Автор А.Е. ФЕДОТОВ , докт. техн. наук, президент Ассоциации инженеров по контролю микрозагрязнений (АСИНКОМ)

В статье рассмотрены основные подходы к построению системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Более подробно эти темы рассмотрены в книге «Чистые помещения» под ред. А. Е. Федотова, 2003 г. и других руководствах.

С истемы вентиляции и кондиционирования воздуха играют ключевую роль в обеспечении чистоты воздуха в помещениях, создании благоприятных условий для персонала и выполнении требований технологии к микроклимату. На создание и эксплуатацию этих систем требуются существенные затраты. При их проектировании часто допускаются ошибочные и неэффективные решения.

К настоящему времени инженерной практикой выработаны типовые решения, следование которым позволяет избежать неточностей и обойтись без лишних капитальных и эксплуатационных затрат.

Эти типовые решения относятся к:

❏ принципам построения систем вентиляции и кондиционирования;

❏ определению необходимых структуры и параметров кондиционера;

❏ выбору числа ступеней фильтрации и типов фильтров;

❏ определению кратности воздухообмена;

❏ обеспечению необходимого температурно-влажностного режима в помещении;

❏ созданию теплового комфорта для персонала.

Опыт Лаборатории испытаний чистых помещений фирмы Инвар при аттестации проектов (стадия DQ) и построенных чистых помещений (стадии IQ, OQ и PQ) выявил и характерные ошибки.

Исходные данные при проектировании системы вентиляции и кондиционирования

Перед началом проектирования следует четко сформулировать ее назначение и определить исходные данные.

Ошибки и неточности на данном этапе приведут к неправильному выполнению всей работы. К таким исходным данным относятся:

❏ требования к чистоте воздуха, а для чистых помещений — задание класса чистоты по ГОСТ ИСО 14644-1 или ГОСТ Р 52249;

❏ параметры микроклимата для технологического процесса (температура и влажность с допустимыми пределами отклонений);

❏ число работающих в помещении;

❏ выделение тепла и влаги от оборудования и процессов;

❏ выделение вредных веществ;

❏ площади и высоты помещений;

❏ требования технологии, исходя из особенностей технологических процессов и выполняемых, применяемых материалов и выпускаемой продукции;

❏ перепады давления между помещениями и скорости воздушных потоков (при необходимости).

Структура систем вентиляции и кондиционирования

В системе вентиляции и кондиционирования участвует несколько типов потоков воздуха:

❏ вытяжной — воздух, выходящий из помещения через систему принудительной вентиляции. Часть вытяжного воздуха ( L в ) может удаляться непосредственно в атмосферу местными вытяжками, часть поступать в рециркуляцию.

❏ наружный — атмосферный воздух, забираемый системой вентиляции и кондиционирования для

подачи в обслуживаемое помещение, L н ;

❏ приточный — воздух, подаваемый в помещение системой вентиляции и кондиционирования, L п ;

❏ рециркуляционный — воздух, подмешиваемый к наружному и вновь направляемый в систему вентиляции, L р ;

❏ удаляемый — воздух, забираемый из помещения и больше в нем не используемый, L у .

Следует учитывать также утечки воздуха из помещений с повышенным давлением (эксфильтрация воздуха, L э ) и инфильтрацию воздуха в помещение с пониженным давлением, L и . Простейшей схемой вентиляции и кондиционирования воздуха является прямоточная система, когда в помещение подается 100% наружного воздуха ( рис. 1 ).

Эта система неэкономична, поскольку весь поступающий в помещение воздух проходит весь цикл подготовки — от параметров наружного воздуха до требуемых параметров воздуха чистого помещения. Для этой системы характерны высокие показатели энергозатрат и сниженный срок службы фильтров.

L н = L п = Ó L п i = Ó L в i = Ó L в i + L э ,

L у = Ó L в i ,

где i — номер помещения.

В определенной степени улучшить показатели этой системы позволяет рекуперация тепла ( рис. 2 ). За счет рекуперации достигается экономия энергии на нагрев до 60%.

L н = L п = Ó L п i = Ó L в i = Ó L в i + L э ,

L у = Ó L в i ,

где i — номер помещения.

Прямоточные системы, ввиду их неэкономичности, применяются только там, где они необходимы и где недопустима рециркуляция воздуха (работа с вредными веществами, опасными патогенными микроорганизмами, гл. 17 [1]).

Там, где это возможно, применяются системы с рециркуляцией, что позволяет снизить энергозатраты в несколько раз по сравнению с прямоточными системами. Пример одноуровневой системы с рециркуляцией показан на рис. 3 .

L в = Ó L в i ,

L у2 = Ó L вм i ,

L п = L н + L р = Ó L п k ,

L у = L у1 + L у2 = L в - L р + L у2 = Ó L в i - L р - Ó L вм i ,

L р = L в - L у1 ,

где L вм i — расход воздуха местной втяжной установки из i -го помещения;

L в i — расход воздуха, подаваемого в кондиционер из i -го помещения.

В условиях холодной зимы или жаркого лета, а также при обслуживании чистых помещений несколькими кондиционерами применяется двухуровневая система. В ней наружный воздух готовится до определенных параметров в отдельном (центральном) кондиционере, а затем подается в рециркуляционные кондиционеры ( рис. 4 ).

Широкое применение находят местные фильтровентиляционные или рециркуляционные установки ( рис. 5 ) для создания зон с однонаправленным потоком воздуха, например, в операционных и других критических зонах.

Приводимые схемы дают общий подход к проектированию систем вентиляции и кондиционирования, они не охватывают всего многообразия вариантов принципиальных решений, которые в каждом конкретном случае должны разрабатываться исходя из поставленной задачи при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах.

Указанные выше типы потоков воздуха должны определяться для каждого помещения и системы в целом. На этой основе рассчитывается баланс воздухообмена , результаты которого оформляются в виде таблицы и наносятся на принципиальную схему вентиляции и кондиционирования воздуха ( рис. 6 ).

Для регулирования баланса воздухообмена целесообразно устанавливать клапаны на притоке и вытяжке.

Баланс воздухообмена

Смысл построения баланса воздухообмена состоит в проверке того, что суммарный объем воздуха, поступающего в помещение, должен равняться суммарному объему воздуха, удаляемого из помещения. Нарушение этого условия ведет к невозможности обеспечения требуемых перепадов давления, трудности открывания и закрывания дверей и пр.

Для чистых помещений это играет особую роль, поскольку необходимо поддерживать различное давление в разных помещениях.

В таблице баланса воздухообмена суммарный расход приточного воздуха и суммарный расход удаляемого воздуха должны быть равны для каждого помещения (по каждой строке таблицы).

Для каждого чистого помещения выполняется расчет приточного и вытяжного воздуха, а также учитываются утечки воздуха ( эксфильтрация — утечка воздуха в помещения с более низким давлением, инфильтрация воздуха — поступление воздуха из помещения с более высоким давлением).

Основные исходные данные для разработки проекта системы вентиляции и воздуха чистых помещений:

1. планировочные решения с указанием классов чистоты и перепадов давления;

2. назначение чистых помещений (чистых зон): защита продукта и процесса, защита персонала и окружающей среды;

3. выделение вредных веществ;

4. выделение тепла и влаги от оборудования;

5. численность персонала;

6. характеристика климата района строительства.

Расход наружного воздуха рассчитывается из необходимости:

❏ выполнения санитарно-гигиенических норм;

❏ компенсации удаляемого воздуха (как из отдельных помещений за счет работы вытяжных установок, так и удаляемого через систему кондиционирования);

❏ компенсации утечек из-за разности давления в чистых помещениях и окружающей среде.

Расход наружного воздуха для всей системы вентиляции равен сумме расходов воздуха для каждого помещения.

Расход воздуха для отдельного помещения равен сумме объемов воздуха, удаляемого местными вытяжными установками и потерь из-за утечек. Эта сумма не должна быть меньше минимального расхода наружного воздуха по нормативным документам.

Расчет приточного воздуха для каждого помещения

Приточный воздух выполняет следующие функции:

❏ обеспечение требуемого класса чистоты;

❏ обеспечение требований по микробиологической чистоте воздуха там, где они предъявляются;

❏ подачу требуемого количества наружного воздуха;

❏ удаление избытков теплоты и влаги и поддержание требуемых параметров микроклимата в помещении;

❏ компенсация утечек воздуха из-за перепадов давления.

На требуемую кратность воздухообмена влияют все перечисленные выше функции приточного воздуха. По каждой из них определяется необходимая кратность воздухообмена и наибольшее значение закладывается в проект.

Рассмотрим каждую из перечисленных функций.

Класс чистоты обеспечивается за счет многоступенчатой фильтрации воздуха и выбора фильтров соответствующих классов, заданием скорости воздушного потока (для однонаправленного потока воздуха), кратностью воздухообмена.

Кратность воздухообмена задает расход воздуха для чистых помещений классов 6-9 ИСО (зоны В, С, D). Для зоны А расход воздуха определяется скоростью однонаправленного потока. Существует несколько подходов к определению кратности воздухообмена для обеспечения чистоты:

❏ использование различных рекомендаций, стандартов и правил;

❏ расчетный метод.

Удаление избытков теплоты и влаги

Технологическое оборудование и персонал выделяют тепло и влагу, которые нужно удалять с помощью системы вентиляции и кондиционирования.

Обеспечение необходимого микроклимата с поддержанием температуры и влажности — важное условие обеспечение нормальной работы персонала в чистых помещениях.

Кроме того, отдельные технологические процессы (например, фотолитография в производстве микросхем) предъявляют жесткие требования к температуре и влажности.

Компенсация работы вытяжных установок

Определяется суммарный объем вытяжного воздуха для данного помещения. Частное от деления суммарного объема на объем помещения дает кратность воздухообмена, необходимую для компенсации вытяжек.

Компенсация утечек

Перепад давления между различными помещениями вызывает эксфильтрацию (утечку) воздуха из помещения через щели в притворах дверей и разного рода неплотности. Величина утечки должна

быть рассчитана для каждого помещения и учтена в балансе воздухообмена.

Утечка воздуха должна быть компенсирована равным количеством наружного воздуха в подаваемом приточном воздухе. В балансе воздухообмена должна учитываться и инфильтрация воздуха, т.е. поступление воздуха из соседних помещений.

Кратности воздухообмена в помещениях общего назначения

В таких помещениях расчет кратности воздухообмена выполняется в соответствии с санитарными нормами и по расчетам избытков тепла и влаги. В западных странах используются следующие значения кратностей воздухообмена (данные фирмы Airflow , Англия) для некоторых помещений ( табл. 1 ).

Выбор типов фильтров

Обычно системы подготовки воздуха для чистых помещений выполняются трехступенчатыми:

❏ первая ступень: фильтр средней эффективности типа F для защиты кондиционера от загрязнения;

❏ вторая ступень: высокоэффективный фильтр типа F для обеспечения чистоты в воздуховодах;

❏ третья ступень: HEPA- или ULPA-фильтр для обеспечения гарантированно высокого качества воздуха, поступающего непосредственно в чистые помещения.

Кроме того, использование трехступенчатой системы фильтрации воздуха гарантирует длительный срок эксплуатации для HEPA-фильтров и ULPA-фильтров.

Рекомендации по оптимальному подбору фильтров представлены в табл. 2 .

Характерные ошибки

Классы чистоты

Самым распространенным заблуждением является требование производства нестерильных лекарственных средств в чистых помещениях. Оно порождено пресловутым и безграмотным ОСТом 42-510-98 и предшествующими ему документами того же сорта.

Нигде в мире нет требования выпускать нестерильные формы в чистых помещениях!

Единственный документ, где приведены конкретные данные по чистоте приточного воздуха при производстве твердых форм — это Руководство Международной организации инженеров фармацевтической промышленности (ISPE). Оно содержит рекомендации по эффективности финишных

фильтров для различных стадий технологического процесса.

В мировой практике эти рекомендации используются широко без специфицирования классов чистоты. Никто не запрещает использовать и чистые помещения, причем многие специфицируют производство твердых форм в зонах D, и жидких нестерильных форм — в зонах С.

Но какой путь выбрать — применять чистые помещения или просто ограничиться определенным уровнем чистоты приточного воздуха и качеством ограждающей конструкции — дело самого заказчика. Этой логике следует Правила GMP ЕС (ГОСТ Р 52249) и руководства США. Если кто-то захочет принудить предприятие применять необязательный класс чистоты, то мы рекомендуем простое и эффективное средство: юридически оформить это принуждение так, чтобы затраты на него нес сам

инициатор. Никакие доводы, что так делают наши «передовые» соседи приниматься во внимание не должны. Широко распространено и завышение классов чистоты в стерильном производстве.

Следует иметь в виду еще один фактор. Иные проектные организации искусственно завышают классы чистоты и размеры чистых зон. Стоимость проекта и гонорар исполнителей прямо зависят от классов чистоты и объемов затрат. В практике автора встречался проект, в котором выделение частиц персоналом было завышено в 100 раз!

Неоправданно жесткие требования к температуре и влажности

Встречаются, например, требования поддерживать температуру воздуха 22 °С с точностью ± 1 °С и влажности в пределах 45-50% без обоснований со стороны технологического процесса. Простое расширение пределов регулирования параметров микроклимата в рамках существующих норм

позволяет существенно упростить всю систему.

Неоправданное применение прямоточных систем

Раньше, в условиях затратного механизма государственного финансирования, широко применялись прямоточные системы, даже там, где они не были нужны. В мировой практике рециркуляция воздуха применяется везде, где это допустимо с точки зрения безопасности. В противном случае рециркуляция зимой нагревает наружный воздух, а летом его охлаждает, т.е. существенные затраты вылетают буквально в трубу.

Завышение кратности воздухообмена

Неправильный выбор фильтров

В проектах часто предусматривают низкие классы фильтров (например, G3) на первой ступени фильтрации. Это увеличивает пылевую нагрузку на фильтры последующих ступеней и сокращает их срок службы.

Отсутствие принципиальной схемы и таблицы балансов воздухообмена

Без них судить о проекте нельзя. Их разработка обязательна. Указанные ошибки являются характерными примерами и не исчерпывают весь перечень встречающихся на практике недочетов. ■

Литература

1. . Под ред. А. Е. Федотова. Чистые помещения, 2003.