Что такое "чистое помещение"? Вентиляция чистых помещений: что нужно знать при проектировании Что представляет собой монтаж вентиляции чистых помещений
Raymond K. Schneider , старший консультант по чистым комнатам и руководитель компании «Practical Technology», США, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
Проектирование систем вентиляции и кондиционирования воздуха для чистых помещений обладает рядом особенностей. Ниже приведена статья известного американского специалиста в области чистых помещений г-на Raymond K. Schneider, где анализируются требования к системам вентиляции для помещений различных классов чистоты: от 1 до 9. Предлагаемые автором решения, основанные на его большом практическом опыте, заслуживают тщательного изучения и использования, где это возможно.
Системы кондиционирования воздуха для чистых комнат должны подавать очищенный воздух в определенном количестве для того, чтобы поддержать заданный уровень чистоты помещения. Воздух подается в чистые комнаты таким способом, чтобы предотвратить образование застойных зон, где могут оседать и накапливаться частицы пыли. Воздух также должен быть кондиционирован по температуре и влажности в соответствии с требованиями к параметрам микроклимата помещения. Кроме того, дополнительное количество кондиционированного воздуха подается в помещение для создания избыточного давления.
В настоящей статье рассматриваются вопросы проектирования систем кондиционирования воздуха чистых комнат. Для того чтобы упростить изложение материала, уровень поддержания чистоты в помещениях подразделен на три категории: жесткий, средний и умеренный (см. табл.).
Воздухообмен
Расчетная величина подачи очищенного воздуха максимальна для помещений с жестким режимом чистоты и снижается по мере снижения требований к очистке. Воздухообмен в помещениях, как правило, выражается либо через подвижность воздуха в помещении, либо через кратность (обм/ч).
Средняя подвижность воздуха в помещении обычно используется в том случае, когда воздух подается через фильтрующий потолок. В течение многих лет для наивысшего уровня чистоты принималась подвижность воздуха 0,46 м/с±20 %. Это основывалось на первых проектах чистых комнат, выполненных в рамках космических программ 1960–1970 гг.
В последнее время были проведены эксперименты с более низкими скоростями, которые показали, что подвижность воздуха в интервале 0,35–0,51 м/с±20 % является вполне допустимой, в зависимости от вида деятельности и установленного оборудования. Верхний предел подвижности воздуха соответствует высокой активности персонала и наличию оборудования с выделением пыли. Более низкие значения принимаются в том случае, если малочисленным персоналом выполняется сидячая работа и/или отсутствует пылевыделяющее оборудование.
Часто осведомленные заказчики, имеющие опыт работы с чистыми комнатами, задают значения подвижности воздуха на нижнем уровне. А заказчики и проектировщики-новички, не знающие о допустимости более низких скоростей, задают подвижность воздуха на верхнем конце шкалы. Не существует однозначно определенного среднего уровня подвижности воздуха или кратности воздухообмена, принятого в промышленности для чистых комнат согласно данной классификации. Единственным исключением является значение подвижности воздуха 0,46±0,1 м/с, определенное FDA (Food and Drug Administration – Управление по продуктам питания и лекарственным средствам, США) для стерильных зон в фармацевтической промышленности.
Чаще встречаются нормативные значения воздухообмена для чистых комнат со средним и умеренным уровнем чистоты воздуха. Для помещений со средним уровнем чистоты рекомендуемый воздухообмен – между 30 и 60 обм/ч, тогда как для умеренного уровня воздухообмен может быть снижен до 20 обм/ч. Проектировщик выбирает значение воздухообмена, руководствуясь своим опытом и представлением о выделении пыли в производственном процессе. В последнее время наметилась тенденция принимать более низкие значения воздухообмена; передовые проектно-строительные фирмы и расчетливые заказчики имеют удачный опыт работы при таких параметрах.
В практических рекомендациях Института микроклимата (IEST-CC-RP.012.1) имеется таблица рекомендуемых значений воздухообмена для каждого класса чистоты; аналогичные значения были позднее опубликованы в ISO 14644-1, раздел 4. Указанные данные приведены в таблице. Оба документа согласуются между собой и представляют совместные рекомендации проектировщиков, строителей и пользователей, проверенные годами успешной работы. Во всех этих документах ответственность за выбор параметров возлагается на «продавцов» и «покупателей» чистых комнат, таким образом, при пользовании вышеуказанными рекомендациями целесообразно соблюдать известную осторожность.
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Фильтры
Многие годы технология чистых комнат развивалась для обслуживания микроэлектронной промышленности. Потребность в высокой эффективности воздушных фильтров продиктована нуждами этой отрасли и связанных с ней производств. Фильтр ULPA (ультравысокой очистки), обладающий эффективностью 99,9995 % по частицам размером 0,12 микрон, успешно использовался в чистых комнатах с жестким режимом. Существуют фильтры более высокой эффективности, но они дорогие и не получили широкого распространения. Фильтры с эффективностью 99,99 и 99,999 % выпускаются несколькими производителями; опыт показывает, что они также могут применяться для жесткого режима.
Фильтры HEPA (высокоэффективной очистки) с эффективностью 99,97 % по частицам размером 0,3 микрон были «рабочей лошадкой» в индустрии чистых комнат в течение многих лет. Они до сих пор широко применяются в фармацевтической промышленности, где требования к чистоте воздуха еще более строгие.
Когда были проведены лабораторные испытания фильтров с точным подсчетом количества пропущенных частиц, оказалось, что фильтры HEPA/ULPA в основном пропускают фракцию 0,1–0,2 микрона. При этом была подтверждена паспортная эффективность фильтров по фракциям 0,12 и 0,3 микрона и обнаружена еще более высокая эффективность по частицам, которые крупнее и мельче указанных размеров. Для жесткого режима нормирования чистоты принято, задавая эффективность фильтра, указывать не величины 0,12 и 0,3 микрона, а размер частиц той фракции, которая фильтруется хуже остальных (MPPS). Значения MPPS немного варьируются у разных производителей фильтров. Задание эффективности по размеру частиц, фильтруемых хуже всего, некоторые проектировщики и изготовители считают наиболее удобным.
Большинство чистых комнат с жестким и средним режимом оборудованы фильтрами в потолке. Фильтры могут быть сгруппированы и присоединены к общему модулю приточной системы, что облегчает установку в потолке, либо могут устанавливаться по отдельности, с индивидуальными приточными воздуховодами. Такое размещение, напоминающее перевернутую букву «Т», образует ячеистую структуру под потолком. При этом фильтры тщательно уплотняются в корпусе для предотвращения пропуска неочищенного воздуха. Кроме того, до сих пор применяются и фильтры, встроенные в приточные камеры. Однако вытесняющие их модульные схемы позволяют лучше обеспечить регулирование параметров и подвижности воздуха.
Широкое распространение получили блоки «фильтр-вентилятор». В некоторых конструкциях фильтр бывает сменным, в других случаях по истечении срока службы заменяется весь блок. К поставке предлагаются различные типоразмеры для встраивания в ячеистую структуру. Вентиляторы комплектуются электродвигателями, рассчитанными на разное напряжение, что позволяет использовать различные схемы электроснабжения. Некоторые сложные системы регулирования предусматривают возможность индивидуальной регулировки каждого блока, регистрации энергопотребления, подачи сигналов о неисправности электродвигателей, регулирования групп фильтр-вентиляторов и изменения скорости вращения вентиляторов по времени суток. Блоки «фильтр-вентилятор» применяются для всех классов чистых комнат.
Фронтальная скорость воздуха для потолочных фильтров может быть от 0,66 до 0,25 м/с, в зависимости от проекта. Поскольку система с ячейковым размещением фильтров типа «Т» занимает 20 % площади потолка, то фронтальная скорость фильтров 0,51 м/с соответствует средней скорости в рабочей зоне помещения 0,41 м/с.
Установка фильтров HEPA/ULPA непосредственно в потолке чистых комнат продиктована намерением свести к минимуму или вообще исключить возможность накопления пыли на каких-либо поверхностях (например, на стенках воздуховодов) по ходу воздуха от фильтра к чистой комнате. Удаленное размещение фильтров HEPA характерно для чистых комнат умеренного режима, так как количество частиц, попутно сдуваемых со стенок воздуховодов после фильтров, находится в допустимых пределах. Исключением являются ситуации, когда стандартная система кондиционирования воздуха, не сертифицированная для чистых комнат, переоборудуется для этой цели в соответствии со стандартом ISO 14644. В этом случае все воздуховоды после фильтров должны быть тщательно очищены.
Для чистых комнат умеренного режима часто используются вентиляторные блоки или смесительно-распределительные камеры с фильтрами HEPA на стороне нагнетания. При этом фронтальная скорость воздуха в фильтрах HEPA достигает 2,54 м/с, что соответствует большему перепаду давлений, чем при потолочной установке. Аэродинамическое сопротивление чистого фильтра HEPA размером 600х600 мм составляет 375 Па при фронтальной скорости 2,54 м/с. При потолочной установке фронтальная скорость равна 0,51 м/с, аэродинамическое сопротивление – 125 Па.
Циркуляция воздуха в чистых комнатах
Воздух, поступающий в чистое помещение после очистки в фильтрах HEPA и ULPA, практически не содержит взвешенных частиц. Подача воздуха в помещение производится с двоякой целью. Во-первых, «растворение» (уменьшение концентрации) пылевых загрязнений, возникающих вследствие пребывания людей и выполнения производственных процессов. Во-вторых, захват и унос указанных загрязнений из помещения.
Известно три типа циркуляции воздуха в помещениях:
1. Однонаправленное упорядоченное течение (ранее называемое «ламинарным»), когда линии тока всех воздушных струй параллельны.
2. Неупорядоченное течение (ранее называемое «турбулентным»), когда линии тока не параллельны.
3. Смешанное течение, когда в одной части помещения воздушные струи могут быть параллельны, а в другой части – нет.
В чистых комнатах с жестким режимом, как правило, используется однонаправленное течение. Это достигается путем установки фильтров HEPA/ULPA по всей площади потолка и устройства фальшпола с перфорацией. Воздух движется вертикально от потолка к полу, удаляется через перфорацию в вытяжную камеру под полом. Затем рециркуляционный воздух по периферийным рециркуляционным воздуховодам вновь подается в помещение.
Если чистое помещение узкое (4,2–4,6 м), вместо фальшпола используются настенные вытяжные решетки, установленные внизу. Воздух подается сверху и движется вертикально до уровня 0,6–0,9 м, затем поток растекается по направлению к решеткам. Такая циркуляция считается приемлемой для помещений с жестким режимом, особенно в тех случаях, когда имело место переоборудование помещения под чистую комнату при наличии запыленности в верхней зоне.
В помещениях с упорядоченной циркуляцией размещение мебели и оборудования оказывает влияние на структуру воздушного потока. Для уменьшения влияния этих предметов на чистоту помещения необходимо размещать их таким образом, чтобы не образовывались застойные зоны с накоплением пыли.
Неупорядоченное движение воздуха часто бывает в чистых комнатах среднего режима. HEPA фильтры размещены равномерно по поверхности потолка. Поток воздуха в целом направлен сверху вниз. Однако направленность отдельных струй различна и не укладывается в определенную схему. В то время, как приточный воздух практически не содержит взвешенных частиц, их появление и накопление в рабочей зоне чистых комнат зависит от количества частиц, генерируемых в самом помещении; от снижения концентрации пыли за счет воздухообмена; интенсивности уноса частиц из рабочей зоны. В целом можно сказать, что чем больше воздухообмен, тем чище воздух в помещениях среднего режима, однако структура воздушных потоков в помещении также играет определенную роль.
Схема удаления воздуха для помещений с неупорядоченной циркуляцией очень важна. В таких помещениях широко распространены настенные вытяжные решетки. Они должны быть равномерно распределены по периметру помещения. Это требование может вступить в противоречие с принятой схемой размещения оборудования вдоль стен. По возможности оборудование следует отодвигать от стен, чтобы воздух мог проходить за ним. Целесообразно также приподнимать оборудование над полом, ставя его на помост, чтобы воздух проходил снизу. В большинстве случаев проектировщики чистых комнат стремятся направить поток воздуха от рабочей поверхности стола к полу и затем – к низким вытяжным решеткам. При такой схеме частицы удаляются из помещения и направляются к фильтрам, где и улавливаются. Исключением могут быть такие случаи, когда частицы загрязнений генерируются оборудованием выше рабочей зоны. Тогда следует использовать какие-либо устройства для улавливания удаления и частиц вверху. В общем же случае рекомендуется использовать схему воздухораспределения «сверху-вниз».
В помещениях со средним уровнем чистоты существует разумная практика ограничивать горизонтальные участки воздушных потоков. Рекомендуемые значения горизонтальных участков не более 4,2–4,8 м. Таким образом, в комнате шириной не более 8,4–9,6 м допустимо установить вытяжные решетки по периметру стен. Такое ограничение продиктовано опасением вторичного загрязнения при осаждении или ином переносе частиц в рабочую зону из протяженных горизонтальных потоков.
В более широких помещениях принято устанавливать вытяжные решетки и воздуховоды в коробах, монтируемых вдоль колонн. Если в помещении нет колонн, создаются вертикальные шахты из подходящего материала.
В помещениях умеренного режима чистоты с удаленной установкой фильтров HEPA могут быть использованы стандартные потолочные воздухораспределители систем кондиционирования. Схема циркуляции воздуха также аналогична принятой в кондиционируемых помещениях.
Согласно существующей в практике для чистых комнат схеме циркуляции «сверху вниз», здесь также рекомендуется нижняя установка настенных вытяжных решеток. При размещении вытяжных решеток наверху в рабочей чистой зоне могут образовываться области с высокой концентрацией взвешенных частиц, особенно в период интенсивной работы. В известных случаях установки потолочных вытяжных решеток в чистых комнатах умеренного режима успех был обусловлен, скорее всего, низким уровнем генерации частиц в помещении, а не эффективностью системы воздухораспределения.
Циркуляция смешанного типа используется в том случае, когда в одном и том же помещении выполняются работы с критическими и некритическими требованиями к чистоте воздуха. Если невозможно обеспечить выполнение работ с критическими требованиями в отдельном помещении, то может быть использована общая чистая комната с зонированием по чистоте. Зоны создаются путем соответствующей группировки потолочных фильтров. В зоне с критическими условиями по чистоте количество фильтров больше, в зоне с некритическими условиями – меньше. Кроме того, подача приточного воздуха может осуществляться таким образом, чтобы он сначала по воздуховодам подавался в критическую зону, а затем поступал в остальную часть помещения. В зависимости от высоты чистой комнаты может быть также установлено укрытие из плексигласа высотой 0,6 м либо пластиковая занавеска, не доходящая до пола на 304–457 мм.
Направление потоков удаляемого воздуха регулируется соответствующим размещением вытяжных решеток таким образом, чтобы предотвратить перенос загрязнений по помещению. Фальшпол с установленным под ним сборным коллектором удаляемого воздуха будет в данном случае весьма эффективным. Однако применению такого решения может воспрепятствовать ограниченный бюджет заказчика, который выбирает проект зонированной чистой комнаты со смешанной циркуляцией именно из-за его дешевизны.
Недостатком неупорядоченной циркуляции воздуха в чистых комнатах является появление областей с высокой запыленностью. Такие области могут существовать ограниченное время, затем исчезать. Это происходит при взаимодействии воздушных потоков, возникающих в результате производственной деятельности, и неупорядоченных приточных струй. Предпринимались попытки воспроизвести однонаправленную циркуляцию путем устройства подшивного потолка-воздухораспределителя и создания зоны повышенного давления между основным и подшивным потолком. Для этого были использованы перфорированный пластик или алюминиевые панели и экран, выполненный из тканых и нетканых материалов.
В результате в помещении сформировался упорядоченный однонаправленный поток со скоростями значительно более низкими, чем в чистых комнатах с жестким режимом. Эффект вытеснения, создаваемый потоком приточного воздуха, препятствует образованию областей с повышенной запыленностью и в целом позволяет добиться более высокого уровня чистоты. Указанный результат, как было отмечено выше, достигается при более низкой подвижности воздуха, чем указано в нормативах для жесткого и среднего режима чистоты (рис. 1).
Тепловая нагрузка
Доля явного тепла в тепловой нагрузке чистых комнат обычно превышает 95 %. Как правило, требуется круглогодичное охлаждение, так как в помещение поступает тепло, выделяемое технологическим оборудованием и электродвигателями циркуляционных вентиляторов. Небольшая доля скрытых тепловыделений создается за счет присутствия персонала. Для каждой чистой комнаты разрабатывается уникальный проект, поэтому все факторы, влияющие на тепловую нагрузку, должны быть тщательно проанализированы.
В помещениях с жесткими и средними уровнями чистоты значительная часть приточного воздуха не обрабатывается кондиционерами – это рециркуляционный воздух. Требуемый отвод явного тепла осуществляется в смесительно-распределительных камерах, где часть общего потока охлаждается в поверхностных теплообменниках и затем возвращается в общий поток к рециркуляционным вентиляторам (рис. 2). Температура воздуха на входе в чистые комнаты с жестким режимом может быть лишь на несколько градусов ниже, чем температура удаляемого воздуха, ввиду большого объема притока. Такой перепад температур позволяет использовать потолочную установку фильтров HEPA/ULPA с подачей воздуха сверху вниз без нарушения требований комфорта для работников.
В помещениях с умеренным режимом чистоты требования к воздухораспределению в помещении в некоторых случаях такие же, как в обычных охлаждаемых помещениях. Так, перепад температур приточного и удаляемого воздуха может составлять 8–11 °C. В этих случаях используются стандартные потолочные воздухораспределители или другие средства, предохраняющие от неприятного дутья и обеспечивающие комфортные условия в помещении.
Подача наружного воздуха
Приток наружного воздуха необходим для компенсации вытяжки и эксфильтрации, которая всегда имеет место в чистых помещениях с избыточным давлением. Наружный приточный воздух стоит дорого, так как перед подачей в чистые комнаты его необходимо не только очистить, но и подвергнуть температурно-влажностной обработке. Поскольку полностью отказаться от подачи наружного воздуха невозможно, по соображениям общей экономии и энергосбережения его количество должно быть сведено к минимуму.
Давление воздуха в чистых комнатах обычно бывает повышенным по отношению к окружающим помещениям. Как правило, рекомендуется перепад давлений на уровне 12 Па. Более высокое избыточное давление вызывает свистящий шум в щелях и затруднения при открывании дверей. В блоках чистых помещений с разными классами чистоты принято поддерживать перепад давлений 5 Па между смежными помещениями, при этом в помещении с более высоким классом чистоты поддерживается более высокое давление.
Количество наружного воздуха определяется путем суммирования объема вытяжки по всем производственным процессам и увеличения полученной кратности на 2 обм/ч. Эта полуэмпирическая величина – проверенное практикой расчетное количество воздуха для подбора оборудования системы кондиционирования. Фактическое количество наружного воздуха будет переменным, в зависимости от открывания дверей, утечек и реального графика работы вытяжки.
Кондиционер наружного воздуха предназначен для приведения его параметров в соответствие с нормативами для чистых комнат. Это означает, что должна быть возможность очистки воздуха, предварительного подогрева, охлаждения, повторного подогрева, осушения и увлажнения.
В чистых комнатах с жестким режимом часто делают три ступени очистки наружного воздуха: предварительная – фильтр ASHRAE с эффективностью 30 %, промежуточная – фильтр с эффективностью 95 %, окончательная – фильтр HEPA. В чистых комнатах со средним и умеренным режимом как правило бывает две ступени очистки: предварительная (30 %) и окончательная (95 %). Из названия понятно, что фильтр окончательной очистки ставится на выходе из кондиционера.
Предварительный подогрев необходим в том случае, когда температура наружного воздуха зимой опускается ниже 4 °C. Если температура точки росы воздуха в чистой комнате ≥5,6 °C, в поверхностном теплообменнике осуществляется охлаждение и осушение приточного воздуха. Поскольку работники в чистых комнатах с жестким режимом всегда носят спецодежду, температура воздуха по сухому термометру может поддерживаться не выше 19 °C, при этом минимальное значение относительной влажности для настройки регуляторов составляет 40 %. Второй подогрев необходим для того, чтобы повысить температуру приточного воздуха после охлаждения и осушения в теплообменнике. При расчете количества тепла на второй подогрев учитываются теплопоступления от рециркуляционных вентиляторов. Это существенная величина для чистых комнат с жестким режимом.
Снижение температуры поверхности теплообменника до такого уровня, который необходим для поддержания в помещении температуры точки росы ниже 5,6 °C, может вызвать затруднения. Когда требуется осушение приточного воздуха ниже 40 % относительной влажности, обычно применяют различные влагопоглощающие вещества.
В описываемой здесь системе на кондиционер наружного воздуха возложена нагрузка, связанная со скрытой теплотой и влаговыделениями в помещении. Предполагается, что параметры приточного воздуха соответствуют требованиям по ассимиляции скрытых тепловыделений, вносимых персоналом помещения, и влагопоступлений через ограждения чистой комнаты. Предполагается также, что нагрузка по скрытому теплу более или менее постоянна. Эти допущения должны проверяться для каждого конкретного проекта. Необходимо учитывать условия в помещениях, окружающих чистую комнату, параметры наружного климата, возможность влаговыделений от производственных процессов в помещении.
В чистых комнатах малого объема с небольшой потребностью в наружном воздухе охладители рециркуляционного воздуха в смесительно-распределительных камерах, рассмотренные выше, могут использоваться и для обработки наружного воздуха. В этом случае обрабатывается смесь наружного и рециркуляционного воздуха. Пропорция между этими составляющими приточного воздуха регулируется смесительными клапанами в зависимости от давления в чистой комнате. Если давление падает, клапан наружного воздуха открывается, а рециркуляционный – прикрывается. Воздух от смесительно-распределительных камер поступает к циркуляционным вентиляторам.
В чистых комнатах с умеренным режимом общее требуемое количество приточного воздуха может быть близко к расходу кондиционированного воздуха. В этом случае дополнительные циркуляционные вентиляторы не устанавливаются, перемещение воздуха по системе выполняется только вентиляторами одного или нескольких кондиционеров.
| Таблица | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Новая классификация чистых комнат по ISO показана слева. Также приведена классификация по Федеральному стандарту США 209Е в англо-американской и метрической системе единиц. Колонка «Рекомендации» содержит три категории согласно классификации автора данной статьи. Отметим, что «Класс 100» может быть отнесен к жесткому режиму, когда проектом предусмотрена упорядоченная циркуляция, либо к среднему режиму, если проектируется неупорядоченная циркуляция для некритических условий. В двух колонках справа приведены рекомендации по подвижности воздуха в помещении (фут/мин) и воздухообмену (обм/ч) для среднего и умеренного режимов. |
Выводы
В нормативных документах по проектированию чистых комнат прослеживается тенденция возложить на проектировщика функции генерального эксперта, способного выполнить все пожелания заказчика (насколько они ему известны). В руководствах обычно используется выражение «вопрос соглашения между покупателем и продавцом», для того чтобы вовлечь заказчика в процесс принятия решения, так как каждый разработчик может предложить свой вариант проекта. Эффективность принципа проектирования, рассмотренного в настоящей статье, доказана на практике; такой подход, по мнению автора, позволяет согласовать технические требования и возможность их реализации. Данные рекомендации, как и любые другие, должны быть адаптированы в каждом случае к конкретным условиям применения.
Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE .
Перевод с английского О. П. Булычевой .
Научное редактирование выполнено канд. техн. наук А. П. Иньковым
Табл. 2. Оптимальная схема подбора фильтров, используемая в Швейцарии, для классов чистых помещений по ИСО 14644-1 (ГОСТ Р ИСО 14644-1)
К настоящему времени инженерной практикой выработаны типовые решения, следование которым позволяет избежать неточностей и обойтись без лишних капитальных и эксплуатационных затрат. Эти типовые решения относятся к:
- принципам построения систем вентиляции и кондиционирования;
- определению необходимых структуры и параметров кондиционера;
- выбору числа ступеней фильтрации и типов фильтров;
- определению кратности воздухообмена;
- обеспечению необходимого температурно-влажностного режима в помещении;
- созданию теплового комфорта для персонала.
Опыт Лаборатории испытаний чистых помещений фирмы «Инвар» при аттестации проектов (стадия DQ) и построенных чистых помещений (стадии IQ, OQ и PQ) выявил и характерные ошибки.
Исходные данные при проектировании системы вентиляции и кондиционирования
Перед началом проектирования следует четко сформулировать ее назначение и определить исходные данные. Ошибки и неточности на данном этапе приведут к неправильному выполнению всей работы. К таким исходным данным относятся:
- требования к чистоте воздуха, а для чистых помещений — задание класса чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1 или ГОСТ Р 52249;
- параметры микроклимата для технологического процесса (температура и влажность с допустимыми пределами отклонений);
- число работающих в помещении;
- выделение тепла и влаги от оборудования и процессов;
- выделение вредных веществ;
- площади и высоты помещений;
- требования технологии, исходя из особенностей технологических процессов и выполняемых, применяемых материалов и выпускаемой продукции;
- перепады давления между помещениями и скорости воздушных потоков (при необходимости).
Структура систем вентиляции и кондиционирования
В системе вентиляции и кондиционирования участвует несколько типов потоков воздуха:
- вытяжной — воздух, выходящий из помещения через систему принудительной вентиляции. Часть вытяжного воздуха (L в) может удаляться непосредственно в атмосферу местными вытяжками, часть поступать в рециркуляцию;
- наружный — атмосферный воздух, забираемый системой вентиляции и кондиционирования для подачи в обслуживаемое помещение, L н;
- приточный — воздух, подаваемый в помещение системой вентиляции и кондиционирования, L п;
- рециркуляционный — воздух, подмешиваемый к наружному и вновь направляемый в систему вентиляции, L р;
- удаляемый — воздух, забираемый из помещения и больше в нем не используемый, L у.
Следует учитывать также утечки воздуха из помещений с повышенным давлением (эксфильтрация воздуха, L э) и инфильтрацию воздуха в помещение с пониженным давлением, L и. Простейшей схемой вентиляции и кондиционирования воздуха является прямоточная система, когда в помещение подается 100 % наружного воздуха (рис. 1). Эта система неэкономична, поскольку весь поступающий в помещение воздух проходит полный цикл подготовки — от параметров наружного воздуха до требуемых параметров воздуха чистого помещения. Для этой системы характерны высокие показатели энергозатрат и сниженный срок службы фильтров.
где i — номер помещения. В определенной степени улучшить показатели этой системы позволяет рекуперация тепла (рис. 2). За счет рекуперации достигается экономия энергии на нагрев до 60 %.
L н = L п = ΣL пi = ΣL вi = ΣL вi + L э, L у = ΣL вi ,
где i — номер помещения. Прямоточные системы, ввиду их неэкономичности, применяются только там, где они необходимы и где недопустима рециркуляция воздуха (работа с вредными веществами, опасными патогенными микроорганизмами), гл. 17 . Там, где это возможно, применяются системы с рециркуляцией, что позволяет снизить энергозатраты в несколько раз по сравнению с прямоточными системами. Пример одноуровневой системы с рециркуляцией показан на рис. 3.
L в = ΣL вi , L у2 = ΣL вмi ,
L п = L н + L р = ΣL пk , L у = L y1 + L y2 = L в - L p + L y2 = ΣL вi - L p - ΣL вмi , L p = L в - L у1 ,
где L вмi — расход воздуха местной втяжной установки из i-го помещения; L вi — расход воздуха, подаваемого в кондиционер из i-го помещения. В условиях холодной зимы или жаркого лета, а также при обслуживании чистых помещений несколькими кондиционерами применяется двухуровневая система. В ней наружный воздух готовится до определенных параметров в отдельном (центральном) кондиционере, а затем подается в рециркуляционные кондиционеры (рис. 4).
Широкое применение находят местные фильтровентиляционные или рециркуляционные установки (рис. 5) для создания зон с однонаправленным потоком воздуха, например, в операционных и других критических зонах. Приводимые схемы дают общий подход к проектированию систем вентиляции и кондиционирования, они не охватывают всего многообразия вариантов принципиальных решений, которые в каждом конкретном случае должны разрабатываться исходя из поставленной задачи при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах.
Указанные выше типы потоков воздуха должны определяться для каждого помещения и системы в целом. На этой основе рассчитывается баланс воздухообмена, результаты которого оформляются в виде таблицы и наносятся на принципиальную схему вентиляции и кондиционирования воздуха (рис. 6). Для регулирования баланса воздухообмена целесообразно устанавливать клапаны на притоке и вытяжке.
Смысл построения баланса воздухообмена состоит в проверке того, что суммарный объем воздуха, поступающего в помещение, должен равняться суммарному объему воздуха, удаляемого из помещения. Нарушение этого условия ведет к невозможности обеспечения требуемых перепадов давления, трудности открывания и закрывания дверей и пр. Для чистых помещений это играет особую роль, поскольку необходимо поддерживать различное давление в разных помещениях.
В таблице баланса воздухообмена суммарный расход приточного воздуха и суммарный расход удаляемого воздуха должны быть равны для каждого помещения (по каждой строке таблицы). Для каждого чистого помещения выполняется расчет приточного и вытяжного воздуха, а также учитываются утечки воздуха (эксфильтрация — утечка воздуха в помещения с более низким давлением, инфильтрация воздуха — поступление воздуха из помещения с более высоким давлением). Основные исходные данные для разработки проекта системы вентиляции и воздуха чистых помещений:
- планировочные решения с указанием классов чистоты и перепадов давления;
- назначение чистых помещений (чистых зон): защита продукта и процесса, защита персонала и окружающей среды;
- выделение вредных веществ;
- выделение тепла и влаги от оборудования;
- численность персонала;
- характеристика климата района строительства.
Расход наружного воздуха рассчитывается из необходимости:
- выполнения санитарно-гигиенических норм;
- компенсации удаляемого воздуха (как из отдельных помещений за счет работы вытяжных установок, так и удаляемого через систему кондиционирования);
- компенсации утечек из-за разности давления в чистых помещениях и окружающей среде.
Расход наружного воздуха для всей системы вентиляции равен сумме расходов воздуха для каждого помещения. Расход воздуха для отдельного помещения равен сумме объемов воздуха, удаляемого местными вытяжными установками, и потерь из-за утечек. Эта сумма не должна быть меньше минимального расхода наружного воздуха по нормативным документам.
Расчет приточного воздуха для каждого помещения
Приточный воздух выполняет следующие функции:
- обеспечение требуемого класса чистоты;
- обеспечение требований по микробиологической чистоте воздуха там, где они предъявляются;
- подача требуемого количества наружного воздуха;
- удаление избытков теплоты и влаги и поддержание требуемых параметров микроклимата в помещении;
- компенсация утечек воздуха из-за перепадов давления.
На требуемую кратность воздухообмена влияют все перечисленные выше функции приточного воздуха. По каждой из них определяется необходимая кратность воздухообмена и наибольшее значение закладывается в проект. Рассмотрим каждую из перечисленных функций.
Класс чистоты
Обеспечивается за счет многоступенчатой фильтрации воздуха и выбора фильтров соответствующих классов, заданием скорости воздушного потока (для однонаправленного потока воздуха), кратностью воздухообмена.
Кратность воздухообмена
Задает расход воздуха для чистых помещений классов 6-9 ИСО (зоны В, С, D). Для зоны А расход воздуха определяется скоростью однонаправленного потока. Существует несколько подходов к определению кратности воздухообмена для обеспечения чистоты:
- использование различных рекомендаций, стандартов и правил;
- расчетный метод.
Удаление избытков теплоты и влаги
Технологическое оборудование и персонал выделяют тепло и влагу, которые нужно удалять с помощью системы вентиляции и кондиционирования. Обеспечение необходимого микроклимата с поддержанием температуры и влажности — важное условие обеспечения нормальной работы персонала в чистых помещениях. Кроме того, отдельные технологические процессы (например, фотолитография в производстве микросхем) предъявляют жесткие требования к температуре и влажности.
Компенсация работы вытяжных установок
Определяется суммарный объем вытяжного воздуха для данного помещения. Частное от деления его на объем помещения дает кратность воздухообмена, необходимую для компенсации вытяжек.
Компенсация утечек
Перепад давления между различными помещениями вызывает эксфильтрацию (утечку) воздуха из помещения через щели в притворах дверей и разного рода неплотности. Величина утечки должна быть рассчитана для каждого помещения и учтена в балансе воздухообмена. Утечка воздуха должна быть компенсирована равным количеством наружного воздуха в подаваемом приточном воздухе. В балансе воздухообмена должна учитываться и инфильтрация воздуха, т.е. поступление воздуха из соседних помещений.
Кратности воздухообмена в помещениях общего назначения
В таких помещениях расчет кратности воздухообмена выполняется в соответствии с санитарными нормами и по расчетам избытков тепла и влаги. В западных странах используются следующие значения кратностей воздухообмена (данные фирмы Airflow, Англия) для некоторых помещений (табл. 1).
Выбор типов фильтров
Обычно системы подготовки воздуха для чистых помещений выполняются трехступенчатыми:
- первая ступень: фильтр средней эффективности типа F для защиты кондиционера от загрязнения;
- вторая ступень: высокоэффективный фильтр типа F для обеспечения чистоты в воздуховодах;
- третья ступень: HEPA или ULPAфильтр для обеспечения гарантированно высокого качества воздуха, поступающего непосредственно в чистые помещения.
Кроме того, использование трехступенчатой системы фильтрации воздуха гарантирует длительный срок эксплуатации для HEPA и ULPA фильтров. Рекомендации по оптимальному подбору фильтров представлены в табл. 2.
Характерные ошибки
Классы чистоты
Самым распространенным заблуждением является требование производства нестерильных лекарственных средств в чистых помещениях. Оно порождено пресловутым и безграмотным ОСТом 42-510-98 и предшествующими ему документами того же сорта. Нигде в мире нет требования выпускать нестерильные формы в чистых помещениях! Единственный документ, где приведены конкретные данные по чистоте приточного воздуха при производстве твердых форм — это Руководство Международной организации инженеров фармацевтической промышленности (ISPE).
Оно содержит рекомендации по эффективности финишных фильтров для различных стадий технологического процесса. В мировой практике эти рекомендации используются широко без специфицирования классов чистоты. Никто не запрещает использовать и чистые помещения, причем многие специфицируют производство твердых форм в зонах D, и жидких нестерильных форм — в зонах С. Но какой путь выбрать — применять чистые помещения или просто ограничиться определенным уровнем чистоты приточного воздуха и качеством ограждающей конструкции — дело самого заказчика.
Этой логике следуют Правила GMP ЕС (ГОСТ Р 52249) и руководства США. Если кто-то захочет понудить предприятие применять необязательный класс чистоты, то мы рекомендуем простое и эффективное средство: юридически оформить это принуждение так, чтобы затраты на него нес сам инициатор. Никакие доводы (навроде «так делают наши «передовые» соседи») приниматься во внимание не должны.
Широко распространено и завышение классов чистоты в стерильном производстве. Следует иметь в виду еще один фактор. Иные проектные организации искусственно завышают классы чистоты и размеры чистых зон. Стоимость проекта и гонорар исполнителей прямо зависят от классов чистоты и объемов затрат. В практике автора встречался проект, в котором выделение частиц персоналом было завышено в 100 раз!
Неоправданно жесткие требования к температуре и влажности
Встречаются, например, требования поддерживать температуру воздуха 22 °С с точностью ±1 °С и влажности в пределах 45-50 % без обоснований со стороны технологического процесса. Простое расширение пределов регулирования параметров микроклимата в рамках существующих норм позволяет существенно упростить всю систему.
Неоправданное применение прямоточных систем
Раньше, в условиях затратного механизма государственного финансирования, широко применялись прямоточные системы, даже там, где они не были нужны. В мировой практике рециркуляция воздуха применяется везде, где это допустимо с точки зрения безопасности. В противном случае рециркуляция зимой нагревает наружный воздух, а летом его охлаждает, т.е. существенные затраты вылетают буквально в трубу.
Завышение кратности воздухообмена Неправильный выбор фильтров
В проектах часто предусматривают низкие классы фильтров (например, G3) на первой ступени фильтрации. Это увеличивает пылевую нагрузку на фильтры последующих ступеней и сокращает их срок службы.
Отсутствие принципиальной схемы и таблицы балансов воздухообмена
Без них судить о проекте нельзя. Их разработка обязательна. Указанные ошибки являются характерными примерами и не исчерпывают весь перечень встречающихся на практике недочетов.
Навигация по тексту:
Вентиляция в таких комнатах, как операционная, необходима для поддержания санитарно-гигиенических условий. Чистые помещения – это такая среда, где отсутствуют микроорганизмы и вредные вещества, пагубно влияющие на здоровье человека. Именно в таких условиях изготавливают лекарственные средства, оперируют и лечат больных, переливают кровь, производят часы и оптику, собирают микроэлектронику, занимаются обработкой еды. Обеспечение и поддержание санитарно-гигиенических условий, а также контролируемого климата в таких помещениях играют особо важную роль. Благоприятный микроклимат осуществляется с помощью вентиляционных систем. При этом вентиляция в чистых помещениях не должна быть стандартной. Выбор такого климатического устройства зависит от функциональной нагрузки, размера и класса чистоты. Последнее представляет собой определенные требования по уровню содержания частиц и примесей в воздухе.
Чистые помещения разделяются на три класса, различающиеся по количеству микроорганизмов на единицу объема:
Вентиляция в чистых помещениях уменьшает распространение микроорганизмов, подает чистый воздух, предотвращает поступление загрязненного воздуха, контролирует уровень температуры и влажности. Наиболее эффективной системой раздачи воздуха считается устройство фильтров по всему периметру площади потолка. Как правило, чистые помещения делят на четыре основных вида, в каждом из которых по-разному осуществляется поток воздуха:
- Чистое помещение с многонаправленным потоком воздуха. Этого можно добиться с помощью обычной вентиляции, которая отличается классическим методом подачи через распределители воздуха.
- Чистое помещение с однонаправленным потоком воздуха. Этот вид предполагает подачу чистого воздуха с помощью системы фильтров с сохранением направления движения. Такой поток также называют «ламинарным», при котором обеспечивается большое значение воздухообменов с малой скоростью (0,3 м/сек через всю зону).
- Чистое помещение со смешанным потоком. В местах, где продукт подвергается загрязнению, устанавливается лабораторный шкаф с однонаправленным потоком.
Системы приточной и вытяжной вентиляции чистого помещения
К чистым помещениям относятся те, где собирают микроэлектронику, изготавливают лекарства, производят часы. В этих помещениях микроклимат должен быть стабильным
Приточная вентиляция чистого помещения осуществляет подачу чистого воздуха в помещение с заданными параметрами для благоприятного микроклимата. Такая система вентиляции обрабатывает и очищает воздух перед подачей, регулирует уровень влажности и температуры. Вытяжная вентиляция чистого помещения удаляет загрязненный воздух, обеспечивает необходимую кратность воздухообмена, поддерживает в определенных местах помещения отрицательное давление.
Специалисты нашей компании «Вент-м» имеют необходимые знания и практические навыки для работ по установке вентиляции в чистых помещениях. Учитывая все особенности таких помещений, они выбирают определенный вид устройства и устанавливают его на высоком уровне качества.
