潔凈室的類型及原理
潔凈室是特殊的房間，該房間內(nèi)的空氣懸浮粒子濃度、空氣溫度、濕度、壓力等參數(shù)均需要控制。并且它應(yīng)有減少粒子的誘入、產(chǎn)生及滯留之功效。這就需要通過(guò)良好的氣流組織，行之有效的壓差控制，符合工藝要求的潔凈室形狀及裝修材料，嫻熟的施工技術(shù)，科學(xué)的運(yùn)行管理等各個(gè)方面的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。
按用途分類，潔凈室可分為工業(yè)潔凈室和生物潔凈室兩類。
4.1工業(yè)潔凈室
主要控制無(wú)生命的微粒對(duì)操作對(duì)象的污染。應(yīng)用領(lǐng)域主要有宇航工業(yè)，精密機(jī)械加工業(yè)、集成電路生產(chǎn)企業(yè)、膠片生產(chǎn)企業(yè)及印刷企業(yè)等。
4.2生物潔凈室
4. 2.1一般生物潔凈室
主要控制有生命的微粒對(duì)操作對(duì)象的污染。其壁面材料應(yīng)能經(jīng)受各種滅菌劑的侵蝕，內(nèi)部一般保持正壓。其應(yīng)用領(lǐng)域有制藥企業(yè)、食品企業(yè)、疾病控制中心、醫(yī)療單位（潔凈手術(shù)室、制劑室、無(wú)菌配置室等）、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房、科研及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等。
4.2.2生物安全實(shí)驗(yàn)室
生物安全實(shí)驗(yàn)室又稱生物安全潔凈室，除了要求控制有生命的微粒對(duì)操作對(duì)象的污染外，還要求控制具有潛在危害的操作對(duì)象對(duì)操作人員及周?chē)h(huán)境的污染。因此，在生物安全實(shí)驗(yàn)室中壓差的控制更為重要，內(nèi)部保持負(fù)壓?？捎糜诩?xì)菌、病毒的分析研究及基因重組、疫苗制備等生物工程[10]。
按氣流流型分類，潔凈室可分為單向流潔凈室（層流潔凈室）、非單向流潔凈室（亂流潔凈室）、輻（矢）流潔凈室、混合流（局部單向流）潔凈室。
4.3單向流潔凈室（舊稱層流潔凈室）
從美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209C開(kāi)始，把層流潔凈室稱為單向流潔凈室。其定義是氣流以均勻的
截面速度，沿著平行流線以單一方向在整個(gè)室截面上通過(guò)的潔凈室。
4. 3.1原理
由單向流潔凈室的定義可知，單向流潔凈室是靠送風(fēng)潔凈氣流“活塞”般的平推作用，7.8 磅<可見(jiàn)這種潔凈室其控制污染的能力很強(qiáng)，減弱了污染物沿垂直于氣流方向的擴(kuò)散。要造成“活塞”般的平推氣流，送風(fēng)面必須滿布高效過(guò)濾器，但過(guò)濾器有邊框，安裝過(guò)濾器也需要框架。所以，不可能百分之百地滿布過(guò)濾器。用滿布比來(lái)衡量送風(fēng)高效過(guò)濾器的滿布程度。
滿布比等于袋式過(guò)濾器凈截面面積除以潔凈室布置高效過(guò)濾器的截面面積。而高效過(guò)濾器的凈截面面積等于其截面積減去邊框面積。正常情況下，滿布比達(dá)到80%。我國(guó)《空氣潔凈技術(shù)措施》規(guī)定，垂直單向流潔凈室滿布比不應(yīng)小于60 010，水平單向流潔凈室不應(yīng)小于40％。否則，就是局部單向流了。
4.3.2特性指標(biāo)
單向流潔凈室的特性指標(biāo)包括：流線平行度、亂流度、下限風(fēng)速，表示單向流潔凈室性能的好壞。
1．流線平行度
單向流潔凈室很強(qiáng)的污染控制能力主要依賴于平行送風(fēng)氣流“活塞”般的平推作用,流線平行的作用是保證污染源散發(fā)的污染物不做垂直于氣流方向的傳播。所以要求流線要平行，在0. 5m距離內(nèi)流線間的夾角最大不能超過(guò)250；．而且流線盡可能垂直于送風(fēng)面，其傾最小不能小于650?！稘崈羰沂┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》( JGJ 71-1990)中的規(guī)定更為嚴(yán)格，即流線偏離垂直線的角度不大于150（垂直單向流），等同于流線傾角不小于750( >65流線的傾斜與過(guò)濾器滿布比、出風(fēng)口阻尼層等因素有關(guān)，特別是在“側(cè)布高效過(guò)濾器、頂棚阻尼層送風(fēng)”（后面介紹）的氣流組織形式中，阻尼層對(duì)流線傾斜的影響更大。因?yàn)樵谧枘釋由戏降臐崈魵饬黛o壓箱中，水平氣流的動(dòng)壓轉(zhuǎn)變成靜壓，再?gòu)淖枘釋酉蛳铝鞒觯o壓轉(zhuǎn)變成動(dòng)壓），如果阻尼效果不好，水平氣流的動(dòng)壓未能很好地轉(zhuǎn)變成靜壓，而是直接轉(zhuǎn)向下部阻尼層流出，流出氣流肯定會(huì)傾斜。所以在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。若使用孔板做阻尼層，應(yīng)使開(kāi)孔率盡可能大（受加工條件的限制），而孔徑不宜太大。單純從阻尼效果考慮，在孔板上表面貼附過(guò)濾層效果好，但送風(fēng)阻力會(huì)增加。在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)潔凈室的用途，酌情處理這一矛盾。最終能在工作面區(qū)域形成平行度較好的流線，就是成功的設(shè)計(jì)。
2．亂流度
亂流度，也稱為速度不均勻度。速度均勻的作用是保證流線之間質(zhì)點(diǎn)的橫向交換最小。如果送風(fēng)面阻尼層不均勻，必然造成出流不均勻，流速快的流線處?kù)o壓要小于流速慢的流線處的靜壓，由于這個(gè)靜壓差的作用，使流線間的質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)橫向流動(dòng)，控制污染的效果就會(huì)減弱。所以阻尼層的好壞也影響到速度的不均勻度。
亂流度是為了說(shuō)明速度場(chǎng)的集中或離散程度而定義的，用于比較不同的速度場(chǎng)，用∑(v – y)2/y表示，也即數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的“變異系數(shù)”。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于測(cè)點(diǎn)數(shù)一般不會(huì)多于30，《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》（JGJ 71-1990）規(guī)定不小于10點(diǎn)就可以，此時(shí)，由于測(cè)點(diǎn)少，屬于子樣問(wèn)題，應(yīng)加以貝塞爾修正，即用（n-l）代替上式中的n。該規(guī)范規(guī)定，下限風(fēng)速潔凈室內(nèi)風(fēng)速太大，浪費(fèi)能量，風(fēng)速太小，達(dá)不到控制污染的效果。潔凈室性質(zhì)不同，生產(chǎn)工藝不同，污染源散發(fā)污染的方式也不同。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程性質(zhì)，散發(fā)污染的具體情況，參照表5 -18下限風(fēng)速建議值來(lái)確定氣流速度。表中推薦的下限風(fēng)速是保證潔凈室能控制以下四種污染的最小風(fēng)速。
1)當(dāng)污染氣流多方位散布時(shí)，送風(fēng)氣流要能有效控制污染的范圍。
2)當(dāng)污染氣流與送風(fēng)氣流同向時(shí)，送風(fēng)氣流要能有效地控制污染氣流到達(dá)下游的擴(kuò)散范圍。
3)當(dāng)污染氣流與送風(fēng)氣流逆向時(shí)，送風(fēng)氣流能把污染氣流抑制在必要的范圍內(nèi)。
4)在全室被污染的情況下，能在合適的時(shí)間內(nèi)迅速使室內(nèi)空氣自凈。
表中推薦的下限風(fēng)速，是指潔凈室應(yīng)經(jīng)常保持的最低風(fēng)速。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮過(guò)濾器阻力升高時(shí)風(fēng)速會(huì)下降。所以，在確定風(fēng)速（或風(fēng)量）時(shí)，應(yīng)考慮到高效過(guò)濾器阻力在接近終阻力時(shí)，仍能通過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)到所要求的風(fēng)速。了解了風(fēng)速在單向流潔凈室中的作用，結(jié)合潔凈室內(nèi)人員的數(shù)量、動(dòng)作幅度，產(chǎn)塵的性質(zhì)等因素，選取風(fēng)速時(shí)會(huì)胸有成竹。2000年的S014644 -4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單向流潔凈室平均風(fēng)速的建議值是，5級(jí)（相當(dāng)于英制100級(jí)）：0.2~0. 5m/s，高于5級(jí)：0.3~0.5m/s。.3.3凈化效果單向流潔凈室可達(dá)到100級(jí)及100級(jí)以上的凈化效果。所以，在設(shè)計(jì)大于等于100級(jí)的潔凈室時(shí)，應(yīng)采用單向流氣流組織方案。雖然采用非單向流（后面介紹）氣流組織方案，當(dāng)換氣次數(shù)較大時(shí)，在靜態(tài)下檢測(cè)，潔凈室內(nèi)某些區(qū)域的潔凈度也能達(dá)到100級(jí)的要求，但它不能稱為單向流潔凈室。因?yàn)閺脑?、特性指?biāo)等方面衡量，均不滿足單向流的要求。在動(dòng)態(tài)條件下，其動(dòng)靜比很大，控制污染的效果明顯下降。
4.4非單向流潔凈室（舊稱亂流潔凈室）
從美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209C開(kāi)始，稱亂流潔凈室為非單向流潔凈室。而我國(guó)《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》( JGJ 71-1990)仍然沿用亂流潔凈室這一稱謂。
4. 4.1原理
非單向流潔凈室的原理是靠潔凈送風(fēng)氣流擴(kuò)散、混合、不斷稀釋室內(nèi)空氣，把室內(nèi)污染逐漸排出，達(dá)到平衡。簡(jiǎn)言之，非單向流潔凈室的原理就是稀釋作用，如圖4-2所示。
由此看來(lái)，非單向流潔凈室是氣流以_不均勻的速度，呈不平行流動(dòng)，并伴有回5或渦流的潔凈室。要想保證有很好的稀釋作用，需選擇擴(kuò)散性能好的送風(fēng)口，以合理布置送風(fēng)口及回風(fēng)口。這些內(nèi)容在
5.8節(jié)中介紹。
4.4.2特性指標(biāo)
表示非單向流潔凈室性能好壞的特性
指標(biāo)有換氣次數(shù)、氣流組織及自凈時(shí)間。
1．換氣次數(shù)
換氣次數(shù)就是潔凈室送風(fēng)量除以其凈容積。而潔凈室凈容積是不變的。所以，換氣次數(shù)的大小也即潔凈室送風(fēng)量的大小，其作用是保證有足夠的潔凈稀釋氣流。在工程設(shè)計(jì)中，換氣次數(shù)是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推薦值來(lái)取用的?？梢?jiàn)，換氣次數(shù)大，用于稀釋室內(nèi)微粒污染的潔凈送風(fēng)量就大，就有可能使室內(nèi)潔凈度提高。這里為什么說(shuō)“有可能”提高室內(nèi)潔凈度,因?yàn)槿绻突仫L(fēng)口布置不合理，即使換氣次數(shù)大，也未必能有好的效果，這就關(guān)系到潔凈室氣流組織的問(wèn)題。
2．氣流組織
潔凈室的氣流組織，是通過(guò)正確選擇送回風(fēng)口形式且合理布置，使?jié)崈羲惋L(fēng)氣流很好地?cái)U(kuò)散、稀釋污染物并盡可能減少渦流，能使稀釋后的氣流很快地排人回風(fēng)口。所以，同樣的氣次數(shù)，送風(fēng)口多點(diǎn)，布置均衡點(diǎn)，加之回風(fēng)口也能與送風(fēng)口相適應(yīng)，控制污染的能力就增強(qiáng)。有關(guān)送回風(fēng)口的選型及布置技巧在5.8.2節(jié)中介紹。氣流組織可采用數(shù)值模擬方法，得到速度矢量分布圖來(lái)進(jìn)行分析。雖然與實(shí)際有不少偏差，但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，CFD軟件的不斷開(kāi)發(fā)，數(shù)值模擬在潔凈技術(shù)領(lǐng)域受到不少技術(shù)人員的青睞。氣流組織也可通過(guò)測(cè)定流速場(chǎng)流線來(lái)進(jìn)行分析。
3．自凈時(shí)間??? #
非單向流潔凈室是靠潔凈送風(fēng)氣流的稀釋作用，把室內(nèi)含塵濃度降到所需要求。在降低含塵濃度的過(guò)程中，有的潔凈室所花的時(shí)間少，有的多。這與送回風(fēng)口形式、布置的位置及；7.8 磅越小。所以，在確定自凈時(shí)間時(shí)應(yīng)根據(jù)潔凈室的性質(zhì)、用戶的需求綜合考慮。有的潔凈室用戶，如潔凈手術(shù)室，要求的自凈時(shí)間短，在兩臺(tái)手術(shù)之間使?jié)崈羰中g(shù)室盡可能快地回復(fù)到所要求的潔凈狀態(tài)，提高手術(shù)室的使用率。而對(duì)于固體制劑生產(chǎn)車(chē)間，就沒(méi)必要要求太短的自凈時(shí)間，上班開(kāi)機(jī)后，到正式生產(chǎn)需較長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間。亂流潔凈室的自凈時(shí)間一般不超過(guò)30min。自凈時(shí)間可用下式計(jì)算
t =60[(LnNN -1)一Ln0. 01]／n??? (4-1)
式中t-非單向流潔凈室的自凈時(shí)間(min)；
N0——潔凈室原始含塵濃度(L/L)，實(shí)際情況表明，只要開(kāi)機(jī)前系統(tǒng)已經(jīng)停止運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)，最后Ⅳ。將趨近于室外大氣含塵濃度M，潔凈室一般都位于污染較輕的地區(qū)，建議取M =2 xl05粒/L;N-一潔凈室穩(wěn)態(tài)時(shí)的含塵濃度（~L/L）；不能取級(jí)別上限濃度，宜取上限濃度的1/3—1/2：
n——換氣次數(shù)（次/h）。
自凈時(shí)間除與上述因素有關(guān)外，還與末端過(guò)濾器有關(guān)。同樣一間潔凈室（有回風(fēng)循環(huán)的系統(tǒng)），末端采用高效過(guò)濾器時(shí)，自凈時(shí)間短；采用亞高效過(guò)濾器時(shí)，自凈時(shí)間長(zhǎng)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多與潔凈室用戶溝通，考慮各種因素，確定經(jīng)濟(jì)合理的自凈時(shí)間。
4.4.3凈化效果
非單向流潔凈室能達(dá)到1000級(jí)及其以下的潔凈度。作者對(duì)所建造的某1000級(jí)潔凈室(8rr12)做潔凈度檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在空態(tài)下，有部分測(cè)點(diǎn)的微粒濃度（≥0.5斗m）小于100級(jí)；的上限值，渦流區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)濃度大于100級(jí)的上限值，當(dāng)自凈時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，只有一個(gè)檢測(cè)人費(fèi)貼墻站立不動(dòng)，進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)，把移動(dòng)測(cè)點(diǎn)后的第一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)刪掉（因?yàn)闄z測(cè)人員的。移動(dòng)，導(dǎo)致第一個(gè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定），每個(gè)測(cè)點(diǎn)都從第二個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始記錄，取三次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平值作為該測(cè)點(diǎn)的微粒濃度值。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，全室測(cè)點(diǎn)（10點(diǎn)）的濃度平均值接近于100的上限值。但這也不能說(shuō)明該潔凈室達(dá)到100級(jí)（空態(tài)），因?yàn)楦鶕?jù)規(guī)范要求：①每個(gè)采犖點(diǎn)的平均粒子濃度Ci應(yīng)小于或等于潔凈度等級(jí)規(guī)定的限值。②全部采樣點(diǎn)的平均粒子濃Ⅳ的95%置信度上限值，應(yīng)小于或等于潔凈度等級(jí)規(guī)定的限值。很顯然不能滿足規(guī)范的鼠定。盡管只有8rri2的潔凈室，氣流組織設(shè)計(jì)得很順暢，也不能滿足100級(jí)的要求。在檢嘲中發(fā)現(xiàn)，只要檢測(cè)人員稍有小幅的動(dòng)作，粒子濃度很快增加。說(shuō)明非單向流的氣流組織控污染的能力比起單向流來(lái)要弱多，這是由“稀釋”原理所決定的。
4．5輻流潔凈室
黛·輻流潔凈室也有人稱為矢流潔凈室。作者在低層高建筑中進(jìn)行了工程應(yīng)用，其凈化效果7.8 磅令人驚訝，非常好。在同樣的送風(fēng)量下，凈化效果比非單向流頂送下側(cè)回要好得多（后面介紹）；同樣的潔凈度要求下，所需送風(fēng)量很小，節(jié)能效果非常顯著。
4- 5.1原理
這種潔凈室，送風(fēng)口與回風(fēng)口需安裝在異側(cè)，對(duì)角布置。送風(fēng)口擴(kuò)散孔板一般做成1/4圓弧形，通過(guò)這種送風(fēng)口送出輻射狀的潔凈氣流向斜下方回風(fēng)口處流動(dòng)，把污染物“斜推”向回風(fēng)區(qū)域，最后排出室內(nèi)，如圖4-3所示。
圖4-3輻流潔凈室原理示意圖
4.5.2凈化效果
輻流潔凈室能達(dá)到1000級(jí)及其以下的潔凈度。但凈化效果比非單向流潔凈室好。
4.5.3工程應(yīng)用分析
筆者曾利用地下室改建制劑車(chē)間時(shí)，應(yīng)用了這一氣流組織形式。因?yàn)榘迅咝н^(guò)濾器做成圓弧狀，難度較大，相配套的風(fēng)口結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，需非標(biāo)制作。于是，采用了另一思路，然使用普通高效過(guò)濾器送風(fēng)口，把擴(kuò)散孑L板做成圓弧狀，并使阻尼加大，如圖4-4所示。
圖4-4輻流氣流組織工程應(yīng)用示意圖
圖4-4a所示是應(yīng)用在凈高2.3m的地下室內(nèi)，圖4-4b所示是應(yīng)用在凈高只有2.Im的下室內(nèi)。
這兩個(gè)工程的地下室進(jìn)深都較長(zhǎng)，所以，把送風(fēng)主管安裝于內(nèi)側(cè)，用彩鋼夾芯板做出凈寬600mm左右的夾道，人可進(jìn)去調(diào)節(jié)風(fēng)量?？諝膺^(guò)濾器送風(fēng)口通過(guò)軟接頭及支管與主風(fēng)管相連。室內(nèi)用彩鋼夾芯板裝修，采用走廊回風(fēng)（因該制劑屬于單品種，不會(huì)發(fā)生交叉污染，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]）。這兩種氣流組織形式，其凈化效果比非單向潔凈室還要好。且圖4-4b所示的潔凈室凈化效果要優(yōu)于圖4-4a，可能是送風(fēng)口距工作面較近所致。這種低層高的建筑空間，采用輻流氣流組織，取得了很好的凈化效果，降低了潔凈室改造的空間要求。特別是地下建筑噪聲不好控制，應(yīng)用這種氣流組織，風(fēng)量可以減少，因而系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲也將降低。
4.6混合流潔凈室（局部百級(jí)潔凈室）
混合流潔凈室，是在潔凈室內(nèi)既有單向流，又有非單向流的潔凈室FFU。單向流營(yíng)造局部百7.8 磅在潔凈室中，某個(gè)生產(chǎn)工藝需百級(jí)潔凈度，而周邊其他工藝區(qū)域只要求較低的潔凈度時(shí)，就可應(yīng)用混合流氣流組織方案。如青霉素分裝工藝、大輸液灌裝工藝都需要百級(jí)潔凈環(huán)境，而周邊只需要1萬(wàn)級(jí)的潔凈環(huán)境。醫(yī)院I級(jí)潔凈手術(shù)室，手術(shù)區(qū)需要100級(jí)潔凈環(huán)境，周邊區(qū)只要求1000級(jí)潔凈環(huán)境，這些潔凈室都需要采用混合流氣流組織。
4.6.2設(shè)計(jì)施工中的常見(jiàn)錯(cuò)誤及改進(jìn)措施
百級(jí)環(huán)境需單向流的氣流組織來(lái)營(yíng)造，在一個(gè)低級(jí)別潔凈環(huán)境中營(yíng)造局部百級(jí)，回風(fēng)口的設(shè)置位置非常重要。工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的錯(cuò)誤，是回風(fēng)口的位置不合理，導(dǎo)致氣流過(guò)早彎曲，使工作面達(dá)不到100級(jí)。造成這種錯(cuò)誤的原因，首先是沒(méi)有很好地理解平行的“活塞”控制污染的原理，認(rèn)為在工作面上方安裝層流罩（后面介紹）就能實(shí)現(xiàn)局部百級(jí)；其次是由于生產(chǎn)工藝的原因，導(dǎo)致回風(fēng)口的安裝位置受到限制。如果對(duì)生產(chǎn)工藝不熟悉，又沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此就想不出改進(jìn)的措施，所以使工作面達(dá)不到百級(jí)要求。