6章(洁净室及其控制技术)

1、室内污染控制与洁净技术,第六章： 洁净室及其控制技术,洁净室环境是微电子工业、精密加工技术、光学工业、生物技术、医药工业、精细化工生产技术、食品加工等行业中必备的生产条件。随着科学技术日新月异的发展，对洁净室的要求已经从洁净室环境中的温、湿度和悬浮微粒污染物的控制扩展到了对洁净室环境中的气（汽）态污染物、细菌和微生物的控制。洁净室环境对其研究成果的实现和新产品开发的成败起到了至关重要的作用。,第六章：洁净室及其控制技术,空气洁净度等级标准与控制对象,6.2,洁净室技术原理,6.3,生物洁净室技术,6.4,洁净室设计计算,6.5,第六章：洁净室及其控制技术,洁净技术设备与应用,6.6,洁净室的运

2、行管理,6.7,洁净室的定义、分类及其应用,6.1,6.1,6.1.1 洁净室的定义,洁净室(clean room):洁净室就是洁净的室(广义)。,定义如下：,1.美国联邦在FS-209中是这样定义的：,洁净室“室内悬浮粒子浓度被控制在一定水平的房间。”,洁净区“空气浮游粒子的浓度被控制在特定的浮游粒子洁净度等级范围内的某一限定空间。”,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,2.国际标准化组织的定义：,洁净室“空气中浮游粒子浓度受控的房间，其建造和使用应使进入、 产生、滞留于室内的粒子最少；室内其他参数如温度、湿,洁净区“定义同FS-209标准，此洁净区可以是

3、开放的，也可以是封闭 的，可位于或不位于洁净室内。”,3.中国国家标准GB 50073-2001中对洁净室的定义是：,洁净室“空气中悬浮粒子浓度受控的房间，它的建造和使用应减少室 内诱入、产生或者滞留粒子。室内其他参数如温度、湿度、 压力等按要求进行控制。”,度、气压按需要控制。”,洁净区“空气中悬浮粒子浓度受控的限定空间，它的建造和使用应 减少室内诱入、产生或者滞留粒子。室内其他参数如温度、 湿度、压力等按要求进行控制。,现代洁净室特殊的含义：,明确了空气洁净技术的基本特征和主要的控制对象；,指明了洁净技术的基本原理；,除了对空调系统中的温度、湿度、压力、流速和粒子浓度等参数严格控制以外，还

4、应根据不同的应用要求和控制等级，对其他相关参数进行控制。如现代化的集成电路生产线上，还要求对静电、微振动以及空气中气态(分子态)污染物(Airbornic Molecular Contaminants,AMC)进行控制。,1.,2.,3.,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.1.2 洁净室的分类,1.按用途来分类,(1)工业洁净室:以非生物微粒(或称为无生命微粒)为控制对象。主要控制非生物微粒对工作对象产生污染。其受控环境一般保持正压,防止外界微粒进入。,(2)生物洁净室:以生物微粒(或称为有生命微粒)为控制对象，可分为： 一般生物洁净室;隔离式生物洁净室。,一般生物洁净室:主要控制有生命

5、微粒(如菌类,原生动物、细菌和病毒等)对工作环境及工作对象的污染。其受控环境一般保持正压。,隔离式生物洁净室:以防止微生物(有生命的微粒)外逸为控制目的。受控环境处于“负压”状态,即负压送风,过滤排风,一般不采用回风。主要控制工作对象是有生命的微粒,防止其对外界和人体产生伤害。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,2.按照气流流型分类,单向流（Unidirectional Airflow）,非单向流（Non-unidirectional Airflow）,混合流（Mixed Airflow）,图6.1 三种洁净室的气流流型示意图 SA送风;RA回风,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,3.按净

6、化设备布置方式分类,(1)集中式;(2)局部式;(3)混合式,图6.2为上述3种净化设备布置方式的基本原理。,图6.2 洁净装置布置形式,6.1.3 洁净技术的发展与应用,洁净技术(Cleanroom technology)是一门以防止生产与研究工作受环境因素的干扰和影响,保护产品或研究对象不受有害物质污染为核心内容的新兴技术。它随着科学技术的发展、工业产品的日新月异,特别是航空航天业、电子工业、生物医药和食品工业的发展而不断发展。现代工业和现代科学实验研究对产品的微型化、高精密度和高可靠度等方面的要求不断提高，促使洁净技术的快速发展。洁净技术的发展已成为现代工业生产和实验活动不可缺少的重要标

7、志之一。,20世纪20年代,美国就开始了洁净技术方面的研究。,20世纪50年代,美国成功研制了高效性空气粒子过滤器(HEPA)。,20世纪60年代,推出了世界上第一个单向流洁净室,这项研究成果是空气洁净技术发展史上的一项重大突破。1963年美国颁布了第一个联邦标准FS-209。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,1999年该委员会出台第一个关于洁净室的标准-空气洁净度分级(ISO 14644-1)。 70年代,洁净技术应用得到普及,尤其是在电子工业领域,工业洁净室得到了广泛应用。 80年代至今,是洁净技术发展大普及的20余年。表1.2和表1.3分别给出了大规模集成电路和超大规模集成电路(VL

8、SI)的发展趋势。 90年代以来,超大规模集成电路的加工技术发展迅猛,每隔2年其关键技术就会有一次飞跃,集成度每3年增长4倍。这对洁净技术的发展提出了巨大挑战,微电子工业技术始终引领着洁净技术的发展方向。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,生物洁净技术是在工业洁净技术基础上发展起来的,生物洁净技术的出现也是生物科学及医学发展的必然需要。早在1867年,英国的里司特(LISTER)已用室内喷石碳酸的方法消灭漂浮在手术室空气中的微生物,手术后感染率从63%下降到18%。美国宇航局1962年在一个生物洁净室中对被火箭送上太空的狗进行手术。1966年在美国新墨西哥州的一家医院建成了世界上第一个无菌手

9、术室;英国的一名整形外科医生1966年6月建成类似于垂直单向流的洁净室。,进入20世纪70年代后,微生物洁净技术的发展及应用在国际上已进入了相当广泛的领域。生物洁净室已广泛应用于宇宙航行、医学、制药、微生物学、生物实验、遗传工程、食品等众多领域,生物洁净技术在这些应用领域均占有重要地位。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,我国洁净室技术的研究和应用:60年代是我国洁净技术发展的起步时期,第一个洁净室于1965年在电子工厂建成投入使用,同期我国的高效过滤器(HEPA)研制成功投入生产。,70年代末开始,我国的洁净技术随着各行业引进和设备的兴起得到了长足进步。1980年后,我国洁净技术和洁净厂房

10、建设取得了明显的成果,在建设大规模集成电路工厂、研究所、彩色显像管工厂以及制药工厂洁净室工程、洁净手术室的同时,建成了一批5级(100级)、6级(1000级)的洁净室。1984年编制完成了我国首部洁净厂房设计规范(GBJ 73-84)。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,90年代我国与国际知名公司合作或合资,建成了一些高级别(0.1m、1级、10级)的洁净制造车间。1988年我国制定了制药行业的药品生产质量管理规范(GMP),明确规定了制药工业中对不同类型的药品所需的生产环境的洁净度。90年代后期,我国洁净手术室的建设在最近10年中加快了速度,据有关方面至2001年不完全统计，全国有近200

11、0间洁净手术室投入使用。1996年实施了国际军队医院洁净手术部建筑技术规范,2000年实施了国际医院洁净手术部建设标准,2002年实施了国际医院洁净手术部建筑技术规范。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.2.1 洁净度等级标准,1美国联邦标准-FS209E,表6.2 FS209E标准的空气中悬浮粒子洁净度等级,209E标准中，对其中任意等级的上限浓度可近似用下列公式来计算：,式中:,NM 大于或等于粒径的上限浓度,pc/m3； M 采用国际单位制是洁净度等级的值； d 所考虑的粒子直径，um。,2. 国际标准之前的各国标准,表6.3 各国洁净度等级的对照,3. 国际洁净室标准,表6.4

12、洁净室和洁净区内空气中悬浮粒子洁净度等级,按国际标准，空气中悬浮粒子洁净度等级以等级序数N表示，相应的中间等级的粒子最大允许浓度Cn可用公式计算： 式中：Cn大于或等于粒径（d）的粒子最大允许浓度，pc/m3 ； N洁净度级别； d被考虑的粒径，um 。,值得注意的是，洁净室（区）内空气洁净度在不同状态下是不同的，所以国际标准中对洁净室（区）涉及到的三种状态作出如下定义： 空态（as-built）：设施已经建成，所有动力接通并运行，但无生产设备、材料及人员。 静态（at-rest）：设施已经建成，生产设备已经安装，并按业主供应商同意的状态运行，无生产人员。 动态（operational）：设施

13、以规定的状态运行，有规定的人员在场，并在商定的状态下进行工作。 洁净室工程在验收时所处的状态应与业主和开发商协定确定而国际标准（ISO14644-1）特别指名：“空态测试”完毕还应进一步作“静态”或“动态”（或同时作两种）测试无论在何种状态下都能实现并保持所要求的参数。,修订后的国家标准洁净厂房设计规范（GB50073-2001） 从2002 年1月发布实施。国家标准（GB50073-2001）中规 定的洁净室（洁净区）内空气洁净度等级等同采用国际标准 ISO14644-1种的有关规定。,4. 我国的洁净室标准,5. 生物洁净室的相关标准,世界第一个有关微生物净化级别的标准是美国航空与航天管理

14、局（NASA）于1967.8公布的NHB5340.2洁净室和洁净工作台微生物控制标准，至今仍被广泛应用于各国的相关标准和相关行业。,表6.5 美国宇航局(NASA)标准NHR5340.2,该标准主要是针对宇航业的应用，而相对于其他行业则偏严。随着生物技术的发展和广泛应用，世界各国相继制定了一系列适应不同场合的标准 ，如药品生产领域中著名药品生产质量管理规范（GMP-Good Manufacturing Practice）等。自美国1962年率先颁布了“GMP”后，世界100多个国家和地区相继制定了GMP1。我国1982年由中国医药工业公司首先颁布GMP后，相关部委陆续颁布和修订了各项GMP标准

15、。此外还先后颁布了洁净手术部建筑技术规范GB50333-2002、食品企业通用卫生规范GB14881-1994、生物安全实验室建筑技术规范GB50346-2004等。,我国卫生部的GMP标准 表6.6 卫生部的GMP标准,6. 关于AMC的相关标准,洁净环境中气态分子级化学污染物分级标准：SEMI F21-95。该标准将分子态污染物质AMC分成了A、B、C、D四大类： AAcids酸性物质：如溴化氢、氟化氢、氯化氢、氮、磷、硫等； BBases碱性物质：如氨及其衍生物甲基氨等； CCondensables可凝结物质：如硅酮、碳氢化合物等； DDopants掺杂物：如砷、硼、磷等。,表6-7控制

16、化学污染物的洁净度等级,6.2.2 空气洁净度的控制对象,空气洁净度主要控制对象,最小微粒直径,1.控制的最小粒径 以往所提出控制最小粒径的原因，主要基于机械的角度（如精密机械仪器的磨损、灵敏度、堵塞等）考虑可能损害产品的最小微粒直径。具体考虑： （1）最小微粒直径应小于某种几何距离，如元件间的公差、 间隙、线距（宽）等； （2）同时考虑到小微粒可能会凝聚成大微粒； （3）或是几个小微粒同时落到产品的致命处。 因此，通常把这几种几何间距的1/21/3定为控制的最小粒径。由于这类几何距离可以小到约1m，所以0.5m这一粒径长期以来成为空气洁净技术上要控制的最小粒径。,2. 控制的微粒数量 在制订

17、洁净度等级时所用的控制微粒数量，宜按以下原则划分： 空气净化手段（措施）能达到的； 这些手段（措施）在经济上能有明显区别； 在使用上比较方便，例如：各等级控制数便于记忆，即要求这些控制数是些有规律的数、整数。 自美国2001年11月宣布停止使用FS-209E标准后，各国均采用国际标准ISO14644-1 。,图6-5乱流洁净室原理示意图,乱流洁净室的作用原理是：当一般干净气流从送风口送入室内时，迅速向四周扩散、掺混，同时把差不多同样的气流从回风口排走，这股干净气流稀释着室内污染的空气，把原来含尘浓度很多的室内空气冲淡，保证室内所需要的空气 洁净度等级。所以气流扩散 得越快，越均匀，稀释的效 果

18、就越好。一句话，乱流洁 净室的原理就是稀释作用。,6.3.1 乱流（非单向流）洁净室原理,乱流洁净室在净化工程中最为常见，应用于许多领域。但根据乱流洁净室的作用原理，研究者曾计算乱流洁净室可能达到的洁净度级别的界限，并经实践所证明它只能达到1000级及其以下的洁净度，为了达到100级或更高的洁净度，只有采用与乱流洁净室作用原理完全不同的另一种洁净室单向流（层流）洁净室。由于乱流洁净室的造价和运行费用都要比单向流洁净室低许多，所以在洁净室要求不太高的场所使用较多。,6.3.2 单向流洁净室原理,最早的单向流（平行流）洁净定是在1961年出现在美国，当时称层流洁净室。单向流洁净室还可分为：垂直单向

19、流洁净室和水平单向流洁净室两大类，气流流线示意图如下,垂直单向流 洁净室,水平单向流 洁净室,单向流洁净室不是靠洁净气流对室内脏空气掺混稀释作用，而是靠洁净气流推出作用将室内脏空气沿整个断面排到室外，达到净化室内空气的目的。,单向流洁净室原理示意,气流组织特点,6.3.3 洁净室的特性指标,、,1.流线平行度： 是指气流在流动过程中流线的平行程度。其作用是保证随气流运动的尘粒不作垂直于流向的传播。,流行平行度,下限风速,乱流度,2.乱流度： 把速度场的均匀程度称之为乱流度。 对于单向流洁净室， 不宜大于0.2，但实践表明这是相当困难的。而从自净能力方面看，可以考虑 （0.250.3），如果再大

20、，就说明该单向流洁净室的性能较差。美国联邦标准209B的附录中，关于速度场均匀性的规定是，整个室内不受干扰的部分不均匀性不得大于 20% 。,3.下限风速 单向流洁净室中气流速度的作用主要有以下四个方面： 1）当污染气流多方位散布时，送风气流要能有效控制污染的范围，即不仅要控制上升高度，还要控制横向扩散距离。 2）当污染空气流与送风气流同向时，送风气流要能有效地控制污染气流达到下游的扩散范围。 3）当污染气流与送风气流逆向时，送风气流能抑制污染气流能上升或前进的距离。 4）在全室被污染的情况下，要能从合适的时间风速使室内空气自净。 所谓下限风速，就是满足以上四项要求的最小风速。,表6.9 下限

21、风速建议值：,1.洁净室静压差的作用 洁净室内维持某一个高于邻室或低于邻室的空气压力，是洁净室区别于一般空调房间的显著特点。保证了洁净室在正常工作或空气量平衡暂时受到破坏时，洁净室的洁净度免受邻室的污染或污染邻室。 工业洁净室和一般生物洁净室均是采用维持“正 压”，主要为了控制洁净室外界环境各种污染物 对洁净室的污染； 使用有毒，有害气体或易燃易爆溶剂或有粉尘操作 洁净室，以及生产过敏性药物，高活性药物的生物 洁净室和其他有特殊要求的生物洁净室需要维持一 定“负压”，其目的就是防止各种有毒有害物质危 害人的生命与健康和对环境的污染。,6.3.4 洁净室的静压及其控制,2.静压差及其控制方式,(

22、1)洁净室与邻室间防止缝隙渗透的静压差P(Pa)：,hw 气流流过缝隙的摩擦阻力，由于缝隙短，vc 小，忽略。, 突然收缩局部阻力系数，因缝隙截面积极小，故一般取0.5；, 突然扩大局部阻力系数，同样理由，取1.0；,Vc 通过缝隙时的气流流速m/s.,可按下式计算:,并取,为流速系数。经计算,则,(2) 为防止开门时引起的气流污染的静压差的确定：,当开门时，洁净室外较低等级房间的气流会随着人流方向带入，大约在2 S，人顺着开门方向进入室内，在入口处引起的风速为0.140.2m/s ；人逆着开门方向走进室内的瞬时，入口处的风速为0.080.15 m/s。低于人顺着开门进入室内的风速，故只考虑人

23、顺着开门的方向进入的情况。 设人体表面积为 1.7m0.4m2 /m=0.68m2，则随人体带进室内的空气量为:,以下分两种情况讨论：,带进气流的含尘浓度比洁净室原有含尘浓度N高10倍（即相当于比洁净室的洁净度低1级），设洁净室最小体积为25m3(为最不利情况)，则一次开门进入2人带入气流所引起的室内含尘浓度增加的倍数应当为： 这表明洁净室内的浓度在瞬间（2s左右）增加了1.19倍，根据经验与实测，洁净室内含尘浓度瞬间增加不超过1.2倍是允许的。由此可见对于洁净室只有25 m2的房间能满足要求，那么一般洁净室容积都比它大得多（容积越大越有利）就更不成问题。,若设带入气流的含尘浓度比洁净室原有浓

24、度N高100倍（即相当洁净度低了2级）,此时洁净室体积仍按最不利的25 计算，则一次进入2人引起的含尘浓度增加倍数为： 这个值显然超过了允许的范围。 若要将室内含尘浓度变化控制在允许的1.2倍的范围内，则可令上式为： 化简上式得： ，再由 ，则可求出允 许浸入洁净室的气流速度 , 当 时，,为抵制这一含尘气流的进入，需从洁净室压出气流速度为： 对于宽1.4m,高2m的洁净室大门，其面积为2.8，需正压风量: 又由于正压风量Q由下式计算： 式中： 安全系数，取1.2； 除门缝外，考虑其他缝隙的系数，取1.2； q 单位长度非密闭门缝隙漏风量 (m3/h.m)，查表 l 非封闭门缝隙长度（m）,对

25、双开门缝隙长度取8.8m(宽1.4m,高2m）；对单开门缝隙长度取6m。,表6-10 非密闭门漏风量,由 计算： Q =1.21.28q 当Q =907m3 /h时， 907m3 /h=1.21.28.8q 则 q =71.5m3 /(h.m) 查表可知，要维持907m3 /h的正压风量，即单位缝隙长度的风量q =71.5m3 /(h.m)，必须有49Pa以上的压差，这么大的静压差会引起哨声和开门的困难，所以需要采取调整送、回，排风的比例，采用自动控制装置等措施。,与室外相接的洁净室的正压计算。对于这类洁净室影响其渗漏量的主要因素是风压，当风垂直于墙面时迎风面为正压，背风面为负压，迎风面的风压

26、值可以用下式表示： 式中：v 迎风渗透计算风速（m/s）; 空气密度，常温时取1.2Kg/ m3; c 风压系数，一般可取0.7-0.9。 迎风渗透风速的计算与建筑物形状、层高、朝向、温差等诸多因素有关，一般来说我国东部沿海相当于强区，西部城市为弱区。下表给出了我国10个主要城市的各个朝向的计算风速值。,表6.11 主要城市各个朝向的计算风速值:,如果以中区为代表，取最大风速v=5m/s，c=0.9，则用上式算出的迎面风压p=13.5Pa，为此我们取洁净室正压p=14Pa，当然这是属于较高的正压状态。,综合上述各因素，对洁净室的正压取值推荐如下表:,房间换气次数法,(2) 静压差的控制方式 实

27、现洁净室内的压力控制，通常的技术措施是调节送风量与回风量和排风量之间的匹配关系。当送风量大于回风量与排风量之和时，可实现正压洁净室；反之则可实现负压洁净室（生物安全实验室是不设回风的）。维持洁净室一定压差所需的风量，国内较多采用房间换气次数估算，或采用缝隙法计算，二者相比，后者较估算合理准确。,缝隙法,回风口控制,压差变送器控制,余压阀控制,(3)洁净室的压差控制方式,微机控制,(3)洁净室的压差控制方式 1：回风口控制。,2：余压阀控制。,余压阀是一个简单的平衡调节装置。通过调解安装在洁净室内的余压阀上的平衡压块来实现洁净室压差的控制，即当洁净室内正压值大于平衡块置于所标定的值时，余压阀处于

28、开启状态，调节室内压力；反之，则余压阀处于关闭状态。,设有全压阀的正压控制装置,(3)洁净室的压差控制方式,设有余压阀的正压系统,(3)洁净室的压差控制方式3：压差变送器控制。,对技术条件要求较高情况，可考虑采用自动控制。,自动控制新、回风量的系统,(3)洁净室的压差控制方式4：微机控制。,对于正压值各不相同的多个房间的压差控制，利用微机或单片机控制最为合适。,用单片机或者微机控制的多室正压的方案示意,生物洁净室按室内微生物污染的控制方式分为一般生物洁净室和隔离式生物洁净室两类。,6.4.1 生物洁净室及其应用,1一般生物洁净室,下图是具有代表性的两种洁净手术室的污染模型。根据这一模型，对这两

29、种洁净手术室进行了比较,垂直单相流手术室和水平单相流手术室的污染模型,表6.14 医院生物洁净室采用形式的比较,隔离式生物洁净室是以防止微生物污染的外逸为目标的。因此，他不仅要求除菌，更重要的是隔离。隔离式生物洁净室被简称为危险性生物洁净室。习惯上称作生物安全洁净室（实验室）。,隔离式生物洁净室示意图,a：隔离式生物洁净室的隔离方式分为： 一次隔离 、二次隔离 b：隔离式生物洁净室的等级,生物危险性的危险度标准,（1）微生物的污染特性： a：微粒粒径极小，d=0.0230um。 b：种类极多，约50多万种，主要包括：病毒、细菌、真菌、藻类。 c：微生物不能单独生存，粘附在尘埃上形成生物性粒子。

30、 d：适当环境下会形成大的生物群体产生污染。 详见表6.16,6.4.2 微生物微粒特性及污染途径,表6.16 微生物主要特性,（2）微生物的污染途径： a：自身污染 b：接触方式污染 c：空气传播污染 d：其他因素污染 对于洁净室来说，大约有70-80的微生物是由人员产生的，15%-20%是由设备产生的，5%-10%是由周围环境产生的,6.4.3 微生物污染控制,1.控制途径： 空气过滤，对人员、器具室内表面灭菌处理。 2.技术问题： A:如何对室内空气中微生物（细菌）过滤清除。 B:室内各种表面灭菌处理问题。 3.控制方法： A:过滤除菌。 B:消毒灭菌。 C:紫外线灭菌,A:过滤除菌的三

31、个问题 1）细菌能否穿越滤料？ 微生物粒子的等价直径大，导致绝大部分污染物在预过滤器 上被过滤下来，贯穿问题不复存在。 2）细菌能否在滤料上面繁殖？ 细菌的繁殖条件是适当的温度和营养，在无机材料制成的滤 材上细菌难以生存。 3）过滤效率会否下降？ 高效过滤器的滤菌效率达100，出口处浓度为0。,B : 消毒灭菌,灭菌和消毒是两个不同的概念。所谓灭菌是指对细菌、病毒的生命完全灭绝，具有绝对意义；而消毒则是在其过程中有一部分细菌或病毒由于对某种药力的抗性而不被破坏，具有相对意义。,主要消毒灭菌的方法： 1）高温干燥灭菌 2）高温蒸气灭菌 3）药物法灭菌,C:紫外线灭菌,在生物洁净室出现之前，紫外线

32、消毒是一个不可替代的必备的消毒方法。紫外线在波长24002800范围内具有灭菌效果，且波长在25002600的范围杀菌能力最强。 影响紫外线消毒的因素： 1.波长 2.照射时间长短 3.环境温湿度，远近距离 4.微生物种类,表6.20 圆筒形消毒器的实验室消毒效果,6.5.1 室内外设计参数的确定,6.5.5 洁净空调系统热湿处理,1）大气含尘浓度,三种典型区含尘浓度： 农村型含尘浓度（约1105pc/L）； 城郊型含尘浓度（约2105pc/L）； 城市型含尘浓度（约3105pc/L）； 其中，工业密集区达106pc/L。 洁净室设计中大气含尘浓度可这样确定： 对高效空气净化系统，取大气尘浓度

33、：M= 106pc/L。 对中效空气净化系统，设计中大气尘浓度宜分区确定。,6.5.1 室内外设计参数的确定,2）室内的发尘量和发菌量,（1）室内尘源，主要包括： 人： （占8090） 建筑表面： （占1015 ） 设备表面以及工艺发尘。 （2）室内单位容积发尘量的计算 A：人静止时的发尘量 假设每平方米只有1人，且只有人发尘的单位容积发尘量，洁净室高2.5m，则单位容积中的尘量为：,建筑的表面发尘量化为人的发尘量，即当量人员密度（或称每平方假象人数）q为：每平方米人数为q时，室内单位容积静态发尘量为： B 动作时单位容积发尘量： 式中，面积折算成人的发尘量， =58（静态）=40。,（3）室

34、内发量菌 穿无菌服时： 静止时热的发菌量： 10300个/（ min人） 一般活动时人员的发菌量： 1501000个/ （min人） 快步行走时人的发菌量： 9002500个/ （min人） 穿日常服装时人员的发菌量： 330062000 喷嚏一次一般的发菌量： 400060000 发菌量与发尘量之比： 1:5001:1000 洁净室设计时取值： 静态： 300个/（min人） 动态： 1000个/（min人） 手术室： 1001500个/（min人） 制药厂： 15002000个/（min人）,洁净环境的室内温、湿度主要满足两个方面的要求： （1）热舒适性的要求： （2）生产工艺性要求： 例

35、如，大规模集成电路生产线中，硅的线膨胀系数为2.410-6，直径为10的硅片，其温度变化1即伸缩为0.24um。,3) 室内的温、湿度,表6-22 洁净室的温、湿度范围（GB50073-2001）,6.5.2 洁净室的风量计算,GB500732001规定，洁净室送风量应取以下3项中最大值： 能保证空气洁净度等级的送风量。 消除热、湿负荷的送风量。 向洁净室内供给的新鲜空气量。,1）单向流洁净室的送风量 单向流洁净室的送风量按气流垂直断面与其平均流速进行计算： 式中， Ls单向流洁净室的送风量，m3/h; v 断面平均风速，m/s; F 垂直气流方向的洁净室断面的面积，； 表6.24 洁净室的断

36、面平均风速/ms-1,2）非单向流洁净室的送风量 非单向流洁净室的结晶原理是利用结晶空气稀释冲淡室内的污染物，从而达到所要求的空气洁净度等级。 一般均采用经验换气次数确定所需要的风量。 表6.25 洁净室的换气次数 次/ h,消除洁净室内余热、余湿时所需风量仍然按一般空调中的计算式。 消除余热时的风量： 式中， Lq 消除室内余热的送风量，m3/h； Q洁净室的总热负荷，kW； 空气密度，kg/m3,在标准状态下,=1.2 kg/m3 i送风焓差， i=iN-iO。 消除余湿时的风量： 式中， Lq 消除室内余湿的总风量，m3/h； W夏季洁净室的最大湿负荷，kW； d0送风含湿量， d0=d

37、N-dO,3）洁净室余热、余湿所需风量,4)洁净室的新风量 a:室内人员健康所需的新风量； b:维持室内静压所需补充的风量； c:补充各排风系统的排风所需新风量。 （1）为了确保作业人员的健康，（GBZ 12002）中规定：“每名工人所占容积小于20m3的车间，应保证每人每小时不小于30m3的新鲜空气量。”GB 500732001中规定：“每人每小时新鲜空气量不小于40m3” （2）维持洁净室静压差所需新风量。一般洁净室的新风量占总风量的2%10%。净化空调系统在保证新鲜空气量和保存洁净室规定的压差值的条件下，应尽可能利用较洁净的回风。 （3）补偿排风所需的新风量。 对某些生产工艺设备采用局部

38、排风口吸走多种有毒有害物质。 当洁净环境平均有害浓度超过相关标准时，需设置全室排风系统。图6.22图6.24给出了几种净化空调系统的平衡示意图。,一次回风系统风量平衡,二次回风系统风量平衡,直流系统风量平衡,综上所述，净化空调系统新风量应按GB 500732001中规定，洁净室内的新鲜空气量应取下列两项中的最大值：保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40m3；补偿室内排风量和保持室内正压值所需新鲜空气量之和。,6.5.3 洁净室洁净度的计算,1）均匀分布理论计算法 设洁净室系统的基本图示，如图所示。 系统假设： 认为室内含尘浓度是均匀分布的； 假设通风是稳定的； 发尘量是常数； 大气层

39、浓度也是常数； 忽略室内外灰尘的密度和分散度的变化对过滤器效率的影响； 忽略灰尘在管路系统和室内的沉降作用等。,均匀分布理论计算,不均匀分布理论计算,则通路上过滤器的总效率为n 根据上述图示和一系列假设，进入洁净室内的尘粒应由3部分组成： （1）新风带进室内的尘粒：在t时间内每升空气由新风而增加的尘粒数量为： （2）由回风带进室内的尘粒：在t时间内，由回风而增加的尘粒数为：,（3）在t时间内：室内发尘而使室内每升空气增加的尘粒数量为G10-3 t(pc/L)；在t时间内室内每升空气由通风换气排出的尘粒数量为：,由以上分析可知，在t时间内洁净室内含尘浓度的变化为：Nt=进入的含尘浓度排出的含尘浓

40、度=, G10-3 t】,根据初始条件，当t=0时，室内的含尘浓度即为洁净室原始含尘浓度N0,将此条件带入上式即可求出积分常数C，之后再带回原式即可求得洁净室含尘浓度瞬间式为： 即t时，从理论上讲，室内的含尘浓度趋于稳定状态。即： 应用此式时，需要注意系统中哪些过滤器组合效率是n，哪些是r，就可以较方便的列出某一系统的稳定式。 单向流洁净室含尘浓度计算问题： 单向流洁净室内人的发尘可以不考虑； 回风带入的尘粒也可忽略。,2）多室、有局部净化设备时的含尘浓度计算 （1）多室含尘浓度计算。图6.27为多室并联的情况。设第1洁净室的含尘浓度N1=3pc/L，第2洁净室N2=3000pc/L。 一般多

41、室系统总回风的含尘浓度不会超过该系统最脏的1个洁净室的含尘浓度，就本图而言，则不会超过N2=3000pc/L。若假定3000pc/L就是总回风含尘浓度，即比N1提高1000倍。所以对于多室系统的1室来说，极端情况相当于在回风含尘浓度提出1000倍条件下的单室系统的运行。其含尘浓度平衡方程式为： 化简得： 式中，N1多室系统1室的含尘浓度，pc/L。,由于回风通路上设有高效过滤器，对于不小于0.5um尘粒的 效率达r=0.99999,则式（6.21）中1-r=0.00001，即： 1103s(1r) 1s(1r) 1。 N1 N 式中 N单室系统时的含尘浓度。 上述分析推导说明，对于末级过滤器是

42、高效过滤器的空气净 化系统，则不管是多室系统还是单室系统，均可按单室的稳 定式求多室系统中各室的稳定含尘浓度。 （2）有局部净化设备时的含尘浓度计算 列出稳定状态时的浓度平衡方程式：,化简得： 进一步化简得： 因1，而上式又可写成： 最后化简得：,3）不均匀分布理论计算法,（1）不均匀分布理论分析,假定发尘量是均匀的、稳定的，只是尘粒分布不均匀，即室内区域的浓度差。,下面将针对单个送风口的房间的3区不均匀分布模型给予理论分析,如右图所示。,三区不均匀分布模型,在主流区内，由于工作区以上有一定风速，尘源 是不可能逆着气流均匀扩散的。主流区内的尘源散发出的尘粒将随着气流稍有扩展地沿气流方向运动，进

43、入回风区并在该区得到一定程度的混合，一部分由回风口排出，一部分折回涡流区，在涡流区内分布，并随着主流区引带的气流较均匀地贯穿整个主流区。,下表列出了室内尘粒分布的不均匀性和区域间浓度比变化。,表6.26 工作区浓度和回风区浓度的比率,（2）不均匀分布理论计算,不均匀分布含尘浓度的公式为：,式中： -洁净室含尘浓度，pc/L； -送风含尘浓度，pc/L。可按下式计算：,式中： -系统中回风含尘浓度。,由于Nr M ，所以上式分子左边一项比右边一项小得多，故上式可写成：,-主流区发尘量与总发尘量之比； -涡流区到主流区的引带风量与送风量之比。,洁净室含尘浓度 通式的物理意义是：,在式(6-27)中

44、， 部分即为尘粒均匀分布条件下的含尘浓度。剩下部分令其为不均匀系数 。,则,由上式可以看出，按不均匀分布理论计算的含尘浓度等于按均匀分布理论计算的含尘浓度乘以不均匀系数。,为了便于计算，根据上述理论公式和实际使用条件，绘制成室内含尘浓度和换气次数关系曲线图，如图6-30所示，可查此图计算。,如果已知洁净室要求达到的含尘浓度，而求换气次数 。,即,图6-30 高效空气净化系统洁净室的N-n计算图,（3）不均匀分布系数 的确定,为了计算 ，首先要确定 和 这3个系数:, 值的确定，见表6-27。, 值的确定，对侧送风口,式中： -每个风口管的房间截面积(垂直于气流),m2 -风口当量直径，,对顶送

45、风口， 值可查阅表6-28。, 值的确定。,对于单向流洁净室，过滤器满布时，取 =0.02； 满布比为60时，取 =0.06； 满布比为40，取 =0.12。 对侧送风口，取 =0.50.7。,当确定这3个系数后，即可计算出 ，或根据 查特性曲线确定 ,或直接根据换气次数查表6-29确定 值。,表6-29 值（顶送风口）,在空气净化系统的计算中，过滤器的效率 ：,粗效过滤器： =0.10.2;中效过滤器： =0.30.4;玻璃纤维中效过滤器： =0.40.5;亚高效过滤器： =0.9;高效过滤器： 。,某高效空气净化系统的洁净室长、宽、高分别为6，5，2.5m，换气次数为30次/h，室内工作人

46、员为5人，新风比取30，试求室内可达到的洁净度等级。,（1）洁净室的人员密度q：,（2）单位容积发尘量 查图6-30得，,（3）送风含尘浓度 见式(6-32):,式中： -室外大气浓度，取 ； -回风比， 为新风比，本题取S=0.3; -新风道路上过滤器的总效率；,分别取,的效率，即,所以,（4）按均匀扩散理论计算含尘浓度 ：,（5）洁净室的含尘浓度 :,其中,式中不均匀系数,按表6-36，取,=1.19；,经查标准，该洁净室可以达到10000级。,则,6.5.4 洁净室的自净时间,自净时间是指空气净化系统运行后，室内含尘浓度从一个较高的数值下降到稳定值所需要的时间，这个时间越短越好。,从乱流

47、洁净室含尘浓度的瞬时式可以看出，任意时刻的含尘浓度Nt和时间t都是未知数，是不能直接求解自净时间的。,其表达式为：,高效空气净化系统洁净室， ,同时对于 的,情况，则, 所以上式可以简化为：,若Nt/N为比1稍大的数(如1.01,1.03等),可认为含尘浓度已经达到了稳定值，由上式可得：,-洁净室的原始含尘浓度,为了计算的方便,可取 。,3）不均匀分布理论计算法,即使在停机后污染极其严重条件下,如 ,在次条件下，当换气次数n=20次/h,自净时间t1h;换气次数n=30次/h,t40min。一般情况 ,自净时间应该为41、28、17min。,对于单向流洁净室，其自净时间极短。,根据测定，单向流

48、洁净室的自净时间一般超过30s,垂直单向流洁净室多在1min左右,水平单向流洁净室自净时间稍长，可达2min左右。,1.空气的热湿处理过程,（1）一次回风加再热热湿处理过程（夏季工况） 洁净空调系统的热湿交换过程显著特点：由于洁净空调系统的冷负荷一般为舒适性空调的23倍，送风量为604倍，这样洁净空调系统单位送风量所承担的冷负荷要比舒适性空调系统小得多。因此，洁净空调系统的送风温差也小得多，所以在id图上送风状态靠近室内状态且远离饱和曲线。 传统的一次回风再热空气处理是 完全能满足洁净空调系统功能要 求的，存在的问题是有一个冷热 能量抵消产生的能耗较大。为解 决这个问题，可采取二次回风处 理方

49、案。 图6.31 一次回风空气处理过程,6.5.5 洁净空调系统的热湿处理及其控制,（2）二次回风热湿处理过程（夏季工况） 采用二次回风方法完全能满足洁净空调系统室内温、湿度控制要求。二次回风系统的空气热湿交换过程如图6.32所示。,图6.32 二次回风空气热湿处理过程图,（3）冬季空气的热湿处理过程 冬季空气的处理过程主要是实现加热、加湿和对新风的预处理。冬季空气处理过程在id图上的表示，如图所示。 图6.33 冬季喷蒸汽与循环水喷淋2种处理方案,（4）空气热湿处理过程的讨论 对高温、高湿地区，湿球温度均达27，焓值在85kJ/kg，露点的焓差在45kJ/kg，若将新风直接处理至及其露点是比

50、较困难的，可先将新风与回风一次混合降低进风焓值，或把新风处理到某点，由除湿机除去湿负荷，降温后与回风混合使之达到送风状态。 对于干燥地区，可将新风直接处理到机器露点，再与循环风混合后即可送入室内。 而对于室外焓值在7085kJ/kg，露点焓差在3045kJ/kg的城市，可根据情况选取处理方案。 针对医院洁净空调的热湿处理，为了有效预防和控制呼吸道传染疾病的交叉感染和消除细菌滋生繁殖，要求空调机组的空气处理过程处于干工况下运行，即只要使盘管进水温度高于室内露点温度就可实现空调机组中换热盘管处在干工况。为了确保室内温湿度的控制，单靠调节进水温度是不可能达到室内温湿度控制的，还必须控制新风温湿度才能

51、实现上叙目标。,温湿度控制调节系统的任务是定时检测、跟踪各洁净场所的温、湿度、热、湿负荷并确定相应送风量；对空气的热湿交换过程实时监控，使实际送风参 数满足洁净室要求。 以洁净手术室为例阐 述控制系统的构成。 以下列举几种典型的 空气处理方案的控制 流程。夏季空气处理 控制流程如图所示。,2.洁净室温、湿度控制调节,夏季空气处理控制流程,图6.35 冬季空气处理控制流程,室内污染控制与洁净技术,1. 空气吹淋室,空气吹淋室（Air Shower）是人身或物料用净化设备。通常设置在洁净室人员的入 口处，它是利用 高速的洁净气流 吹落并带走附着 在人身服装或物 料表面上的尘和 菌，减少入室人 员的

52、带尘带菌量。,吹淋室结构形式 单人吹淋室,2.气闸室 气闸室是设置在洁净室出入口或不同空气洁净度等级房间之间，阻隔室外或相邻室污染气流和压差控制而设置的缓冲间。,6.6.1 空气吹淋室与气闸室,室内污染控制与洁净技术,1.洁净工作台,洁净工作台是指在操作台上保持局部空间形成无菌无尘高洁净度状态的局部净化设备。右图为普通型洁净工作台结构，通常为0.3um或0.5um，5级（100级）,2.生物安全柜,生物安全柜是专门进行有生物学危险性操作用的洁净设备，其作用主要是保护操作人员避免受到生物危害。生物安全柜的隔离对象主要有：一般病原体、癌病毒和重组基因中的活性物质等。,6.6.2 洁净工作台、生物安全柜,室内污染控制与洁净技术,1.风机过滤