Системы кондиционирования воздуха для чистых комнат. Вентиляция 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)

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.

Чистая комната с упорядоченной однонаправленной циркуляцией и низкой скоростью движения воздуха

Рисунок 2.

Чистая комната с неупорядоченной циркуляцией воздуха, с использованием циркуляционных вентиляторов в блочном исполнении, смесительно-распределительных камер и кондиционера наружного воздуха

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.

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