●文/深圳市傲通凈化系統工程有限公司 劉曉清
摘要：在中國大陸，潔凈室這幾年已經突飛猛進的發展，這就要求我們不僅對潔凈技術有個深切的了解，更是對我們專業行業的更高要求，認識當前現狀，針對各行各業對潔凈技術的要求，做到實用，美觀，維護成本低，更于升級。
1、我們把潔凈室技術分成三大范疇。這些范疇與潔凈室用戶對技術的應用是對應的，即從他決定購買潔凈室開始，最后到潔凈室運行為止。
首先，必須進行設計并建造出潔凈室。為此，必須考慮：
(1)應采用什么設計標準；
(2)做何種設計平面布置圖、使用何種建筑材料；
(3)如何向潔凈室提供各種設施。
其次，潔凈室已安裝好并工作時，必須測試其是否符合設計規定。應在潔凈室的壽命期中繼續對其進行監測，以確保其仍然達到規定的設計要求。
最后，潔凈室必須正確運行，這樣所制造的產品才不至于受到污染。這就要求從人員與材料的入場，到服裝的選擇、潔凈室的規定、潔凈室的清潔都必須正確地予以實施。
2、英國潔凈技術內容
英國比較重視“潔凈技術”（清潔工藝）的研究與推廣應用。1990年7月，英國“農業與食品研究委員會”和“科學與工程研究委員會”聯合成立了“潔凈技術小組”，專門負責組織“潔凈技術”研究工作。1990年9月，英國政府在環境白皮書中特別提出要大力發展“潔凈技術”。近年來，英國科學技術顧問委員會、英國研究委員會顧問委員會等機構，均先后就發展“潔凈技術”問題向政府提交了專題報告。可以預計，隨著環境保護工作的不斷加強與經濟的持續發展，英國的潔凈技術研究與推廣工作將出現一個嶄新的局面。
歸納起來，英國的潔凈技術包括下述七個方面的內容：
產品設計——使設計的產品制造、使用以及產品報廢后的處置或收回再利用，消耗的資源（原材料和能源等）較少。
能源生產——即潔凈能源的生產，如可再生能源、生物燃料、煤的汽化等。
新工藝——指與常規的產品制造工藝截然不同的工藝。
工藝改造——指對常規工藝的改進。
工藝控制——包括對工藝過程的監測與控制。
能源效率——指加工過程能有效地利用能源。
廢物的現場回收利用——指在生產過程，在現場將廢物加以再利用。
我國的潔凈技術起步較晚，在“非典”之后，有醫療工作者提出了“潔凈醫院”的概念，潔凈醫院的概念包括很廣泛的范圍，包括布局設計、隔離病房、潔凈手術室以及系統在線維護等等。英國“潔凈技術”對我國衛生潔凈工程設計單位具有重大的參考。現在設計決定工藝，如果從源頭控制的話，設計是潔凈技術應用的源頭。潔凈技術在衛生潔凈工程的應用的目的，就是改變原來的事后控制變為事前控制，為此，我們在衛生潔凈工程的設計時應考慮環境受控，實際控制要考慮下列因素：(1)溫度；(2)濕度；(3)風量（送風、新風、排風）；(4)風速；(5)壓力；(6)潔凈度；(7)菌落數CPU；(8)噪聲；(9)照度；(10)靜電；(11)微振；(12)介質純度；(13)氣流組織；（14）自靜時間；（15）分子污染AMC；（16）可燃氣體、有毒氣體濃度。
衛生潔凈工程的設計者主要從事工程設計，目前國內很少有設計者接受專業的潔凈知識培訓，國家出臺新的規范標準，要求設計人員具有相關的潔凈知識才能從事潔凈室的設計，尤其在醫療行業，這種設計關系到人民的生命安全。現在必須更改過去用半專業水平的狀況，運用“潔凈技術”的理念去設計衛生潔凈工程。
3、衛生潔凈工程施工控制
國內目前的衛生潔凈工程施工大部分沒有潔凈的概念，和普通工廠廠房的施工沒有什么區別，主要的問題在于目前國內對于潔凈工程施工缺乏專業的規范。如何加強衛生潔凈工程施工的控制，避免為潔凈工程留下后期隱患，也是“潔凈技術”在工程上應用的一個問題。我們要規范衛生潔凈工程施工的過程，用“潔凈技術”的理念指導整個施工過程，同時，培養一批專業的監理人員，加強衛生潔凈工程施工的過程控制,達到無塵施工的目的。在事中控制，使對環境及人類生存的傷害最小化。
在我們的思維模式里，一提到環境保護，許多人馬上想到的是污染治理，也就是如何處理和處置廢品、廢氣和廢水等污染物。英國把對污染物的常規治理技術形象地稱為“尾端”治理技術。而如今，許多國家正在設法改變這種消極被動的辦法，轉而采用既有益于環境，又有利于經濟發展的、積極的、主動的“潔凈技術”（清潔工藝）進行源頭治理，使環境保護工作邁上了一個新的臺階。我國潔凈技術目前正處于初級階段，潔凈技術的理念被普遍接受，但在現實中應用到源頭上還比較少。
從嚴格意義上來說，“潔凈技術”是指“不產生廢物的工藝和技術”。但是，要求生產過程不產生廢物實際上是不可能的，這就好象極限一樣，只能無限接近。因此“潔凈技術”的合理含義應是能夠降低原材料和能源消耗，并有效地防止污染物和其它廢物的產生的工藝和技術。采用“潔凈技術”，不僅可使產品在生產時盡量減少原材料和能源的消耗，減少有害環境的副產品的產生，而且可使產品在使用期終結時，也容易被處置，將其對環境的影響減少到最小程度。
4、衛生潔凈工程的后期維護
衛生潔凈工程的設計和施工決定后期維護的難易程度，一般來說，后期的維護費用要遠大于設計施工費用，這是潔凈行業公認的事實。為此，維護好衛生潔凈工程是個艱巨復雜的工作。國內普遍的做法是由醫院自己來維護，這個維護只能解決一部分問題，最后導致的結果是不能達到理想的設計標準。這就需要根據社會分工的原理來解決維護的問題，醫療機構的主要精力要放在醫療上，輔助醫療的衛生潔凈工程維護應該由專業的公司來完成。醫院在這個過程中一舉兩得，其一是從實施維護變成了監督維護，有利于控制交叉感染；其二是集中精力把醫療搞好。
5、潔凈室的由來
早期，第一批潔凈室最早出現于醫院。勞得?李斯特意識到細菌可引起外科傷口的感染，這就是他的歷史性貢獻。他想到，從手術室中清除細菌應可防止感染。這就是一批潔凈室的科學理論基礎。
1960年，英格蘭的布勞爾斯和克魯嘗試在米得爾斯伯勒市手術室布滿整個吊頂的散流器獲得下行運動的“活塞”式氣流（即單向流，盡管當時不這樣稱呼）。但其低速流不幸被來自人員和手術室燈的熱氣流以及人員的活動所破壞，因而無法實現良好的單向流。這就是當約翰 ·強利教授（在赫沃空調公司的協助下）決定改進其在英國曼徹斯特附近惠靈頓醫院手術室的通風時的情況。
強利是髖關節更換術的先驅，他發明了一種塑料或金屬制造的人工關節代替有病的關節。開始時，他的手術病人敗血癥患病率為10%，這是個大問題。于是他采取了許多預防措施。他與赫沃斯嘗試利用當時的知識(1961年)，完善下行氣流的“活塞效果”。他們不是利用整個手術室的天花板（如勞爾斯和克魯所做的那樣），而是將其限制在一個小的面積范圍內，由此改進下行氣流。他們在手術室中放置了一個7英尺乘7英尺的“溫室”，如圖所示。 圖上一強利公布的該系統的氣流圖。從圖中可以看出，它實現了較好的下行單向流。
強利和赫沃斯空調公司增加了送風量，然后我們利用從美國和其他地方的層流（單向流）系統工作中獲得的知識，實施了設計改進。強利發現對手術室的改進和對服裝的面料及設計的提高，顯著減少了懸浮細菌，而髖關節深度感染的減少恰恰與之相對應：從1959年手術室條件較差時的10%，降低到了1970年其全部改進到位時的不到1.0%。英國醫學研究會證明，在20實際80年代，應用單向流隔離系統加上密封式服裝，關節手術引起的敗血癥比紊流手術室降低四分之一。
6、早期的工業潔凈室
在工程制造業中也取得了相似的進展。第一個工業生產用潔凈室是在第二次世界大戰中投入使用的，其主要目的是提高槍械、坦克、飛機用儀器的質量和可靠性。那時人們認識到，必須提高生產環境的潔凈度，否則投彈瞄準器這樣的裝置就會出現故障。但當時只要假定潔凈室要保持得像人們的住房那樣清潔，于是便使用了不產生粒子的不銹鋼做表面裝修并保持其清潔。但人們還沒有認識到，由機器和人員產生的大量懸浮粒子之擴散，應由大量的潔凈送風使之降至最低。比如對于藥品生產車間，當時的主流思想就是必須大量使用消毒劑使其不含微生物。為便于消毒，墻體使用帖面，地面則用水磨石鋪面，并帶有排水槽和下水口，以便排出消毒劑。通風也很原始，每小時換氣僅幾次。在室內或在生產區與外部區域之間，還談不上氣流控制。人員穿的棉服衣著與哪個時代手術室使用的相似。那時即便有更衣區，也是非常簡陋的。
1939年至1945年二次大戰期間開展的生化戰爭研究以及核子裂變的使用，使隔離危險微生物或隔離放射性污染所必須的高效過濾器應運而生。從此，在潔凈室中即可獲得非常潔凈的空氣，低度的空氣污染成為現實。
1955年至該世紀60年代早期已建造出了具有這種通風的潔凈室：充分過濾了的空氣經吊頂的散流器送出。20世紀50年代早期，美國北卡羅來州云絲頓-塞倫市的西電公司在生產導彈用陀螺儀時總是出問題，其產品合格率僅為1%。后來發現，問題就出在塵埃上。于是決定建造一個“無塵”生產車間。該車間由AC公司設計并于1955年完成。
這恐怕就是世界上第一個考慮了潔凈室所以基本要求的潔凈生產車間。人員穿著合成纖維服并戴著帽子，還為他們配備了更衣室。選擇了便于清潔而粒子產生又最少的建材，并盡量減少接縫與彎角，地板上滿鋪乙烯樹脂直至墻面。照明采取平裝式，使積塵最少。在照片右側后部可看到使用了傳遞窗。空調送風經“絕對”過濾器（對0.3μm粒子慮除效率打99.95％），房間維持正壓。
1961年，迎來了潔凈室發展史上的分水嶺，即美國新墨西哥州阿爾伯克基圣地亞實驗室發明了“單向流”或“層流”通風理念。這是集體智慧的結晶，但首功則非威利斯·懷特菲爾德莫屬。
一間小房間，10英尺長，6英尺寬，7英尺高（3米×1.8米×2.1米）。其送風不是經吊頂的散流器送出后以隨機流的形式在室內運動，它是經由一系列高效過濾器送出。這就能確保空氣從過濾器送出后以單向流流經室內并從地板格柵排出。從圖中可以看出，室內工作臺前的工作人員不污染放置在其前面的物品，因為人員所產生的污染被吹開了。
1962年4月13日，《時代》周刊發表了一篇文章公布了圣地亞實驗室的發明：
位于阿爾伯克基——設計、總裝原子武器的地方——圣地亞公司的科學家們對潔凈室情有獨鐘，但他們也是身不由己。武器部件產生得越來越小，一顆粒子造成的問題就越來越大。在整個圣地亞，維克薩斯出生在威利斯·懷特菲爾德——懷特菲爾德超凈室的發明人——是最苛刻的管家。他略微拉長了嗓音說道：“我在想那些塵埃粒子——這些不法之徒來自何方？所去何處？”物理學家懷特菲爾德在找到了自己問題的答案后認定，傳統潔凈室有原則錯誤。
一般的潔凈室系統——越來越多的工業生產仰仗于它——是止住塵埃粒子使之不被釋放出來。潔凈室內禁止吸煙，禁止使用一般鉛筆——因鉛筆會釋放鉛粒子。潔凈室的工作人員被“包裝”在特殊的靴子、帽子、連體服之中，進入潔凈室前還要經受真空清潔。房間本身則不停地用真空吸塵器清潔。盡管采取了所有這些預防性措施，空氣中每立方英尺大于等于0.3微米（0.000012）的塵埃粒子至少還有1百萬個。雖然對比著普通空氣而言，這已是長足的進步，但懷特菲爾德相信他還可以更上一層樓。他把制止粒子產生這一想法拋在腦后，而是在粒子一出現就予以清除。
懷特菲爾德的超凈室看上去像是一輛小的沒有輪子的金屬拖車屋。地板是金屬格柵，以不銹鋼鋪面。工作臺面對的是4英尺乘10英尺的“絕對過濾器”組——可過濾除低速空氣中所有大于0.3微米的粒子。大多數潔凈室使用過濾器僅僅是為了使送風潔凈，而懷特菲爾德的過人之處在于用過濾器制造潔凈空氣，使該房間保持潔凈。潔凈空氣以7英里/小時的風速（很輕的微風）流過工作臺、穿過臺前工作人員。工人穿著普通服裝，還允許吸煙。頭皮屑、抽煙的煙氣、鉛筆產生的塵埃以及其他粒子，都由潔凈空氣帶走，吹進格柵地板，并排出室外。每隔6秒鐘，房間的超凈空氣就換氣1次。粒子因此無法在室內循環。結果，物理學家懷特菲爾德的潔凈室比其競爭對手最潔凈的房間還潔凈至少1000倍。因為各工業部門急需高質量的潔凈室，因此，各式各樣的工業生產中立即采用了懷特菲爾德潔凈室通風中的單向流原理。
7、當今而我們大陸客戶中，外資企業為了讓潔凈室的系統得到國際認可，對于除凈化級別外，還要求我們對其它各項指標符合國際相關標準，如NEBB認證等。
潔凈室空調系統經典的方案是采用中央空調和三級過濾器集中送風，通過大型風道將已經處理的空氣送至過濾器的接聯管道，然后經高效空氣過濾器（HEPA Filter）或者超高效空氣過濾器（ULPA Filter）送到潔凈室。而另一種方案是采用室內循環風就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風不能提供全部冷負荷的問題，同時利用風機過濾器單元來進行空氣循環。每種方式各有一定的適用范圍，風機過濾器單元（FFU）因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區域的潔凈度、占用空間較少等優點得到越來越多的應用，尤其適合于舊廠房的改造及技術更新較快的工程。雖然FFU系統成本較高，而從綜合投資角度，分析認為采用FFU方式在末端過濾器鋪設率為25%－30%時較為有利。
ISO5級（百級）潔凈室屬于潔凈室用暖通空調系統耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風方式，運行能耗較大。有關潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風空調系統如何有效地向潔凈室分布經過凈化和溫濕度調節的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風速度，布置末端過濾器、回風口、減少送風量以便節能是人們關注的焦點。
另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數據表明，大部分換氣次數遠低于建議的下限值，而在設計中存在系統風量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔心系統運行可靠性的保守思想有關，說明提高節省能源的機會確實存在。隨著計算流體動力學（CFD）技術自身的發展，已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領域，通過計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細分布情況，是一種較好的優化設計工具。其優勢在于利用CFD技術對設計方案進行模擬可以在施工前發現失誤并及時更正，避免經濟損失；可以迅速發現提高系統運行效率的可能性；另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找最經濟方案時有所依據。
① 數值模擬及分析
從流動的雷諾數Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流，空氣的流動滿足連續性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關心紊流的精細結構及其瞬時變化，而只關心紊流隨機變量的有關平均值，因此，本文采用數值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數法，流動模型采用暖通空調廣泛采用的標準k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數。
控制方程的通用形式為：
式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(kg/ms)， Sφ是源項，Φ代表1，u, v, w, k,ε中的一項，u, v, w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變為連續性方程。
邊界條件：墻體邊界設為無滑移邊界條件。送風邊界條件，送風速度取過濾器面風速平均值，速度方向豎直向下。回風邊界條件，回風口滿足充分發展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小，不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進行求解。
② 物理模型及計算結果分析
方案一將風機過濾器單元（規格為1.2m×1.2m）成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。由于送風口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。在送風口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風口至墻體范圍內有較大的渦流區，則主流區范圍減少，不能使全室工作區達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。
方案二將FFU（規格為1.2m×1.2m）散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風速在0.45 m/s，回風采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風口。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區1.2m及0.8m高度斷面平均風速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區，但在工作區0.8m－1.2 m范圍內已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區產生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10－3。此設計中新風處理機組設三級過濾器，FFU中過濾器為U15≥99.9995%＠MPPS，直徑＞1μm的微粒可視為零，因此，工作區產生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。
當進一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風口正下方—定區域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區，污染物極易被卷吸進入渦流區內而不易排出。
經過模擬計算及分析，我們認為在送風口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風，過濾器面風速在0.45m/s，相應換氣次數為147次/小時，由于FFU可達到較大的送風面風速，以及均勻散布穿孔地板回風口的均流作用，因為如果采用側墻下側回風，就會在潔凈室中間下部區域形成較大的渦流三角區，因此，潔凈室內能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區內能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現渦旋，因此在布置設備時，應避免將設備靠墻壁布置，而應留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應加以注意的。另外，此設計中雖然不能形成如傳統滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流， NEBB認證中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。
縱觀整個中國潔凈行業，不僅是潔凈技術，還是競爭規則，我們任重道遠！
...... 更多精彩內容請見《國際光電與顯示》2012年8月刊，歡迎訂閱！ 訂閱咨詢：0755-86149014
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
