洁净室设计中的几点分析

简介： 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。

Several Analysis In Cleanroom Design
ABSTRACT This 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：

　　《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＜200000）

　　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：

型号	特征尺寸 H×W×D（mm）	额定风量Q（m3/h）	Q/（H×W×D） （h-1）	初阻力 （Pa）
GB-01	484X484X220	1000	18182	执行1993年颁布的国标标准 A类≤190 B类≤220
GB-02	484X484X180	800	17778
GB-03	630X630X220	1500	17179
GB-04	630X630X180	1200	16797
GB-05	630X726X220	1500	14907
GB-06	484X968X220	2000	19404
GB-07	630X945X220	2250	17179
GB-08	630X1260X220	3000	17179
GB-09	610X610X150	1000	17916
GB-10	610X915X150	1500	17916
GB-11	610X1220X150	2000	17916
GB-12	320X320X260	500	18780
GB-13	600X820X220	1850	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：

　　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’是非常有必要的。

　　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

Q1	50%Q0	55% Q0	60% Q0	65% Q0	70% Q0	75% Q0	Q0
T1	3.5 T0	3.1 T0	2.7T0	2.4 T0	2.2 T0	1.9T0	T0
T1（年）	12.3	10.9	8.1	8.4	7.7	6.7	3.5

　　我们可以按照设计使用寿命10年，查表2选择55%额定风量作为设计风量来选择过滤器型号，由上面的分析可以知道按照高效过滤器的额定风量的百分比所选对应的过滤器的阻力必定相等。下面的主要任务变成了选择风量所对应的过滤器型号。下表3是作者经常使用的高效过滤器不同厚度、不同额定风量百分比下的风量（m3/h）。

表3高效过滤器不同额定风量百分比下的风量（铁框）

型号	特征尺寸 H×W×D（mm）	额定风量Q0（m3/h）	Q1=55%Q0	Q1/（H×W×D） （h-1）	初阻力 （Pa）
01型	484X484X220	1000	550	10672	执行1993年颁布的国标标准 A类≤190 B类≤220
	484X484X180	800	440	10435
	484X484X150	650	358	10174
	484X484X120	500	275	9783
02型	320X320X220	430	237	10498
	320X320X180	344	189	10265
	320X320X150	280	154	10026
	320X320X120	215	118	9623
03型	630X630X220	1700	935	10708
	630X630X180	1360	748	10470
	630X630X150	1105	608	10208
	630X630X120	850	468	9816

表4实际工程中的风量计算表

序号	名称	面积 ㎡	级别	换气次数（h-1）	送风量Q（m3/h）	过滤器型号 （H×W×D）	台数T	校核值Q1/（H×W×D）/T
1	换鞋	3.1	10万	15.0	120.9	320×320×120	1	9839
2	洗手	3.0	10万	15.0	117.0	320×320×120	1	9521
3	套衣	4.3	万	20.0	223.6	320×320×220	1	9925
4	物入	5.2	万	20.0	270.4	484×484×120	1	9619
5	实验室	11.6	万	20.0	603.2	630×630×150	1	10132
6	培养室	14.9	万	20.0	774.8	630×630×180	1	10845
7	种子室	8.7	万	20.0	452.4	484×484×180	1	10729
8	反应	27.0	万	40.0	4320.0	630×630×220	5	9895
9	缓冲	4.0	10万	15.0	156.0	320×320×150	1	10156

　　我们以表4为例，该风量计算表是实际工程中的一例，我们按照实际送风量查表3中55%Q0风量所对应过滤器型号，该选择过程是一个试算的过程，如果现有的过滤器型号在55%风量下均能满足所有房间的送风量的要求，则停止试算；如果仅有少数房间不能满足，则可以选择比设计值大的型号中风量最小的那一档；如果大多数不能满足，则需要重新选择过滤器的寿命并重新计算所选过滤器额定风量的百分比，如可以选择50% Q0或60% Q0，继续试算直到满足前两条要求。最后可以通过设计风量除以其相应的过滤器特征尺寸（H×W×D），看是否相近，不平衡率相差10%以内即可认为所选过滤器基本阻力平衡。表4中经过试算和校核，不平衡率在10%以内，达到设计要求。

为了便于清楚理解，特编制了图3流程图以供参考。

图3流程图

 

3 洁净室送风量的确定：

　　对于单个空调房间，洁净室的等级换气次数与热湿负荷所确定的换气次数进行比较，选择较大的换气次数即可；对于多个空调房间组成净化空调系统，每个房间的冷热负荷情况不一样，导致每个房间在该房间等级的换气次数下，所要求的送风状态点也不一样，而作为一个净化空调系统（净化空调系统的特点之一是经常不同级别的洁净室在同一个空调系统中）设计上要求必须有且仅有一个送风状态点，这时如果按满足主要操作间温湿度为前提，选择主要操作间的送风温差为系统送风温差，则往往主要操作间的冷负荷较大，因此所需的送风温差也较大，其它辅助房间的在其洁净等级换气次数下，会造成冷量过剩，房间过冷，给人以不舒适感；相反如果按满足大多数辅助房间（因为大多数辅助房间的冷热负荷较均衡）温湿度为前提，选择其送风温差（偏小）为系统送风温差，则往往主要操作间在大冷负荷的情况下，需要增加比洁净等级还要大的换气次数来满足操作间的温湿度，这样会给系统带来风量的增加，初投资也相应地加大。两种方式各有利弊，可以根据具体情况适当选择，或者可以两种方式混合使用，即送风温差选择一个两者之间的数值，以尽量满足设计和投资的要求。

表5实际工程中的风量计算表（室内设计温度tn=24±2℃）

序号	名称	送风量Qi（m3/h）	房间的冷负荷Ii（W）	送风温差△t=-ts（℃）	冷负荷送风量QLi	净化等级送风量QDi	冷负荷送风量与送风量相对偏差	室内温度校核
1	换鞋	120.9	31.9	1.9	49.9	120.9	-58.8%	22.9
2	洗手	117.0	30.9	1.9	48.3	117.0	-58.7%	22.9
3	套衣	223.6	44.2	1.9	69.1	223.6	-69.1%	22.7
4	物入	270.4	53.5	1.9	83.6	270.4	-69.1%	22.7
5	实验室	603.2	119.4	1.9	186.7	603.2	-69.1%	22.7
6	培养室	774.8	849.7	1.9	1328.3	774.8	71.4%	25.4
7	种子室	452.4	89.5	1.9	139.9	452.4	-69.1%	22.7
8	反应	4320.0	3247.5	1.9	5076.9	2160.0	17.5%	24.3
9	缓冲	156.0	48.8	1.9	76.3	156.0	-51.1%	23.0
0	∑	7038.3	4515.4	1.9（△tm）	7059.0	4878.3	0.3%	24.0

具体的计算步骤如下：

1、首先确定室内的设计温度tn±△（精度）。

2、计算净化空调系统中各个洁净室的冷负荷Ii，并计算∑Ii。

3、根据各洁净室净化等级确定送风量QDi，并计算∑QDi。

4、确定每一个洁净室内的送风量Qi，并令Qi的初始值为QDi，∑Qi=∑QDi。

5、根据∑Ii和∑Qi确定系统平均送风温差=tn-ts，并确定ts。

6、用公式判断∈tn±△的范围内吗？

⑴若所有洁净室均满足，则结束计算，得到了所求的计算风量。

⑵否之，则适当增加温度偏高的房间的换气次数，并回到4。

我们同样以表4的工程数据来计算，经试算后得到表5，通过该表的计算得到以下有益结论：1、尽量选用洁净等级送风量QDi作为洁净室的送风量，以减小系统风量。

2、在满足tn±△的范围的要求的情况下，尽量加大送风温差，即是换气次数最小。

3、从表4中可以看出，各个冷负荷送风量QLi与送风量Qi相对偏差在±50%~60%的情况下，只要送风状态点选择的合适，其洁净室的温度也能控制在精度±△范围内。尽管各个房间的两种计算方法中存在偏差（有正有负），但∑Qi和∑QLi应该是相等的，偏差小于1%。

为了便于清楚理解，特编制了图4流程图以供参考。

 

图4流程图

4 结论：

4.1高效空气过滤器是净化空调系统的满足净化等级的必备设备，正确地选择它，可以给过滤器带来合理的寿命，合理地控制净化空调系统的运行周期，并给净化系统的平衡调试带来方便。

4.2净化空调系统风量计算的特殊性，决定了同一个净化空调系统各个洁净室的温度不能达到同一个设定值，因此如何正确选择送风状态点，校核洁净室在所选风量的基础上的室内温度是否满足精度要求成为必然。

参考书目

(1)许钟麟著:洁净室设计.地震出版社,1994

(2)电子工业部第十设计研究院主编:空气调节设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，1995

(3)中华人民共和国信息产业部主编:GB50073-2001《洁净厂房设计规范》，中国计划出版社出版，2001

(4)中华人民共和国国家标准GB13554—92《高效空气过滤器》，1993-03-01实施

(5)许钟麟等.非额定风量对高效过滤器寿命的影响，洁净与空调技术，No1，6～８，1997