浅析洁净室空气净化的四个必要条件
发布日期：2015/7/20 文章来源：中明科技
洁净室通常也称为“无尘室”，它是污染控制的基础，没有洁净室，污染敏感零件不可能批量生产。在美国联邦标准FED-STD-2中，洁净室被定义为具备空气过滤、分配、优化、构造材料和装置的房间，其中特定的规则的操作程序以控制空气悬浮微粒浓度，从而达到适当的微粒洁净度级别。
洁净室要获得良好的洁净效果，不仅要着重采取合理的空调净化措施，而且也要求工艺、建筑及其他专业采取相应的措施：不但要有合理的设计，而且还要精心的符合规范的施工安装，以及正确的使用洁净室和科学的维护管理。为使洁净室获得良好的效果，国内外已有不少文献从不同的角度作过阐述。实际上，不同专业之间很难做到理想地配合，而且设计者很难把握施工安装质量以及使用和管理情况，尤其后者。就洁净室净化措施而言，许多设计者，或者还有施工方，往往对其必要条件未予足够重视，造成洁净效果不理想。下面中明科技就洁净室净化措施中达到洁净度要求的四个必要条件简要论述。
一、送风洁净度
要保证送风洁净度符合要求，关键是净化系统末级过滤器的性能和安装。
净化系统末级过滤器一般采用高效过滤器或亚高效过滤器。按我国标准[1]规定高效过滤器效率分四档:A类为≥99.9%，B类为≥99.9%，C类为≥99.999%，D类为(对≥0.1μ m粒子)≥99.999%(亦称超高效过滤器);亚高效过滤器[2]为(对≥0.5μm粒子)95~99.9%。效率越高，过滤器的价格也越贵。所以选择过滤器时应本着既要满足送风洁净度要求，又要考虑经济合理。从洁净度要求考虑，以低级别洁净室选用低性能过滤器、高级别洁净室选用高性能过滤器为原则。一般说来:100万级可选用高中效过滤器;低于1万级可选用亚高效或A类高效过滤器;1万~100级选用B类过滤器;100~1级选用C类过滤器。这里每个洁净度级别似乎都有两类过滤器可供选择，选择高性能的还是低性能的，要视具体情况而定:当环境污染严重，或室内排风比例很大，或该洁净室特别重要，需要较大安全系数，在这些或其中之一情况下，均要选择高一类过滤器;反之可选择较低性能过滤器。对0.1μm粒子要求控制的洁净室，不论控制的粒子浓度高低均要选择D类过滤器。以上所述仅从过滤器角度出发，实际上要选择好过滤器还要全面考虑洁净室特性、过滤器特性和净化系统特性。
要保证送风洁净度，仅有合格的过滤器是不够的，还要保证:a.运输、安装过程不损坏过滤器;b.安装严密。要做到第a，则要求施工安装人员训练有素，既要有安装净化系统方面的知识，又要具备较熟练的安装技能，否则将难以保证不损坏过滤器，这方面是有深刻教训的。其次，安装严密性问题，主要取决于安装结构型式优劣，设计手册一般推荐:对于单个过滤器采用明装型式，这样即便发生渗漏，也不致漏到室内;采用成品高效送风口，严密性也比较容易得到保证。对于多个过滤器的风□,近几年常采用液槽密封和负压密封。液槽密封必须保证液槽接缝严密和整体框架都处于同一水平面上。负压密封就是使过滤器与静压箱和框架接缝的外周边处于负压状态，与明装型式一样即使渗漏也不会漏到室内。实际上只要做到安装框架平整，过滤器端面与安装框架接触均匀，任何安装型式使过滤器达到安装严密性要求应该说是不难的。
二、气流组织
洁净室的气流组织与一般空调房间有所不同，它要求将最干净的空气首先送到操作部位，它的作用在于限制和减少对加工物的污染。为此，在设计气流组织时应考虑这些原则:尽量减少涡流，避免将工作区以外的污染带入工作区;尽量防止灰尘的二次飞扬以减少灰尘对工件的污染机会;工作区的气流要尽量均匀，且其风速要满足工艺和卫生要求，当气流向回风口流动时要使空气中的灰尘能有效的带走。根据不同的洁净度要求，选择不同的送、回风方式。
不同的气流组织，各有其特点和范围:
1) 垂直单向流:均可获得均匀向下气流，便于工艺设备布置，自净能力强，可简化人身净化设施等共同设施等共同优点外，四种送风方式还有其各自优缺点:满布高效过滤器具有阻力低、更换过滤器周期长等优点，但顶棚结构复杂，造价高;侧布高效过滤器顶送、全孔板顶送与满布高效过滤器顶送的优缺点相反，其中全孔板顶送在系统非连续运行时，孔板内表面易积尘，维护不好，对洁净度有些影响;密集散流器顶送，因需要一段混和层，所以只适用于4m以上高大洁净室，其特点与全孔板顶送相仿;对于相对两侧格栅的板和相对两侧墙下部均匀布置回风口的回风方式仅适用两侧净间距小于6m的洁净室;单侧墙下部布回风口仅适用对墙间距较小(如≤<2~3m)的洁净室。
2) 水平单向流:只在第一工作区达到100级洁净度，当空气流向另一侧的过程中含尘浓度逐渐升高，所以仅适用于同一房间工艺过程有不同洁净度要求的洁净室;送风墙局部布高效过滤器较满布水平送可减少高效过滤器用量，节约初投资，但局部区域有涡流。
3) 乱流型气流:孔板顶送和密集散流器顶送的特点与前述相同:侧送的优点易于管道布置，无需技术夹层，造价低，有利于旧厂房改造，缺点是工作区风速较大，下风侧比上风侧含尘浓度高;高效过滤器风口顶送具有系统简单、高效过滤器后无管道、洁净气流直接送达工作区等优点，但洁净气流扩散缓慢，工作区气流较均匀;不过当均匀地布置多个风口或采用带扩散板地高效过滤器风口时，也可使得工作区气流较均匀;但在系统非连续运行地情况下，扩散板易积尘。
以上论述均属于较理想状态，也是国家有关规范、标准或设计手册所推荐。实际工程中或受限于客观条件，或由于设计者地主观原因而未设计好气流组织，常见的有:垂直单向流采取相邻两侧墙下部回风，局部百级采用上送上回(即局部送风口下未加下垂围帘)，乱流型洁净室采用高效过滤器风口顶送上回或单侧下回(对墙间距较大)等，这些气流组织方式经实测，其洁净度大多数都达不到设计要求。由于现行规范[6]规定空态或静态验收，个别的这类洁净室在空态或静态下勉强达到设计的洁净度级别，但抗污染干扰能力很低，一旦洁净室进入工作状态就达不到要求。正确的气流组织局部区域应设围帘下垂至工作区高度，10万级也不应采用上送上回。还有目前大多数工厂生产的带扩散板的高效送风口，其扩散板都只是装饰性孔板而不起扩散气流作用，请设计者和用户要特别注意。
三、送风量或风速
足够的通风换气量是为了稀释和排除室内污染空气，根据不同的洁净度要求，当洁净室净高较高时，适当增加换气次数。其中，100万级洁净室的通风量是按高中效净化系统考虑[7]，其余均按高效净化系统考虑;当10万级洁净室高效过滤器集中布置在机房或系统末端采用亚高效过滤器时，可适当提高换气次数10-20%。
对于上述通风量推荐数值笔者认为:单向流洁净室通过房间截面风速偏低，乱流型洁净室是有较充分安全系数的推荐值。垂直单向流≥0.25m/s，水平单向流≥0.35m/s，在空态或静态下检测洁净度，虽然能达到要求，但抗污染能力较差，一旦室内进入工作状态，洁净度就可能达不到要求，这类实例已不属于个别;同时，我国通风机系列中尚未有较适合净化系统用的风机，一般设计者又往往对系统空气阻力未作准确计算，或未注意到所选用的风机是否处于特性曲线上比较有利的工作点，使得系统在投入运行后不久，风量或风速就达不到设计值。美国联邦标准(FS209A~B)在1987年10月27日之前一直这样规定:单向流洁净室通过洁净室截面的气流速度通常保持在9Oft/min(0.45m/s)，在整个房间无干扰的条件下，其速度不均匀度在士20%以内，气流速度任何明显的下降都会增加自净时间和工作位置之间污染影响的可能性(1987年10月FS209C颁布之后对含尘浓度以外的所有参数指标均未作规定)。为此，笔者认为宜适当提高目前国内对单向流速度的设计值，我们单位在实际工程中照此做了，效果还是比较好的。乱流型洁净室是有较充分安全系数的推荐值，但许多设计者仍不放心，在做具体设计时将10万级洁净室通风量加大到20~25次/h，1万级加大到30~40次/h，1000级加大到60~70次/h，这样做不仅加大了设备容量、加大了初投资，也增加了日后维护管理费用，实际上也没有必要这样做。在编制我国空气洁净技术措施[7]时曾调查测定了国内100多个洁净室，许多洁净室还是在动态下检测的，结果表明:10万级≥10次/h、1万≥20次/h、1000级≥50次/h通风量即可满足要求。美国联邦标准(FS2O9A~B)规定:非单向流洁净室(10万级、1万级)，室高8~l2ft(2.44~3.66m)，通常考虑全室至少每3分钟换气一次(即20次/h)。因此，设计规范的规定[6]已经考虑了较大的富裕系数，设计者完全可以放心地按照表1通风量地推荐值选用。
四、静压差
洁净室维持一定的正压是保证洁净室不受或少受污染、以维持设计洁净度等级必不可少地条件之一。即便是负压洁净室，它也必须有不低于它洁净度级别地相邻房间或套间维持一定地正压，负压洁净室的洁净度才能得以维持。
洁净室正压值是指门窗全部关闭状态下，室内静压大于室外静压的数值。它是通过净化系统送风量大于回风量和排风量的方法来达到。为了保证洁净室正压值，送风、回风和排风机最好联锁，系统开启时先启动送风机，再启动回风机和排风机;系统关闭时先关排风机，再关回风机和送风机，以防止洁净室在系统开启和关闭时受到污染。
维持洁净室正压所需的风量主要根据维护结构密闭性好坏来确定。我国洁净室建设初期由于围护结构密闭性较差，要维持≥5Pa的正压就要2~6次/h送风量;目前维护结构密闭性已大为提高，维持同样的正压只要1~2次/h送风量;维持≥1OPa也只要2~3次/h送风量。
我国设计规范[6]规定:不同等级的洁净室以及洁净区和非洁净区之间的静压差应不小于0.5mmH2O(~5Pa)，洁净区与室外的静压差应不小于1.OmmH2O(~l0Pa)。笔者认为该值似偏低，原因有三:1.正压是表示洁净室抑制通过门窗缝隙污染室内空气的能力，或在短时间打开门窗时使渗入室内的污染物减少到最低限度的能力，正压大小表示抑制污染能力的强弱，当然不是正压越大越好(后面将谈到)。2.正压所需的风量有限，5Pa正压与10Pa正压所需风量仅差约1次/h，何乐而不为呢?显然正压值低限取l0Pa更优越些。3.美国联邦标准(FS209A~B)规定:当所有出入口关闭时，洁净室与任何相邻的低洁净度区域之间的最低正压差为0.05英寸水柱(12.5Pa)，这数值已被许多国家采用。
但洁净室的正压值并非越大越好，根据本单位30多年实际工程检测表明:当正压值≥30Pa时，开门就比较困难，关门稍不留意，砰一声!吓人一跳;当正压值≥50~70Pa时，门窗缝隙就会发出哨音，体弱者或有某种不适应症者不适感觉。可是国内和国外许多国家的有关规范或标准均未规定正压的上限值，这样的结果许多单位都只求下限值满足要求，而不管上限值达到多少，在笔者遇到的实际洁净室中正压值有高达100Pa以上，造成很不好的效果。实际上调整正压并不是一件很难的事，把它控制在一定范围内是完全可能的。曾有文献介绍东欧某国将正压值规定为1-3mmH20(约10~30Pa)，笔者认为这个范围是比较合适的。
对于一个洁净室来说，以上四个必要条件必须同时得到满足，才能保证洁净度达到要求并具备应有的抗污染干扰能力。
洁净室要获得良好的洁净效果，不仅要着重采取合理的空调净化措施，而且也要求工艺、建筑及其他专业采取相应的措施：不但要有合理的设计，而且还要精心的符合规范的施工安装，以及正确的使用洁净室和科学的维护管理。为使洁净室获得良好的效果，国内外已有不少文献从不同的角度作过阐述。实际上，不同专业之间很难做到理想地配合，而且设计者很难把握施工安装质量以及使用和管理情况，尤其后者。就洁净室净化措施而言，许多设计者，或者还有施工方，往往对其必要条件未予足够重视，造成洁净效果不理想。下面中明科技就洁净室净化措施中达到洁净度要求的四个必要条件简要论述。
一、送风洁净度
要保证送风洁净度符合要求，关键是净化系统末级过滤器的性能和安装。
净化系统末级过滤器一般采用高效过滤器或亚高效过滤器。按我国标准[1]规定高效过滤器效率分四档:A类为≥99.9%，B类为≥99.9%，C类为≥99.999%，D类为(对≥0.1μ m粒子)≥99.999%(亦称超高效过滤器);亚高效过滤器[2]为(对≥0.5μm粒子)95~99.9%。效率越高，过滤器的价格也越贵。所以选择过滤器时应本着既要满足送风洁净度要求，又要考虑经济合理。从洁净度要求考虑，以低级别洁净室选用低性能过滤器、高级别洁净室选用高性能过滤器为原则。一般说来:100万级可选用高中效过滤器;低于1万级可选用亚高效或A类高效过滤器;1万~100级选用B类过滤器;100~1级选用C类过滤器。这里每个洁净度级别似乎都有两类过滤器可供选择，选择高性能的还是低性能的，要视具体情况而定:当环境污染严重，或室内排风比例很大，或该洁净室特别重要，需要较大安全系数，在这些或其中之一情况下，均要选择高一类过滤器;反之可选择较低性能过滤器。对0.1μm粒子要求控制的洁净室，不论控制的粒子浓度高低均要选择D类过滤器。以上所述仅从过滤器角度出发，实际上要选择好过滤器还要全面考虑洁净室特性、过滤器特性和净化系统特性。
要保证送风洁净度，仅有合格的过滤器是不够的，还要保证:a.运输、安装过程不损坏过滤器;b.安装严密。要做到第a，则要求施工安装人员训练有素，既要有安装净化系统方面的知识，又要具备较熟练的安装技能，否则将难以保证不损坏过滤器，这方面是有深刻教训的。其次，安装严密性问题，主要取决于安装结构型式优劣，设计手册一般推荐:对于单个过滤器采用明装型式，这样即便发生渗漏，也不致漏到室内;采用成品高效送风口，严密性也比较容易得到保证。对于多个过滤器的风□,近几年常采用液槽密封和负压密封。液槽密封必须保证液槽接缝严密和整体框架都处于同一水平面上。负压密封就是使过滤器与静压箱和框架接缝的外周边处于负压状态，与明装型式一样即使渗漏也不会漏到室内。实际上只要做到安装框架平整，过滤器端面与安装框架接触均匀，任何安装型式使过滤器达到安装严密性要求应该说是不难的。
二、气流组织
洁净室的气流组织与一般空调房间有所不同，它要求将最干净的空气首先送到操作部位，它的作用在于限制和减少对加工物的污染。为此，在设计气流组织时应考虑这些原则:尽量减少涡流，避免将工作区以外的污染带入工作区;尽量防止灰尘的二次飞扬以减少灰尘对工件的污染机会;工作区的气流要尽量均匀，且其风速要满足工艺和卫生要求，当气流向回风口流动时要使空气中的灰尘能有效的带走。根据不同的洁净度要求，选择不同的送、回风方式。
不同的气流组织，各有其特点和范围:
1) 垂直单向流:均可获得均匀向下气流，便于工艺设备布置，自净能力强，可简化人身净化设施等共同设施等共同优点外，四种送风方式还有其各自优缺点:满布高效过滤器具有阻力低、更换过滤器周期长等优点，但顶棚结构复杂，造价高;侧布高效过滤器顶送、全孔板顶送与满布高效过滤器顶送的优缺点相反，其中全孔板顶送在系统非连续运行时，孔板内表面易积尘，维护不好，对洁净度有些影响;密集散流器顶送，因需要一段混和层，所以只适用于4m以上高大洁净室，其特点与全孔板顶送相仿;对于相对两侧格栅的板和相对两侧墙下部均匀布置回风口的回风方式仅适用两侧净间距小于6m的洁净室;单侧墙下部布回风口仅适用对墙间距较小(如≤<2~3m)的洁净室。
2) 水平单向流:只在第一工作区达到100级洁净度，当空气流向另一侧的过程中含尘浓度逐渐升高，所以仅适用于同一房间工艺过程有不同洁净度要求的洁净室;送风墙局部布高效过滤器较满布水平送可减少高效过滤器用量，节约初投资，但局部区域有涡流。
3) 乱流型气流:孔板顶送和密集散流器顶送的特点与前述相同:侧送的优点易于管道布置，无需技术夹层，造价低，有利于旧厂房改造，缺点是工作区风速较大，下风侧比上风侧含尘浓度高;高效过滤器风口顶送具有系统简单、高效过滤器后无管道、洁净气流直接送达工作区等优点，但洁净气流扩散缓慢，工作区气流较均匀;不过当均匀地布置多个风口或采用带扩散板地高效过滤器风口时，也可使得工作区气流较均匀;但在系统非连续运行地情况下，扩散板易积尘。
以上论述均属于较理想状态，也是国家有关规范、标准或设计手册所推荐。实际工程中或受限于客观条件，或由于设计者地主观原因而未设计好气流组织，常见的有:垂直单向流采取相邻两侧墙下部回风，局部百级采用上送上回(即局部送风口下未加下垂围帘)，乱流型洁净室采用高效过滤器风口顶送上回或单侧下回(对墙间距较大)等，这些气流组织方式经实测，其洁净度大多数都达不到设计要求。由于现行规范[6]规定空态或静态验收，个别的这类洁净室在空态或静态下勉强达到设计的洁净度级别，但抗污染干扰能力很低，一旦洁净室进入工作状态就达不到要求。正确的气流组织局部区域应设围帘下垂至工作区高度，10万级也不应采用上送上回。还有目前大多数工厂生产的带扩散板的高效送风口，其扩散板都只是装饰性孔板而不起扩散气流作用，请设计者和用户要特别注意。
三、送风量或风速
足够的通风换气量是为了稀释和排除室内污染空气，根据不同的洁净度要求，当洁净室净高较高时，适当增加换气次数。其中，100万级洁净室的通风量是按高中效净化系统考虑[7]，其余均按高效净化系统考虑;当10万级洁净室高效过滤器集中布置在机房或系统末端采用亚高效过滤器时，可适当提高换气次数10-20%。
对于上述通风量推荐数值笔者认为:单向流洁净室通过房间截面风速偏低，乱流型洁净室是有较充分安全系数的推荐值。垂直单向流≥0.25m/s，水平单向流≥0.35m/s，在空态或静态下检测洁净度，虽然能达到要求，但抗污染能力较差，一旦室内进入工作状态，洁净度就可能达不到要求，这类实例已不属于个别;同时，我国通风机系列中尚未有较适合净化系统用的风机，一般设计者又往往对系统空气阻力未作准确计算，或未注意到所选用的风机是否处于特性曲线上比较有利的工作点，使得系统在投入运行后不久，风量或风速就达不到设计值。美国联邦标准(FS209A~B)在1987年10月27日之前一直这样规定:单向流洁净室通过洁净室截面的气流速度通常保持在9Oft/min(0.45m/s)，在整个房间无干扰的条件下，其速度不均匀度在士20%以内，气流速度任何明显的下降都会增加自净时间和工作位置之间污染影响的可能性(1987年10月FS209C颁布之后对含尘浓度以外的所有参数指标均未作规定)。为此，笔者认为宜适当提高目前国内对单向流速度的设计值，我们单位在实际工程中照此做了，效果还是比较好的。乱流型洁净室是有较充分安全系数的推荐值，但许多设计者仍不放心，在做具体设计时将10万级洁净室通风量加大到20~25次/h，1万级加大到30~40次/h，1000级加大到60~70次/h，这样做不仅加大了设备容量、加大了初投资，也增加了日后维护管理费用，实际上也没有必要这样做。在编制我国空气洁净技术措施[7]时曾调查测定了国内100多个洁净室，许多洁净室还是在动态下检测的，结果表明:10万级≥10次/h、1万≥20次/h、1000级≥50次/h通风量即可满足要求。美国联邦标准(FS2O9A~B)规定:非单向流洁净室(10万级、1万级)，室高8~l2ft(2.44~3.66m)，通常考虑全室至少每3分钟换气一次(即20次/h)。因此，设计规范的规定[6]已经考虑了较大的富裕系数，设计者完全可以放心地按照表1通风量地推荐值选用。
四、静压差
洁净室维持一定的正压是保证洁净室不受或少受污染、以维持设计洁净度等级必不可少地条件之一。即便是负压洁净室，它也必须有不低于它洁净度级别地相邻房间或套间维持一定地正压，负压洁净室的洁净度才能得以维持。
洁净室正压值是指门窗全部关闭状态下，室内静压大于室外静压的数值。它是通过净化系统送风量大于回风量和排风量的方法来达到。为了保证洁净室正压值，送风、回风和排风机最好联锁，系统开启时先启动送风机，再启动回风机和排风机;系统关闭时先关排风机，再关回风机和送风机，以防止洁净室在系统开启和关闭时受到污染。
维持洁净室正压所需的风量主要根据维护结构密闭性好坏来确定。我国洁净室建设初期由于围护结构密闭性较差，要维持≥5Pa的正压就要2~6次/h送风量;目前维护结构密闭性已大为提高，维持同样的正压只要1~2次/h送风量;维持≥1OPa也只要2~3次/h送风量。
我国设计规范[6]规定:不同等级的洁净室以及洁净区和非洁净区之间的静压差应不小于0.5mmH2O(~5Pa)，洁净区与室外的静压差应不小于1.OmmH2O(~l0Pa)。笔者认为该值似偏低，原因有三:1.正压是表示洁净室抑制通过门窗缝隙污染室内空气的能力，或在短时间打开门窗时使渗入室内的污染物减少到最低限度的能力，正压大小表示抑制污染能力的强弱，当然不是正压越大越好(后面将谈到)。2.正压所需的风量有限，5Pa正压与10Pa正压所需风量仅差约1次/h，何乐而不为呢?显然正压值低限取l0Pa更优越些。3.美国联邦标准(FS209A~B)规定:当所有出入口关闭时，洁净室与任何相邻的低洁净度区域之间的最低正压差为0.05英寸水柱(12.5Pa)，这数值已被许多国家采用。
但洁净室的正压值并非越大越好，根据本单位30多年实际工程检测表明:当正压值≥30Pa时，开门就比较困难，关门稍不留意，砰一声!吓人一跳;当正压值≥50~70Pa时，门窗缝隙就会发出哨音，体弱者或有某种不适应症者不适感觉。可是国内和国外许多国家的有关规范或标准均未规定正压的上限值，这样的结果许多单位都只求下限值满足要求，而不管上限值达到多少，在笔者遇到的实际洁净室中正压值有高达100Pa以上，造成很不好的效果。实际上调整正压并不是一件很难的事，把它控制在一定范围内是完全可能的。曾有文献介绍东欧某国将正压值规定为1-3mmH20(约10~30Pa)，笔者认为这个范围是比较合适的。
对于一个洁净室来说，以上四个必要条件必须同时得到满足，才能保证洁净度达到要求并具备应有的抗污染干扰能力。
