●文/深圳市傲通净化系统工程有限公司 刘晓清

　　摘要：在中国大陆，洁净室这几年已经突飞猛进的发展，这就要求我们不仅对洁净技术有个深切的了解，更是对我们专业行业的更高要求，认识当前现状，针对各行各业对洁净技术的要求，做到实用，美观，维护成本低，更于升级。

　　1、我们把洁净室技术分成三大范畴。这些范畴与洁净室用户对技术的应用是对应的，即从他决定购买洁净室开始，最后到洁净室运行为止。

　　首先，必须进行设计并建造出洁净室。为此，必须考虑：

　　(1)应采用什么设计标准；

　　(2)做何种设计平面布置图、使用何种建筑材料；

　　(3)如何向洁净室提供各种设施。

　　其次，洁净室已安装好并工作时，必须测试其是否符合设计规定。应在洁净室的寿命期中继续对其进行监测，以确保其仍然达到规定的设计要求。

　　最后，洁净室必须正确运行，这样所制造的产品才不至于受到污染。这就要求从人员与材料的入场，到服装的选择、洁净室的规定、洁净室的清洁都必须正确地予以实施。

　　2、英国洁净技术内容

　　英国比较重视“洁净技术”（清洁工艺）的研究与推广应用。1990年7月，英国“农业与食品研究委员会”和“科学与工程研究委员会”联合成立了“洁净技术小组”，专门负责组织“洁净技术”研究工作。1990年9月，英国政府在环境白皮书中特别提出要大力发展“洁净技术”。近年来，英国科学技术顾问委员会、英国研究委员会顾问委员会等机构，均先后就发展“洁净技术”问题向政府提交了专题报告。可以预计，随着环境保护工作的不断加强与经济的持续发展，英国的洁净技术研究与推广工作将出现一个崭新的局面。

　　归纳起来，英国的洁净技术包括下述七个方面的内容：

　　产品设计——使设计的产品制造、使用以及产品报废后的处置或收回再利用，消耗的资源（原材料和能源等）较少。

　　能源生产——即洁净能源的生产，如可再生能源、生物燃料、煤的汽化等。

　　新工艺——指与常规的产品制造工艺截然不同的工艺。

　　工艺改造——指对常规工艺的改进。

　　工艺控制——包括对工艺过程的监测与控制。

　　能源效率——指加工过程能有效地利用能源。

　　废物的现场回收利用——指在生产过程，在现场将废物加以再利用。

　　我国的洁净技术起步较晚，在“非典”之后，有医疗工作者提出了“洁净医院”的概念，洁净医院的概念包括很广泛的范围，包括布局设计、隔离病房、洁净手术室以及系统在线维护等等。英国“洁净技术”对我国卫生洁净工程设计单位具有重大的参考。现在设计决定工艺，如果从源头控制的话，设计是洁净技术应用的源头。洁净技术在卫生洁净工程的应用的目的，就是改变原来的事后控制变为事前控制，为此，我们在卫生洁净工程的设计时应考虑环境受控，实际控制要考虑下列因素：(1)温度；(2)湿度；(3)风量（送风、新风、排风）；(4)风速；(5)压力；(6)洁净度；(7)菌落数CPU；(8)噪声；(9)照度；(10)静电；(11)微振；(12)介质纯度；(13)气流组织；（14）自静时间；（15）分子污染AMC；（16）可燃气体、有毒气体浓度。

　　卫生洁净工程的设计者主要从事工程设计，目前国内很少有设计者接受专业的洁净知识培训，国家出台新的规范标准，要求设计人员具有相关的洁净知识才能从事洁净室的设计，尤其在医疗行业，这种设计关系到人民的生命安全。现在必须更改过去用半专业水平的状况，运用“洁净技术”的理念去设计卫生洁净工程。

　　3、卫生洁净工程施工控制

　　国内目前的卫生洁净工程施工大部分没有洁净的概念，和普通工厂厂房的施工没有什么区别，主要的问题在于目前国内对于洁净工程施工缺乏专业的规范。如何加强卫生洁净工程施工的控制，避免为洁净工程留下后期隐患，也是“洁净技术”在工程上应用的一个问题。我们要规范卫生洁净工程施工的过程，用“洁净技术”的理念指导整个施工过程，同时，培养一批专业的监理人员，加强卫生洁净工程施工的过程控制,达到无尘施工的目的。在事中控制，使对环境及人类生存的伤害最小化。

　　在我们的思维模式里，一提到环境保护，许多人马上想到的是污染治理，也就是如何处理和处置废品、废气和废水等污染物。英国把对污染物的常规治理技术形象地称为“尾端”治理技术。而如今，许多国家正在设法改变这种消极被动的办法，转而采用既有益于环境，又有利于经济发展的、积极的、主动的“洁净技术”（清洁工艺）进行源头治理，使环境保护工作迈上了一个新的台阶。我国洁净技术目前正处于初级阶段，洁净技术的理念被普遍接受，但在现实中应用到源头上还比较少。

　　从严格意义上来说，“洁净技术”是指“不产生废物的工艺和技术”。但是，要求生产过程不产生废物实际上是不可能的，这就好象极限一样，只能无限接近。因此“洁净技术”的合理含义应是能够降低原材料和能源消耗，并有效地防止污染物和其它废物的产生的工艺和技术。采用“洁净技术”，不仅可使产品在生产时尽量减少原材料和能源的消耗，减少有害环境的副产品的产生，而且可使产品在使用期终结时，也容易被处置，将其对环境的影响减少到最小程度。

　　4、卫生洁净工程的后期维护

　　卫生洁净工程的设计和施工决定后期维护的难易程度，一般来说，后期的维护费用要远大于设计施工费用，这是洁净行业公认的事实。为此，维护好卫生洁净工程是个艰巨复杂的工作。国内普遍的做法是由医院自己来维护，这个维护只能解决一部分问题，最后导致的结果是不能达到理想的设计标准。这就需要根据社会分工的原理来解决维护的问题，医疗机构的主要精力要放在医疗上，辅助医疗的卫生洁净工程维护应该由专业的公司来完成。医院在这个过程中一举两得，其一是从实施维护变成了监督维护，有利于控制交叉感染；其二是集中精力把医疗搞好。

　　5、洁净室的由来

　　早期，第一批洁净室最早出现于医院。劳得?李斯特意识到细菌可引起外科伤口的感染，这就是他的历史性贡献。他想到，从手术室中清除细菌应可防止感染。这就是一批洁净室的科学理论基础。

　　1960年，英格兰的布劳尔斯和克鲁尝试在米得尔斯伯勒市手术室布满整个吊顶的散流器获得下行运动的“活塞”式气流（即单向流，尽管当时不这样称呼）。但其低速流不幸被来自人员和手术室灯的热气流以及人员的活动所破坏，因而无法实现良好的单向流。这就是当约翰 ·强利教授（在赫沃空调公司的协助下）决定改进其在英国曼彻斯特附近惠灵顿医院手术室的通风时的情况。

　　强利是髋关节更换术的先驱，他发明了一种塑料或金属制造的人工关节代替有病的关节。开始时，他的手术病人败血症患病率为10%，这是个大问题。于是他采取了许多预防措施。他与赫沃斯尝试利用当时的知识(1961年)，完善下行气流的“活塞效果”。他们不是利用整个手术室的天花板（如劳尔斯和克鲁所做的那样），而是将其限制在一个小的面积范围内，由此改进下行气流。他们在手术室中放置了一个7英尺乘7英尺的“温室”，如图所示。 图上一强利公布的该系统的气流图。从图中可以看出，它实现了较好的下行单向流。

　　强利和赫沃斯空调公司增加了送风量，然后我们利用从美国和其他地方的层流（单向流）系统工作中获得的知识，实施了设计改进。强利发现对手术室的改进和对服装的面料及设计的提高，显著减少了悬浮细菌，而髋关节深度感染的减少恰恰与之相对应：从1959年手术室条件较差时的10%，降低到了1970年其全部改进到位时的不到1.0%。英国医学研究会证明，在20实际80年代，应用单向流隔离系统加上密封式服装，关节手术引起的败血症比紊流手术室降低四分之一。

　　6、早期的工业洁净室

　　在工程制造业中也取得了相似的进展。第一个工业生产用洁净室是在第二次世界大战中投入使用的，其主要目的是提高枪械、坦克、飞机用仪器的质量和可靠性。那时人们认识到，必须提高生产环境的洁净度，否则投弹瞄准器这样的装置就会出现故障。但当时只要假定洁净室要保持得像人们的住房那样清洁，于是便使用了不产生粒子的不锈钢做表面装修并保持其清洁。但人们还没有认识到，由机器和人员产生的大量悬浮粒子之扩散，应由大量的洁净送风使之降至最低。比如对于药品生产车间，当时的主流思想就是必须大量使用消毒剂使其不含微生物。为便于消毒，墙体使用帖面，地面则用水磨石铺面，并带有排水槽和下水口，以便排出消毒剂。通风也很原始，每小时换气仅几次。在室内或在生产区与外部区域之间，还谈不上气流控制。人员穿的棉服衣着与哪个时代手术室使用的相似。那时即便有更衣区，也是非常简陋的。

　　1939年至1945年二次大战期间开展的生化战争研究以及核子裂变的使用，使隔离危险微生物或隔离放射性污染所必须的高效过滤器应运而生。从此，在洁净室中即可获得非常洁净的空气，低度的空气污染成为现实。

　　1955年至该世纪60年代早期已建造出了具有这种通风的洁净室：充分过滤了的空气经吊顶的散流器送出。20世纪50年代早期，美国北卡罗来州云丝顿-塞伦市的西电公司在生产导弹用陀螺仪时总是出问题，其产品合格率仅为1%。后来发现，问题就出在尘埃上。于是决定建造一个“无尘”生产车间。该车间由AC公司设计并于1955年完成。

　　这恐怕就是世界上第一个考虑了洁净室所以基本要求的洁净生产车间。人员穿着合成纤维服并戴着帽子，还为他们配备了更衣室。选择了便于清洁而粒子产生又最少的建材，并尽量减少接缝与弯角，地板上满铺乙烯树脂直至墙面。照明采取平装式，使积尘最少。在照片右侧后部可看到使用了传递窗。空调送风经“绝对”过滤器（对0.3μm粒子虑除效率打99.95％），房间维持正压。

　　1961年，迎来了洁净室发展史上的分水岭，即美国新墨西哥州阿尔伯克基圣地亚实验室发明了“单向流”或“层流”通风理念。这是集体智慧的结晶，但首功则非威利斯·怀特菲尔德莫属。

　　一间小房间，10英尺长，6英尺宽，7英尺高（3米×1.8米×2.1米）。其送风不是经吊顶的散流器送出后以随机流的形式在室内运动，它是经由一系列高效过滤器送出。这就能确保空气从过滤器送出后以单向流流经室内并从地板格栅排出。从图中可以看出，室内工作台前的工作人员不污染放置在其前面的物品，因为人员所产生的污染被吹开了。

　　1962年4月13日，《时代》周刊发表了一篇文章公布了圣地亚实验室的发明：

　　位于阿尔伯克基——设计、总装原子武器的地方——圣地亚公司的科学家们对洁净室情有独钟，但他们也是身不由己。武器部件产生得越来越小，一颗粒子造成的问题就越来越大。在整个圣地亚，维克萨斯出生在威利斯·怀特菲尔德——怀特菲尔德超净室的发明人——是最苛刻的管家。他略微拉长了嗓音说道：“我在想那些尘埃粒子——这些不法之徒来自何方？所去何处？”物理学家怀特菲尔德在找到了自己问题的答案后认定，传统洁净室有原则错误。

　　一般的洁净室系统——越来越多的工业生产仰仗于它——是止住尘埃粒子使之不被释放出来。洁净室内禁止吸烟，禁止使用一般铅笔——因铅笔会释放铅粒子。洁净室的工作人员被“包装”在特殊的靴子、帽子、连体服之中，进入洁净室前还要经受真空清洁。房间本身则不停地用真空吸尘器清洁。尽管采取了所有这些预防性措施，空气中每立方英尺大于等于0.3微米（0.000012）的尘埃粒子至少还有1百万个。虽然对比着普通空气而言，这已是长足的进步，但怀特菲尔德相信他还可以更上一层楼。他把制止粒子产生这一想法抛在脑后，而是在粒子一出现就予以清除。

　　怀特菲尔德的超净室看上去像是一辆小的没有轮子的金属拖车屋。地板是金属格栅，以不锈钢铺面。工作台面对的是4英尺乘10英尺的“绝对过滤器”组——可过滤除低速空气中所有大于0.3微米的粒子。大多数洁净室使用过滤器仅仅是为了使送风洁净，而怀特菲尔德的过人之处在于用过滤器制造洁净空气，使该房间保持洁净。洁净空气以7英里/小时的风速（很轻的微风）流过工作台、穿过台前工作人员。工人穿着普通服装，还允许吸烟。头皮屑、抽烟的烟气、铅笔产生的尘埃以及其他粒子，都由洁净空气带走，吹进格栅地板，并排出室外。每隔6秒钟，房间的超净空气就换气1次。粒子因此无法在室内循环。结果，物理学家怀特菲尔德的洁净室比其竞争对手最洁净的房间还洁净至少1000倍。因为各工业部门急需高质量的洁净室，因此，各式各样的工业生产中立即采用了怀特菲尔德洁净室通风中的单向流原理。

　　7、当今而我们大陆客户中，外资企业为了让洁净室的系统得到国际认可，对于除净化级别外，还要求我们对其它各项指标符合国际相关标准，如NEBB认证等。

　　洁净室空调系统经典的方案是采用中央空调和三级过滤器集中送风，通过大型风道将已经处理的空气送至过滤器的接联管道，然后经高效空气过滤器（HEPA Filter）或者超高效空气过滤器（ULPA Filter）送到洁净室。而另一种方案是采用室内循环风就地冷却，利用干冷却盘管解决新风不能提供全部冷负荷的问题，同时利用风机过滤器单元来进行空气循环。每种方式各有一定的适用范围，风机过滤器单元（FFU）因其灵活性大,即可通过置换盲板来提高局部区域的洁净度、占用空间较少等优点得到越来越多的应用，尤其适合于旧厂房的改造及技术更新较快的工程。虽然FFU系统成本较高，而从综合投资角度，分析认为采用FFU方式在末端过滤器铺设率为25%－30%时较为有利。

　　ISO5级（百级）洁净室属于洁净室用暖通空调系统耗能大户，通常采用吊顶满布高效过滤器的送风方式，运行能耗较大。有关洁净室运行费用的文献指出，在某些欧洲国家，能源消耗的费用已占洁净室运行、维护年度总费用的65%～75%，其主要影响因素是洁净室的空气流量和采暖通风空调系统如何有效地向洁净室分布经过净化和温湿度调节的空气，所以在保证洁净污染控制的条件下，合理选择送风速度，布置末端过滤器、回风口、减少送风量以便节能是人们关注的焦点。

　　另外国外对一些ISO5级洁净室实测数据表明，大部分换气次数远低于建议的下限值，而在设计中存在系统风量过大的倾向，这可能与对气流缺乏了解，担心系统运行可靠性的保守思想有关，说明提高节省能源的机会确实存在。随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域，通过计算机求解流体所遵循的控制方程，可以获得流动区域的流速、温度、浓度等物理量的详细分布情况，是一种较好的优化设计工具。其优势在于利用CFD技术对设计方案进行模拟可以在施工前发现失误并及时更正，避免经济损失；可以迅速发现提高系统运行效率的可能性；另外，通过模拟可以得到一系列运行的备选方案，以便在寻找最经济方案时有所依据。

　　① 数值模拟及分析

　　从流动的雷诺数Re来考虑，洁净室的气流均为紊流，空气的流动满足连续性方程，动量方程和能量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有关平均值，因此，本文采用数值计算三类方法中雷诺时均方程中的紊流粘性系数法，流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型，k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。

　　控制方程的通用形式为：

　　式中：ρ为空气密度(kg/m3)，V为气流速度矢量(m/s)，Γφ，eff为有效扩散系数(kg/ms)， Sφ是源项，Φ代表1，u, v, w, k,ε中的一项，u, v, w为三个方向的速度分量(m/s)，k为紊流动能(m2/s2)，ε为紊流动能耗散率(m2/s3)，Φ=1时通用方程变为连续性方程。

　　边界条件：墙体边界设为无滑移边界条件。送风边界条件，送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下。回风边界条件，回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。

　　② 物理模型及计算结果分析

　　方案一将风机过滤器单元（规格为1.2m×1.2m）成条型居中布置于天花板，满布比在25%，回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。由于送风口在Y方向呈对称布置，图中只给出一半流场。在送风口下方流线垂直向下，流线平行较好，而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区，则主流区范围减少，不能使全室工作区达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入主流区，排除污染物的路径增长，增加污染的可能性。

　　方案二将FFU（规格为1.2m×1.2m）散布于天花板，满布比仍为25%，过滤器面风速在0.45 m/s，回风采用全地面均匀散布高架格栅地板作为回风口。模拟计算显示，对于均匀布置FFU方案，工作区1.2m及0.8m高度断面平均风速分别为0.1545m/s、0.1516m/s，可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流，形成小的涡流区，但在工作区0.8m－1.2 m范围内已形成竖直向下的流线，时均流线平行较好，由于此洁净室产热量较小，热气流对流线影响可忽略，不会产生逆向污染，因此上部的涡流不会对主流区产生影响。空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运动速度和位移是微小的，直径在1μm时，微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10－3。此设计中新风处理机组设三级过滤器，FFU中过滤器为U15≥99.9995%＠MPPS，直径＞1μm的微粒可视为零，因此，工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动，直接排出洁净室。

　　当进一步减小满布比时模拟计算可知，除送风口正下方—定区域外，其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下，过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区，污染物极易被卷吸进入涡流区内而不易排出。

　　经过模拟计算及分析，我们认为在送风口满布比为25%，均匀分布FFU，采用全地面均匀散布穿孔板回风，过滤器面风速在0.45m/s，相应换气次数为147次/小时，由于FFU可达到较大的送风面风速，以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用，因为如果采用侧墙下侧回风，就会在洁净室中间下部区域形成较大的涡流三角区，因此，洁净室内能够形成比较合理的气流流形，在主流区内能形成基本垂直向下的流线，但在靠近四周墙壁处，由于形成受限射流，出现涡旋，因此在布置设备时，应避免将设备靠墙壁布置，而应留有一定距离，这是洁净室施工完毕，开始投入使用时应加以注意的。另外，此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流， NEBB认证中已认为ISO5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型。

　　纵观整个中国洁净行业，不仅是洁净技术，还是竞争规则，我们任重道远！

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