多梯度下潔凈室區域的滲透風量計算與新風量

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1. 序言:

一般而言,對潔凈室或者相關具備壓力梯度的房間之間進行的滲透風量的計算,其目的主要為解決以下問題:

1.1獲得進入該房間的補充新風,用於新風量的計算,其計算結果作為若干決定新風量的參數之一

1.2通過正確的滲透風量計算獲得該該區域各個房間的壓力梯度和分布。保證此梯度分布成為合理生產環境的大背景。並且保證成功的調試基礎

本文主要關注於第一點。即通過合理的方法和方式來確定所需新風的選擇。

2. 新風量的確定:

房間的風量平衡。一個典型的房間風量系統平衡如圖1所示:

風量的平衡公式為Qs=Qr+Ql+Qpe+Qe=Qr+Qf[見圖1]

Qs-房間送風,對於潔凈室而言,一般按照換氣次數確定

Qr-房間迴風,對於全新風新風，此項為0

Ql-滲透風量,

Qpe-工藝排風,如有一般按照工藝所提參數確定

Qe-房間排風,一般為最後一個確定的參數,在前幾項已知的情況下即可計算出此項目。

Qf-新風量

從上面的一般性公式我們可以知道,新風量Qf=Ql+Qpe+Qe,Ql需要計算得出,Qpe由工藝提供,而房間排風Qe則應該由Qf-Ql-Qpe得出，很有可能是不需要的。最終是否需要取決於Qf的數值；因此我們可以得出Qf的第一個約束條件,即

Qf=Ql+Qpe…………約束條件1

同時新風量Qf也應該滿足衛生要求,即滿足所有的人員人均新風量40m3/h,又可得出第二個約束條件,即

Qf=N*40m3/h………約束條件2 N為人員數量

此得出的風量應該根據新風量修正公式1/[1+X-Z]進行修正[1]。

有一些文章指出,還有第三個約束條件,即新風比應該滿足最小的限制[2]。這應該不是一個強制條件,可以不作為約束條件列入

最後Qf=Max[約束條件1,約束條件2]=Max[f1(Ql,Qpe),f2(N)]

從以上的論述我們可以知道,在所有的約束條件中,Qpe和N均較容易從正常途徑得到。所以顯然Ql的數據就是一個至關重要的決定新風量Qf的因素。

3房間滲透的風量Ql的一般性計算公式

計算房間的滲透風量主要考慮圍護結構的密封性因素,通常有以下三部分項目需要計算

3.1門縫處的漏風,

3.2 傳遞窗或者傳遞抽屜的漏風[如有],

3.3除了以上兩項以外的圍護結構的機電等穿線導致的滲漏,特別是從地面或者吊頂出發生的滲漏。

在實際工程中所採取的方法通常僅僅計算3.1和3.2,該類型風量的計算一般採用縫隙滲透法計算。計算公式為

(公式1)[3]

Q相鄰兩個房間的滲透風量, m3/s

ELA門縫的有效滲透面積 m2

△P 相鄰兩個房間的靜壓差 pa

或者

(公式2)[4]

Q相鄰兩個房間的滲透風量, m3/s

A門縫的有效滲透面積 m2

△P 相鄰兩個房間的靜壓差 pa

可以得知無論公式1還是公式2均是基於相同的計算原則，即根據有效滲透面積和壓差作為變數進行計算，所不同的是公式的壓差的指數不同和公式的係數不同。本文中公式1來源於ASHRAE設計手冊潔凈室章節編著者Wei Sun的2004年ASHRAE專題論壇論文集中的一篇論文;而公式2來源於許鍾麟編著的2008版《潔凈室及其受控環境設計》中的公式。可以看出在壓差相同,滲透面積相同的情況下,公式1會得到較大的滲透風量。在具體的計算中,保守的設計者應該根據公式1進行計算.[在其他一些手冊或者著作中也可以看到不同的係數]

之所以不計算3.3的滲漏是因為作為潔凈室項目通常認為密閉性良好,3.3的泄漏不存在。但這存在潛在的計算誤差風險。因為在一個多梯度的房間區域,每個房間通常都不只一個房門,通常會有二個到三個。這種計算存在著滲透風量的計算內耗問題。我們從下面4章節的模型來解釋這一問題。

Wei曾在其文章中針對機電管線或者吊頂等處的滲風建議採用安全係數的方法將其計入門縫的滲風當中[3],從後文分析中我們可以看出這種方法有很大的缺陷。

4多梯度房間模型的建立

在我們已經知道房間的滲透的風量計算公式的前提下,我們就可以首先建立一個簡化的模型並在此基礎上進行分析得出我們的結論。

簡化模型的建立條件為

1. 房間為串級連接

2. 房間與房間之間有單門[2400mm*1200mm]連接,門縫的平均寬度為1.5mm;

3. 房間的潔凈等級相同,但是壓力要求不同[這在固體製劑的藥品生產廠房多見][也可建立潔凈等級不同之模型,不影響結論]

4. 房間之間的相對壓差均為10pa

5. 所有的房間之內均沒有工藝排風.

6. 假定所有房間的潔凈度均為ISO8,換氣次數採用較為安全的15次/H；

7. 所有的房間的面積相同均為40m2，層高3m

8. 人員密度為0.1p/m2，則每個房間有4人

9. 假定無任何傳遞傳遞窗或者傳遞抽屜。[如某一些房間存在這樣的通往相鄰房間的抽屜,也可建立模型,不影響結論]

為方便分析,我們建立一個由5個房間串聯的區域，見圖2.房間之間的滲透風量按保守的公式1計算,可以得出為182m3/h[51l/s][讀者可以自行計算]

為了更好地進行說明,我們需要建立一個定義:即「房間群」。它指的是存在壓力梯度的各個房間所構成的一個集合。當然這裡所建立的模型R(1-5)是最簡單的,實際的項目中的房間群之間的相互關係會更加複雜。所以我們所需要了解的其實就是有多少凈風量滲透出或者滲透進這個房間群,並其次作為我們確定新風量的重要依據之一。

從以上模型我們可以得出以下結果。如果按照圍護結構的滲透風量來計算的話,對於房間1到5這個房間群而言,房間和房間內的滲透風量在群內全部左右相互抵消，最後流出群[虛線框]的僅僅是最靠近外部圍護結構房間1的滲漏風量,僅僅為182m3/h,從建立的模型可以知道,這個房間群一共面積200m2,體積600m3.如此我們可以獲得房間群的正壓換氣次數N=(182m3/h)/(600m3)=0.3/h.也就是說整體房間群按照0.3次的換氣次數即可建立起從10pa到50pa不等的各級壓力。

新風比為182/(1800*5)=2%[如果按照10次喚起次數設計潔凈室也只有3%].

以上計算是建立在保守的公式1的基礎上,而如果我們用公式2的話則正壓換氣次數只有0.14/h[讀者可以自行計算]。

顯然這個數值遠遠低於通常工程上估算使用的1-2/h建立大約5pa;2-4/h建立大約10pa的概算值。這應該是一個比較明顯的錯誤計算方法。

同時我們也注意到房間1、2、3、4的送排風相等,但是均可以建立起從10-40pa的壓力。這也和我們實際的工程經驗不相符。

只不過在實際的工程項目設計當中,這種計算方式所導致的誤差往往被其他的數值計算所掩蓋。

首先是人員密度所計算出來的衛生新風量,在這個模型里為40m3/h*20=800m3/h>182m3/h[由於各個房間的新風比均一樣也等同於AHU 的新風比,所以不需要修正],這時的新風比例就達到了800/9000=9%左右。

其次往往一些房間存在工藝排風,結果導致新風的補充風量會更加大。

以上兩個原因往往導致實際的新風比總是大於10%。以我們的模型為例,9%的新風為800m3/h,當我們按照Qf=Max[約束條件1,約束條件2]=Max[f1(Ql,Qpe),f2(N)]計算結果時候，正壓換氣次數就達到了1.33/h.

因此以上按照滲透風量計算方法所得出的結果在一般的項目當中就會被忽略，因為在這些項目中,工藝排風或者員工所需衛生新風量這兩個因素佔據了主導地位。而滲透風量的計算結果被湮沒了。

一旦遇到一些沒有工藝排風[或者排風很少],並且全自動化程度很高不需要很多人在房間裡面的情況,Ql,Qpe,N三個變數中後兩個就會被湮沒,Ql則會被突出。因此這時Ql的結果就至關重要了。比如很多有潔凈要求的生物實驗室,壓力梯度多,但是工作人員並不多，也基本沒有工藝排風。

仍舊以上面圖2模型為例,如果房間的人員密度為每個房間甚至不需要一個人,可能房間1到房間5一共只會有4個人長期在內工作,這樣人員新風只需要160m3/h<182m3/h,顯然我們不能使用182m3/h來進行新風量的選擇，這個數值太小了。

現在我們已經知道,如果僅僅計算房間之間的滲漏存在著內耗,導致計算出來的滲漏風量偏小。那麼我們需要找到一個方法可以具體計算出附加的從圍護結構區域滲漏處的風量。

5.實驗對圍護結構滲漏風量的測試

我們從公式1或者公式2可以得知,此公式建立在默認一個房間僅僅只有門縫處或者抽屜處有滲透風量的存在,而在其他地方，特別是吊頂上是密封很好的，不存在一點點滲漏。其實這種公式建立在一種非常理想的模型上,在實際的工程中,找不到也不可能存在這種吊頂處不漏風的項目。而且實際的吊頂處或者地面處由於有大量的機電管線的穿越,例如燈具穿線,火災報警穿線,設備穿線等，即使做了打膠處理,也無法保證一點縫隙沒有。我們需要找到一個方法來測試除了門縫以外的圍護區域的滲漏風量。

筆者曾經專門做過一個高級生物實驗室的動物區域滲漏測試,此區域為潔凈室區域,壓力梯度複雜[有負壓陷阱存在]。密封要求很高,以0.2l/s*m2@50pa[5]

測試按照ANSI/ASTM-E779-03的門式安裝鼓風機的方式[6]測試,見[照片1][7]。即採用將潔凈室的門拆除然後安裝專用測試風機門.在原有的門縫處使用寬邊密封膠帶密封以保證門縫處的縫隙全部被密封住[寬邊膠帶基本可以保證門縫被全部封住,遠遠由於硅膠密封的措施]

一共測試了12套房間群,房間群均由1-2間房間組成一個群。我們需要通過實驗確認在門縫密封非常良好的情況下,實際有多少滲透風量可以從圍護結構特別是吊頂出去，並且能否滿足我們的設定標準。為此筆者特別整理了以上的12套房間群的資料,列出圖表如下[圖3][表1]:

虛線部分框出的斜線陰影部分為實驗房間群,分別為Zone1-Zone12.通過測試房間氣密性的實驗我們整理出以下數據

此表有以下信息可以得出

1.在房間本身密封性能較好的情況下,房間氣密性基本可以滿足0.2l/s@50pa的標準。

12套房間群中有7套的實際測試數據和設計要求數據非常接近甚至相等。同時也可以得知,即使在如動物房這樣的潔凈區域,除門縫以外的圍護結構仍舊有一定的滲漏風量;

2.在@50pa的情況下,圍護結構所形成的泄漏基本在0.9-1.1/h正壓換氣次數;

綜上所述,一個合格的潔凈區域應該完全可以滿足0.2l/s@50pa的氣密性的。在實際的項目中,由於絕大部分的潔凈室達不到50pa靜壓差,僅有10-15pa的壓差，所以考慮0.5-1/h的換氣次數就可以滿足圍護結構的滲漏,而選擇1/h的正壓附加風量應該是謹慎和安全的。

6.從模型上對滲透風量計算進行修正

基於此實驗,筆者對原有的模型進行了修正,見圖4

修正的模型有以下特點:

每個房間均考慮了除了門縫滲透以外的從吊頂等圍護漏出的風量.

整個房間群除了房間1對外的門縫滲風,還包括了所有的房間對吊頂的滲風。Wei Sun在他的[Quantitative Multistage Pressurizations In Controlled And CriticalEnvironments]中提到如果考慮吊頂等別處的圍護結構的滲風的話,可以使用公式1乘上一個安全係數[他的文中並沒有提到安全係數的參考值][3]。但是這種做法是值得商榷的.

上文已經提到,正是由於房間群內部有很多房間彼此之間存在著聯繫,如果完全按照公式1或者2的方法計算滲漏風量,那麼大量的門的滲風在內部系統計算中會被內耗掉。比如房間3從房間4獲得182m3/h滲風，但是又滲風到房間2為182m3/h.對於房間3來說實際在計算中並沒有任何滲透到房間群外部的風量被計算進入新風中。因此我們可以得知即便按照Wei Sun的方法採用安全係數還是會被內耗掉。不能真正計算出每個房間都有風滲透到吊頂外的狀況。

從圖3我們可以得知，從房間群滲漏出去的風量為782m3/h,則新風換氣次數為782m3/h/600m3=1.3/h,新風比為782/9000=8.7%.這個結果也符合一般工程估算的大致結果。

7.結論:

本文提供了一種新的計算房間滲漏風量計算方法。

理論而言,通過「房間群」的建立,考慮在門縫滲漏的基礎上,對吊頂等圍護結構的滲漏進行準確測試得到較為合理的正壓附加滲漏風量。其計算結果可以適用於所有的潔凈室多梯度區域的滲漏風量計算。

不過這一計算結果仍舊需要和工藝排風相加,並且和人員衛生需求新風比較取大值。

如果一些項目,人員密度很低,且無工藝排風,那麼滲漏風量的計算就相當重要。否則可能造成正常壓力梯度無法達到或者壓力不能正常建立的風險。

參考書目:

1. ASHRAE62.1-2007Section 6

2.空氣潔凈技術原理--許鍾麟(第三版) P326

3.Wei Sun QuantitativeMultistage Pressurization In Controlled And Critical Environments ASHRAETransactions: Symposia 2004 NA-04-7-2

4. 空氣潔凈技術原理--許鍾麟(第三版) P325

5.為瑞典某企業的內部標準

6.2009ASHRAE Handbook-Fundamental Envelope Leakage Measurement

7. Blower door - Wikipedia