【光电集成】洁净室人员发尘规律研究

今日光电 2024-01-20 18:00

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颗粒物浓度是控制洁净度需要考虑的主要因素之一，是洁净室的重要评价指标。生物洁净室的洁净度要求很高，需要大量的洁净空气去除室内的颗粒物，导致净化空调系统的能耗很高，一般洁净室的能耗为普通办公建筑的30～50 倍，其中约有50％的能耗用来维持 HVAC系统的运行。有关生物洁净室的设计规范包括ISO14644《洁净室和相关受控环境》、GMP《药品生产质量管理规范》和GB50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》等，在 GMP2010等不同的规范中都针对不同洁净度的房间给出了相应的换气次数推荐范围，设计时一般选用最不利值，并且采取定风量不间断运行。通过对洁净室的现场实测发现，在这种设计方法下，内部环境的颗粒物浓度远远低于标准中的上限，甚至仅为上限的１％。这表明，换气次数高于实际所需值，存在较大冗余度，造成了巨大的能源浪费。

显然，目前的洁净室净化空调系统设计并不合理。为了避免这种情况，ISO14644-２:2015《洁净室及相关受控环境：监测》等系列新标准中取消了换气次数的推荐范围，希望在后续的设计中，采取更加科学、系统的计算方法。在设计层面上，基于颗粒物负荷计算出洁净室实际所需的换气次数，而不是盲目照搬规范。在运行层面上，ISO14644-２:2015 标准强调了实时在线动态洁净度监测方法，作为洁净室验证的工具，根据颗粒物浓度实时调节控制策略。两者综合实施，节能减排。此外，应加强研究洁净度保障计算方法、运行策略的调整，以及颗粒物浓度的监测。当洁净室的洁净度级别较高时，人体是最主要的颗粒物散发源，弄清人体的颗粒物发尘量和发尘规律是落实合理设计冗余变风量的前提。

本文重点关注洁净室的颗粒物浓度，寻找主要发尘源，重点分析人员的发尘特点，探究人员对洁净室洁净度的影响，并总结人员的发尘规律和发尘当量，介绍科学的计算方法，寻找合理的换气次数，降低洁净度的冗余量，为洁净室换气次数的科学设计提供指导。

一、洁净室的通风净化

1、洁净室的通风净化原理

图１为生物制药厂房的通风净化原理图。虚线为稀释作用下房间颗粒物浓度随换气次数的变化。换气次数越大，浓度越低，洁净度级别越高。但是当换气次数增大到一定程度时，对洁净度的提升效果大大降低，这是稀释通风本身的局限性。因此，当换气次数增加到250/h以上时，其等效平均风速达到0.2m/s以上，应采用定向通风，控制颗粒物的定向排除，大大降低污染物浓度，提高洁净度水平。这也是Ａ级层流区的主要设计方法，但在设计时也应充分考虑吹风感对人的影响。

2、洁净室颗粒物污染源

洁净室内颗粒物污染源一般包括操作人员、设备、新风和建筑表面等，对于洁净度级别较高的洁净室来说，人员发尘大约占颗粒物总和的80%，是影响洁净度的最主要因素。但目前针对洁净室人员发尘尚未有明确的结论。因此，更新现阶段洁净室的运行数据，探究人员发尘规律，弥补行业研究缺陷，对洁净室的发展及节能具有重要意义。

二、洁净室内人员发尘特点

1、人体发尘的粒径特点

对洁净度级别较高的洁净室内颗粒物浓度的粒径分布进行了统计，图2显示了Ｂ级洁净度（ISO５～７级）的洁净室的５组实测数据，主要包括0.5、5μｍ粒径颗粒物的浓度值，并与ISO６级的浓度要求上限进行了对比。从图2可以发现，不同研究中５μｍ粒径颗粒物的测量浓度相近，而0.5μｍ粒径颗粒物的测量浓度则相差较大，级别较高的洁净室主要的分类粒径为0.5μｍ。此外，由于较大粒径（≥５μｍ）颗粒物存在易沉降、数量较少、检测较难等问题，导致测量数据误差大。基于以上，洁净室研究一般重点关注小粒径颗粒的浓度范围，ISO14644-2015删除了对５μｍ以上颗粒物的监测要求。

ISO14644标准对于不同粒径的颗粒物的浓度上限要求不同，其比例构成类似大气尘，对于洁净度级别较高的洁净室来说，发尘源主要是人员，其成分比例与大气尘稍有不同。表１总结了４篇文献中0.5μｍ与 5μｍ粒径颗粒物浓度的比值。从表１可见，洁净室内人体散发的粒径0.5μｍ以上颗粒物浓度约为粒径5μｍ以上颗粒物浓度的27倍，而 GMP或ISO规范规定对于洁净室的不同粒径颗粒物，粒径0.5μｍ以上颗粒物浓度是粒径 5μｍ以上颗粒物浓度的约121倍。因此，卫生不达标、人数超标的洁净室可能增加大粒径超标风险，而设备发尘超标、新风过滤不彻底等会增加小粒径超标风险。

2、人体发尘量随人数的变化

Strauss等人在ISO6级洁净室内进行了实际测量，认为洁净度与人员情况高度相关，提出人员密度可以作为颗粒物浓度的有效指标，利用人员发尘当量来衡量洁净室内颗粒物负荷是可行的。这为洁净室内发尘量的确定、换气次数的选取提供了理论上的指导。

但通过文献总结发现，即使作为主要的发尘源，人员发尘对洁净室的影响与人员数不呈线性增加，人员数增加到４人及以上时，每个人员增加的发尘量会减少。Loomans等人的研究表明，人员数从３人增加到４人时洁净室的实测浓度甚至反而降低。分析原因可能如下：一方面，当人员数增加时，人体的发尘量虽成倍增加，但引起的环境中的颗粒物的二次悬浮量增加较少；另一方面，人员密度较大时，人员的活动等会对洁净室内的气流组织产生扰动，可能促进洁净室内颗粒物的均匀混合。表２汇总了人体发尘量与人员数的拟合关系式。人员数与发尘量的非线性影响了换气次数计算的精度和准度，增大了监测调控的必要性。

３、人体发尘的影响因素

人员作为最主要的发尘源，确定一个合理的人员发尘当量是计算洁净室换气次数至关重要的一步。通过国内外文献的调研和对比，可以发现洁净室内人员发尘量在不同实验条件下差异较大，主要的影响因素包括洁净室的洁净度、人员的服装体系、人员活动强度等。

洁净度是影响人员发尘量及二次扬尘的主要原因，洁净度级别越低，环境中悬浮或者沉积到地面的颗粒物越多，人员活动引起的二次扬尘量越大，无控制环境和ISO2级环境人体剧烈运动时的发尘量最高可相差百倍。洁净度级别越低，人员步行与静止的发尘比值越大，例如，洁净室内人走路时发尘量约为静止时的2倍，而无控制环境中则高达 6倍，其中60％～70％均为二次扬尘，超过人员与服装的主体发尘量，成为最主要的影响因素。

洁净服对人体发尘的影响体现在服装对人体的包裹程度和材料本身的滤尘性、发尘性上。一般情况下，采用涤纶长丝的洁净服的发尘量远小于棉质、小于普通涤纶服装。另外，由于纤维本身的破损原理是先结团后掉落的过程，洁净服的发尘量并不随洗涤次数线性增加，随着洁净服洗涤次数的增多，测得的人体发尘量呈现震荡上升的趋势，这对洁净服的使用寿命提出了指导和意见。

人体的活动强度也是影响发尘量的重要因素，人体活动引起的摩擦、振动及洁净服漏风面积变化等原因加剧了人体对环境的污染，人体颗粒物的排放速率与活动强度正相关。活动强度越大，人体的发尘量越大，发尘量由大到小依次为：弯腰、屈膝＞挥臂、转身、行走＞静止，剧烈运动下的发尘量可达静止时的10倍。一般情况下，在洁净室内人体静止时发尘量最小，挥臂、步行、转身等属于轻型活动，发尘量约为静止时的２～５倍，弯腰、屈膝、踏步等属于重型活动，发尘量约为静止时的６～１０倍。研究不同活动强度下人体的发尘量对洁净室人员的操作规范有良好的指导意义。

三、讨论

从洁净室整体监测数据可以发现：人员散发的大粒径颗粒物占比高于大气环境，对于人员发尘量远大于设备、壁面和新风发尘量的洁净室，应对大粒径颗粒物给予一定重视；但发尘量并不随人员数呈线性增加，人员数较少时近似呈线性，而后续单位人员引起的发尘量增加越来越少；此外，工艺生产也与人的行为息息相关，由于工艺或者材料产生的发尘量也可以看作人员的函数，利用洁净度在线监测技术可以获得不同产品的生产人员发尘规律，实现基于洁净度的个性化控制送风。

对于人体发尘的影响因素，可以从发尘机理上进一步探究。人体自身细胞老化脱落产生的颗粒物大部分会先被洁净服拦截和阻隔，附着在洁净服表面，少部分透过或者从开口地方泄漏至环境中。随着人员的操作和走动等动作，附着在洁净服表面的颗粒物会震落；洁净服本身的磨损也会产生例如纤维等颗粒物的释放；人体活动还会引起周围环境颗粒物的再悬浮等。人体的发尘有许多影响因素，环境中的颗粒物浓度高、洁净服材料的过滤效果及包裹性差、人员的活动强度大都将会导致人体的发尘量增大。

四、结论

１）洁净室内人体散发的粒径0.5μｍ以上颗粒物数量为粒径５μｍ以上颗粒物的27倍左右。随着设备发尘量和洁净服洗涤次数的增多，小粒径的颗粒物占比会增大。

２）不同洁净室内，人员密度较低时发尘量与人员数呈线性关系，人员密度较高时为非线性，单位人员增加的发尘量降低。

３）环境的洁净度和人体活动强度是影响人体颗粒物散发的主要因素。不同洁净度下的人体发尘量可相差100倍，不同活动强度下可相差10倍。随着科技的发展，洁净室内洁净度控制越来越精确和严格，盲目采用多年前的测量值显然冗余度过高，也并不准确。因此，在选取发尘量时除了要注意洁净室的使用条件，还应注重运行的实时监测，定期总结反馈适宜的当量值。目前洁净室内人员发尘量设计值取 50000～180000粒/（人·min）较为适宜。