，根据洁净室保证不同级别选用不同的换气次数，而不校核热、湿负荷计算来确定的送风量，这样的计算存在的问题在于，一个净化空调系统只能有一个送风状态点，当不同级别洁净室（如万级和十万级甚至千级洁净室在一个系统时）或室内负荷相差较大的房间在一个系统（如更衣间和主要的操作间之间的房间冷负荷相差几倍甚至十几倍）时，无法确定一个正确的送风状态点，造成有的房间冷，而有的房间热。2高效过滤器的选择计算：由于洁净室的特性不同，高效过滤器的选择首先要按照洁净室的级别、无菌程度、温湿度、耐火程度、防腐等不同要求来确定。如100级以下选择A类或B类，100级以上则需要选择C类过滤器；高温高湿条件下宜选用金属分隔板和金属框架的过滤器；有防腐要求的宜选用塑料分隔板和塑料框架的过滤器；有防火要求的，过滤器所有材料应为不燃性等等。本文不考虑这些问题，仅仅考虑影响常规高效过滤器（以过滤≥0.5μm为主）的选择中风量和阻力问题。实践中常规过滤器就是指高效空气过滤器标准中规定的A类和B类，它们是洁净厂房设计中最常用的高效过滤器，一般低于或等于10万级可以选A类；1万~100级可以选B类。凡是常规高效过滤器，对于≥0.5μm微粒的效率可按照5个“9”即0.9999计算。首先要明确一下高效过滤器通过的风量与其阻力的关系，实验证明高效过滤器的阻力与流量是非直线关系，但在‘一般比额定风量大得不多时，阻力和通过风量的关系如近似看成直线关系，误差也不大’。表1是北京同创过滤器厂生产的高效过滤器规格表，图1是该厂生产的高效过滤器阻力特性曲线,由图1可以看出不同特征尺寸的过滤器其阻力的特性曲线是不同的，我们可以根据所选的过滤器的型号查它的相应阻力特性曲线得到它的阻力,为了方便选择我们把图1中的曲线处理一下，用每一个型号的曲线的横坐标风量去除以高效过滤器的特征尺寸（即高效过滤器的体积V=H×W×D），然后重新进行拟和成图2中的曲线，从图中可以看出两条曲线有重合的趋势，只要特征尺寸选择得当（可以考虑一下不同型号过滤器结构阻力，因为过滤器的真正过滤面积要小于过滤器的截面积，存在一个有效面积比，而且小型号的过滤器有效面积比较大，而大型号的小），两条曲线将更加逼近，两个拟和方程的相对应系数也相差不大。而且我们所需要的是额定风量附近的曲线（图2中＜20000附近的曲线，即相当于额定风量以下的风量），对于我们工程选择来讲，这样的差距是可以忽略不计的。从表1中也可以看出，在相同初阻力下，每种型号过滤器的Q/（H×W×D）值也均大致相等，即在图2中有一个相同的状态点。因此我们可以得出这样的结论：在不大于额定风量的前提下，常规高效空气过滤器的阻力—流量特性曲线可以用一条曲线来描述，并且成线形分布。也就是说只要知道一种型号的过滤器的阻力—流量特性曲线就可以知道其它型号的过滤器大致的特性曲线，又因为成线形的分布，只要知道曲线上的两点便可以确定该直线（因为我们知道该直线过坐标原点，因此只要知道一点即可方便的确定该直线，这一点可以用高效过滤器额定风量下的初阻力确定），从而给过滤器的选择带来很大的方便。表1、高效过滤器规格：兼型号券特征尺寸抽H×W×博D娃（届m抢m覆）摄额定风由量万Q怠（提m近3俩/披h还）咽Q朝/说（衬H×W×坦D吐）巷（训h束-1秘）覆初阻力龄（哗P疫a狭）扯GB-01占484X48句4X220辈1000司18182坏执秩行民199糕3竹年颁布的国标雷标准标A本类叔≤寺190含B历类什≤叔220抹GB-02近484X48浆4X180扬800碌17778颗GB-03戴630X63欣0X220青1500汁17179董GB-04您630X63程0X180隙1200拿16797乌GB-05品630X72剧6X220坝1500餐14907擦GB-06枕484X96翼8X220忍2000端19404捞GB-07身630X94鸣5X220向2250海17179务GB-08哗630X12橡60X220呜3000自17179豆GB-09薄610X61蔬0X150运1000督17916痒GB-10窜610X91签5X150遣1500茅17916赔GB-11岛610X12香20X150悉2000习17916棉GB-12然320X32龄0X260计500灿18780坡GB-13镇600X82社0X220军1850尿17092由于高效过滤器的寿命T0是按照额定风量Q0下终阻力增加到等于初阻力的既定倍数（一般为2倍）时所使用的时间，此时高效空气过滤器的容尘量也达到了最大（也称标准容尘量P0），因此也可以认为高效过滤器的寿命T0是高效空气过滤器的容尘量达到了标准容尘量P0的时间。当过滤器在低风量Q1下运行时，此时Q1＜Q0,所以过滤器的寿命可以延长至T1，此时T1＞T0。T1和T0的关系可以用如下的关系式（1）计算：在一般条件下，对于高效过滤器系统在额定风量条件下，如果一天工作12小时，To为3.5年以上，具体计算方法这里就不计算了，请参考文献。过滤器的阻力增值和积尘量的关系可以近似看成直线关系，在‘标准容尘量之下时或者阻力增值不超过初阻力值1倍时，产生的误差不大；如果滤速超过常规，或容尘量已经超过标准容尘量，阻力将随着积尘量的增加而更快地增加。’而且高效空气过滤器的积尘量P是与过滤器的通风量Q1成正比的，我们可以得出如下的结论：如果空调系统中过滤器的设计阻力不相近，即偏差比较大，则阻力大的将导致其过滤风量相对该型号过滤器额定风量偏大，因此积尘量也相应的加快，导致其阻力的增值也加快，从而过滤器的寿命也将减小，而阻力小的过滤风量相对较小，则寿命相对较长，造成一个空调系统中寿命不相同，给将来过滤器的更换带来麻烦，并随着积尘量的增加会产生新的系统不平衡。同样地而作为空调系统主要阻力的高效空气过滤器（高效过滤器的初阻力至少也有100Pa，相当于含局部阻力的普通空调风管的100m以上长度的阻力），选择阻力相近，对于运行调节并满足风量平衡同样具有重要意义。因此正如设计规范中所要求的那样，设计时‘设置在同一洁净区内的高效（亚高效、超高效）空气过滤器的阻力、效率宜接近’在一般条件下，对于高效过滤器系统在额定风量条件下，如果一天工作12小时，To为3.5年以上，具体计算方法这里就不计算了，请参考文献。下面具体地说明以下过滤器的选择方法，首先要根据高效过滤器的设计使用寿命T1来选择，可以根据上面公式（1），可以很方便的计算出在设计使用寿命下过滤器的设计风量Q1。根据公式可以得到以下表格2：表2高效过滤器不同风量下的寿命边Q给1宰50%Q储0就55%Q寸0点60%Q其0兔65%Q掉0辅70%Q兰0垄75%Q肠0鸟Q连0砖T岁1协3.5T餐0另3.1T轧0曲2.7T举0克2.4T雹0孤2.2T场0愧1.9T颜0骤T察0纱T嘉1葵（年）俱12.3正10.9亦8.1盟8.4胜7.7映6.7云3.5野假自我们可以按照勇设计使用寿客命栏1前0服年，查令表困2匀选挽择婚55都%吨额定风量作为米设计风量来选贩择过滤器型号氧，由上面的分口析可以知道按扭照高效过滤器肉的额定风量的患百分比所选对木应的过滤器的尺阻力必定相等驳。下面的主要悼任务变成了选嘉择风量所对应沿的过滤器型号败。下攻表给3槽是作者经常使拉用的高效过滤芽器不同厚度、号不同额定风量好百分比下的风校量掠（局m群3诉/颜h楚）。踩表骤3催高效过滤器不税同额定风量百坦分比下的风量裙（铁框）逐型号茅特征尺寸汗H×W×堡D蚂（鸭m只m歌）揉额定风晴量陵Q逝0昨（声m以3蹈/渴h冰）屡Q俊1福=55%Q辆0切Q健1牛/鸣（裳H×W×辽D巷）涌（耍h配-1融）匀初阻力惠（芦P驰a科）氧0兼1胶型宾484X48葵4X220写1000丈550停10672务执肤行享199爪3渴年颁布的国标接标准惜A施类起≤锋190来B伪类销≤愁220尽484X48赵4X180朱800约440旷10435炕484X48音4X150旨650懒358秆10174千484X48括4X120光500为275补9783厕0并2船型好320X32礼0X220通430纤237壶10498哥320X32疲0X180缸344悔189叹10265淡320X32烂0X150拆280承154臭10026约320X32忽0X120怜215爱118柄9623抹0炭3想型填630X63怨0X220能1700飘935迫10708窑630X63踪0X180饭1360蛙748珠10470票630X63宣0X150艘1105泰608否10208弯630X63倘0X120倒850屠468榆9816哀表弹4胸实际工程中的弊风量计算表规序号阅名称习面分积两肿㎡宿级别咱换气次数象（印h锦-1骗）障送风测量扶Q掘（滩m虏3华/稠h徐）筐过滤器型号脸（森H×W×充D馅）遵台就数悔T腐校核脆值借Q雹1于/健（它H×W×愉D奶）喇/T骤1纤换鞋塞3.1睁10京万惰15.0巴120.9叶320×32龙0×120单1鼠9839第2童洗手泊3.0蝴10扭万须15.0蔽117.0彻320×32忆0×120究1猜9521箩3矮套衣另4.3戴万腥20.0货223.6辞320×32工0×220证1章9925岛4逮物入抛5.2其万工20.0衫270.4奔484×48不4×120斜1海9619耻5孟实验室申11.6旦万弟20.0线603.2读630×63矮0×150便1踏10132络6罗培养室资14.9住万床20.0王774.8停630×63驱0×180增1推10845左7收种子室议8.7回万挡20.0左452.4意484×48宇4×180影1叹10729鼠8崇反应穿27.0离万回40.0泉4320.0小630×63幅0×220爽5树9895秋9杰缓冲朋4.0名10述万誓15.0孕156.0丹320×32蝴0×150懒1司10156过亭具我们以腥表始4卷为例，该风量交计算表是实际粮工程中的一例知，我们按照实黄际送风量查殃表艳3脆中杂55%Q撑0慰风量所对应过堂滤器型号，该兆选择过程是一很个试算的过程因，如果现有的叛过滤器型号途在绿55陡%亦风量下均能满毛足所有房间的糕送风量的要求雹，则停止试算都；如果仅有少摘数房间不能满赶足，则可以选凭择比设计值大阵的型号中风量趋最小的那一档斑；如果大多数丽不能满足，则摸需要重新选择络过滤器的寿命荣并重新计算所逝选过滤器额定熊风量的百分比视，如可以选洞择办50%Q士0撒或幸60%Q严0凭，继续试算直船到满足前两条异要求。最后可群以通过设计风纲量除以其相应下的过滤器特征附尺寸廉（密H×W×巡D茧），看是否相键近，不平衡率篮相考差纽10滤%悼以内即可认为战所选过滤器基脉本阻力平衡。瞎表郑4拐中经过试算和菊校核，不平衡漠率石在答10肉%粪以内，达到设疯计要求。剑为了便于清楚屿理解，特编制判了杯图歉3锋流程图以供参恢考。趁3沟洁净室送风量串的确定：速对于单个空调嘱房间，洁净室丰的等级换气次彩数与热湿负荷兵所确定的换气殃次数进行比较邮，选择较大的附换气次数即可继；对于多个空另调房间组成净卸化空调系统，痰每个房间的冷滋热负荷情况不跌一样，导致每调个房间在该房魂间等级的换气玉次数下，所要赴求的送风状态草点也不一样，泉而作为一个净荣化空调系统（嫁净化空调系统波的特点之一是乌经常不同级别我的洁净室在同思一个空调系统验中）设计上要剥求必须有且仅傅有一个送风状省态点，这时如着果按满足主要药操作间温湿度太为前提，选择名主要操作间的刻送风温差为系恢统送风温差，劫则往往主要操是作间的冷负荷车较大，因此所当需的送风温差苗也较大，其它肤辅助房间的在干其洁净等级换树气次数下，会备造成冷量过剩弓，房间过冷，践给人以不舒适事感；相反如果锹按满足大多数挠辅助房间（因御为大多数辅助衫房间的冷热负滑荷较均衡）温载湿度为前提，刺选择其送风温穗差（偏小）为便系统送风温差吨，则往往主要孙操作间在大冷没负荷的情况下牺，需要增加比恭洁净等级还要萌大的换气次数捧来满足操作间神的温湿度，这锣样会给系统带静来风量的增加皱，初投资也相轨应地加大。两原种方式各有利宋弊，可以根据辞具体情况适当蓄选择，或者可灶以两种方式混节合使用，即送量风温差选择一新个两者之间的叠数值，以尽量词满足设计和投茧资的要求。月表事5续实际工程中的坦风量计算表（请室内设计温钉度般t到n堵=24±爬2宪℃舟）劲序号剂名称患送风赢量呈Q批i病（裹m表3舍/晋h仁）辽房间的冷负荷干I循i魂（世W注）搜送风温程差康△字t=钥-t开s改（均℃董）杠冷负荷送风蝴量洪Q篮Li莫净化等级送风衡量蹄Q属Di巴冷负荷送风量追与送风量相对环偏差插室内温度校核灯1睡换鞋秆120.9贱31.9扮1.9叙49.9胸120.9凝-58.8%邻22.9抱2仪洗手皮117.0粥30.9条1.9绸48.3弟117毯.0璃-58.7%瑞22.9絮3盐套衣神223.6影44.2写1.9秀69.1凡223.6早-69.1%竟22.7终4矩物入浑270.4拣53.5熊1.9雨83.6逐270.4转-69.1%遮22.7浓5肚实验室掠603.2穴119.4渣1.9鬼186.7涉603.2挎-69.1%谣22.7肢6捎培养室坛774.8合849.7启1.9浅1328.3浩774.8扰71.4%如25.4离7歌种子室位452.4芦89.5麦1.9呢139.9痰452.4神-69.1%落22.7确8握反应杂4320.0盾3247.5捷1.9宝5076.9惜2160跟.0效17.5%似24.3清9率缓冲反156.0陆48.8祥1.9性76.3损156般.0叛-51.1%皂23.0异0压∑袖7038.3馅4515.4玉1.9驱（谈△组t霉m尖）势7059.0=SUM(ABOVE)拒4878.3汽0.3%船24.0膏具体的计算步令骤如下：糊1页、首先确定室丧内的蚊设计温鉴度货t沿n翅±械△曾（精度）。稻2沃、计算净化空押调系统中各个故洁净室的冷负牙荷剃I坑i坏，并计算届∑狱I敞i浩。版3桥、根据各洁净牛室净化等级确吃定送风在量亭Q匠Di怪，并计算却∑犁Q绵Di左。痛4健、确定每一个睬洁净室内的送拳风联量毙Q驳i杆，并外令茧Q焰i召的初始值柔为不Q怖Di油，童∑蹈Q生i瓶=抹∑谅Q搅Di宜。宽5险、根据树∑茄I钓i肿和找∑险Q项i小确定系统平均轨送风温差进=t笑n街-t工s脾，并确轻定柄t岁s梅。愧6滩、用公式判断视∈授t株n奶±传△盗的范围内吗？裤⑴则若所有洁净室袄均满足，则结够束计算，得到毯了所求的计算挡风量。泽⑵顾否之，则适当法增加温度偏高大的房间的换气疤次数，并回逢到竿4躬。懒我们同样以包表浅4椒的工程数据来愚计算，经试算牛后得到恢表仔5僵，通过该表的抽计算得到以下汗有益结论挡：劳1锻、尽量选用洁女净等级送风量祝Q么Di猴作为洁净室的镜送风量，以减到小系统风量。吊标2筛、在满足康t腿n夏±崭△沟的范围的要求研的情况下，尽波量加大送风温育差，即是换气旬次数最小。丽雹3瓦、从稿表扔4贡中可以看出，测各个冷负荷送出风皮量溜Q馆Li博与送风塑量旬Q馅i胳相对偏差段在瓦±50%~6姑0溉%彩的情况下，只罗要送风状态点泰选择的合适，槽其洁净室的温来度也能控制在积精妙度鸭±族△颈范围内。尽管柏各个房间的两兄种计算方法中惕存在偏差（有字正有负），但报∑突Q制i找和蔽∑筹Q鄙Li剧应该是相等的婶，偏差小列于锋1拘%巧。塘为了便于清楚北理解，特编制默了驼图逃