Tại sao không thể có tiêu chuẩn thống nhất về lượng trao đổi khí của Phòng Sạch?
Có rất nhiều thông số có được từ thực nghiệm và tiêu chuẩn về lượng trao đổi khí phòng sạch (ACR). Nhiều tài liệu trong số đó có từ hơn 20 năm trước. Các tiêu chuẩn thường được tham khảo đó là ISO 146144-4 cho số lần trao đổi khí trong một giờ và tốc độ gió, và tiêu chuẩn Federal 209E cho tỷ lệ bao phủ trần của các bộ lọc không khí.
Nhiều biểu đồ tìm được trên internet phản ánh sự diễn giải tối nghĩa của các tiêu chuẩn công nghiệp, hoặc đôi khi là các dữ liệu được tìm thấy từ các tiêu chuẩn lỗi thời. Nhiều trong số đó là sự kết hợp các kết quả và đồ thị của các tài liệu sau:
- IEST-RP-CC012
- ISO 14644-4: Design, Construction, & Start Up
- Fed. Standard 209E (Hết hạn)
- ASHRAE
Điều gì làm cho việc tính toán lượng trao đổi khí của Phòng sạch trở nên phiền toái?
- Dữ liệu lỗi thời, không hoàn thiện, nội dung bị thiếu vắng hoặc bị pha trộn
- Phương pháp tính toán phòng sạch không đúng đắn
- Nhập sai thông số đầu vào, ví dụ như chiều cao trần và chiều gió thổi.
- Tham khảo các tiêu chuẩn lỗi thời hoặc không có cơ sở khoa học.
Tại sao lượng trao đổi khí lại quan trọng?
Lượng trao đổi khí là thành phần quan trọng để xác định thiết kế và tiêu chuẩn cho một phòng sạch HVAC. Tổng lưu lượng gió, hướng thổi và hiệu quả trao đổi gió có tác động sâu rộng đối với hiệu suất và chi phí của phòng sạch. Hiệu quả và chi phí của phòng sạch cuối cùng sẽ xác định mức độ lợi nhuận cho việc đầu tư vào một phòng sạch.
Kỹ thuật thông gió là phương pháp chính trong việc kiểm soát sự ô nhiễm dành cho các loại bụi dang hạt cũng như vi khuẩn. Tuy nhiên, yêu cầu từ người vận hành về sự an toàn và thoải mái trong quá trình sử dụng cũng là một yêu cầu mà một nhà cung cấp phòng sạch được đánh giá cao nhất phải đạt được.
Định nghĩa của ISO về lượng trao đổi khí
Được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 146144-4: lượng trao đổi khí được biểu thị bởi số lần trao đổi gió trong một đơn vị thời gian và được tính bằng thương số giữa thể tích gió cấp vào trong một đơn vị thời gian chia cho thể tích của phòng sạch hoặc vùng sạch.
Làm cách nào chọn đúng lượng trao đổi khí cho Phòng Sạch
Đầu tiên, người thiết kế phải xây dựng cấp độ sạch cần thiết của phòng dựa trên tiêu chuẩn ISO về kiểm soát bụi dạng hạt.
- Số lần trao đổi gió (ACH)
- Vận tốc gió trung bình
- Tỷ lệ bao phủ của các bộ lọc không khí
“Sự thật là không có một cách đơn giản nào để liên kết cấp độ sạch của phòng với một vận tốc gió phòng sạch hoặc lượng trao đổi khí cụ thể bởi vì những yếu tố phức tạp cần phải được cân nhắc trong suốt quá trình thiết kế và vận hành. Tuy nhiên, việc sử dụng vận tốc gió phòng sạch và/hoặc lượng trao đổi khí để tính tổng lưu lượng không khí cần thiết đã trở nên phổ biến trong thực nghiệm và trong các ấn phẩm của ASHRAE và IEST.”
Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley
Hướng thổi gió phòng sạch thiết kế HVAC sẽ xác định việc tính toán lượng trao đổi khí như thế nào là phù hợp. Sự chảy rối, nhiễu loạn, các thiết bị sản xuất và sự chênh lệch áp suất đều ảnh hưởng đến lượng trao đổi khí bởi vì không khí thải ra và hồi lại phòng sẽ tương tác với nhau trong suốt phòng sạch.
Tiêu chuẩn ISO phác thảo ra một phương pháp tính toán duy nhất cho phòng sạch có dòng gió thổi đẳng hướng và phòng sạch có dòng gió thổi không đẳng hướng.
- Trong phòng sạch gió thổi không đẳng hướng và gió hòa trộn, sử dụng phương pháp tính số lần trao đổi gió (ACH)
- Trong phòng sạch gió thổi đẳng hướng, tính lượng trao đổi khí bằng vận tốc gió trung bình.
Tính toán Lượng trao đổi khí (ACR) trong phòng sạch gió thổi nhiều hướng (ISO 6 – ISO 8)
Bảng bên dưới được trích dẫn từ tiều chuẩn ISO 14644-4:2004 Design, Construction, & Start Up.
Thông số bên dưới dựa trên chiều cao trần 3m.
| Chiều cao trần 3m | ACH mức thấp (m3/m2 x h) | ACH mức cao (m3/m2 x h) |
| ISO 6 | 70 | 160 |
| ISO 7 | 30 | 70 |
| ISO 8 | 10 | 20 |
Công thức tính số lần trao đổi gió(ACH)?
Tính toán ACR với ACH khi phòng sạch có gió thổi không đẳng hướng hoặc gió hòa trộn.
Công thức tính ACH cho phòng sạch:
Số lần trao đổi gió (lần/giờ) = lưu lượng gió (m3/giờ) / Thể tích phòng (m3)
Dưới đây, chúng tôi sẽ trình bày các nguyên tắc cơ bản về lượng trao đổi khí, nhưng cũng cung cấp một phác thảo hợp lý hơn về các bảng thông số trao đổi không khí tiêu chuẩn cho các phòng sạch cụ thể. Quan trọng nhất, chúng tôi sẽ giúp bạn hiểu được việc tính toán lượng trao đổi khí thích hợp dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp của phòng sạch trong cơ sở của bạn.
- Hầu hết phòng sạch có gió thổi không đẳng hướng hoặc gió hòa trộn đều là phòng sạch ISO 5 – ISO 8.
- Khi tính toán số lần trao đổi gió (ACH) phải điều chỉnh việc tính toán chiều cao trần.
- Áp dụng: Dược phẩm, y tế, khoa học sinh học, đóng gói, cách ly, xử lý…
Không được sử dụng vận tốc gió để tính sự trao đổi khí trong phòng sạch có gió thổi không đẳng hướng?
Nếu gió cấp cho phòng sạch là không đẳng hướng, thông số vận tốc gió sẽ không thể cung cấp một mẫu chính xác các dữ liệu suy luận được. Sự chảy rối, nhiễu loạn, các thiết bị sản xuất và sự chênh lệch áp suất đều ảnh hưởng đến số liệu vận tốc vì không khí thải ra và hồi lại phòng sẽ tương tác với nhau trong suốt phòng sạch. Dữ liệu đọc được sẽ không đại diện cho các số liệu chuẩn của các điều kiện phòng thực tế. Dòng khí không đẳng hướng đo được cùng với thông số vận tốc trung bình thường tạo ra những dữ liệu khó hiểu, gây hiểu lầm hoặc không liên quan.
Tính toán Lượng trao đổi khí cho phòng sạch ISO 1-5
Trong phòng sạch có gió thổi đẳng hướng, lượng trao đổi khí được tính bằng cách lấy mẫu vẫn tốc gió.
Người ta đề nghị rằng trong các phòng sạch có gió thổi đẳng hướng (Cấp ISO 1 – 5), lượng trao đổi khí được tính bởi vận tốc trung bình của dòng khí cấp. Trong một vài trường hợp, phòng sạch cấp ISO 6 có thể cũng yêu cầu gió thổi đẳng hướng.
Gió thổi đẳng hướng là gì?
Gió thổi đẳng hướng chuyển động song song theo chiều ngang hoặc dọc xuyên suốt một không gian, thường với vận tốc 60 – 90 ft/p (180 – 270 m/p). Luồng không khí duy trì một góc không quá 18 độ trong không gian chuyển động song song với một tốc độ đủ lớn sẽ quét đi các hạt bụi trước khi chúng bám vào các bề mặt.
Bảng thông số gió thổi đẳng hướng (Vận tốc gió trung bình)
| Ngưỡng vận tốc | ISO 5 | ISO 4 | ISO 3 | ISO 2 |
| Vận tốc mức thấp (m/s) | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Vận tốc mức cao (m/s) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
Ứng dụng phòng sạch cho Nguyên lý vận tốc gió trung bình
- Cơ sở vật chất phù hợp tiêu chuẩn
- Phòng sạch có gió thổi đẳng hướng
- Vận tốc gió thổi độc lập với cao độ trần
- Dùng cho sản xuất linh kiện điện tử và vi sinh
- Vận tốc gió đồng đều trong toàn bộ không gian
- Lường gió thổi xuyên qua toàn bộ mặt cắt của vùng sạch
- Vận tốc gió ổn định từ 60 – 90 ft/p và gần như theo hướng song song
- Luồng gió có hướng có thể được thổi theo cả chiều dọc lẫn chiều ngang.
Mật độ che phủ bộ lọc khí của phòng sạch gió thổi đẳng hướng
Trong đa số trường hợp,một phòng sạch có gió thổi đẳng hướng đòi hỏi chất lượng khí ISO 5 hoặc cao hơn và có mật độ bao phủ trần của bộ lọc khí gần 100%; mật độ che phủ bộ lọc khí không phải là một số liệu quá đặc trưng. Mật độ bao phủ miệng gió thường được tham khảo trong tiêu chuẩn IEST, FED, ASHRAE, nhưng lại không được tìm thấy trong tài liệu thiết kế mới nhất của ISO.
Như đã đề cập, số lần trao đổi gió trong một giờ của phòng sạch có gió thổi đẳng hướng được tính bằng thông số vận tốc gió. Điều này được đề cập trong tiêu chuẩn IES RP CC 002-86 “Thiết bị cấp gió đẳng hướng – Laminar Flow Clean Air Devices”, trong đó tính toán vận tốc gió thích hợp của phòng sạch có gió thổi đẳng hướng là 90 ft/p.
20% trong số tất cả các đo đạc phòng sạch có gió thổi đẳng hướng thường lấy chuẩn vận tốc gió là 90 ft/p. Một bộ lọc khí kèm quạt có thể đạt được 90 ft/p cho phép các nhà thiết kế có thể đơn giản tiến hành lắp đặt các bộ lọc khí kèm quạt cho đến khi nào đạt được cấp độ yêu cầu. Số lượng bộ lọc khí cần thiết có thể thay đổi tùy dạng cơ sở. Một cơ sở có thể có tới 100 khu vực được khoanh vùng, với các hệ thống khác nhau cho mỗi khu vực.
Mật độ che phủ bộ lọc khí cho phòng sạch có gió thổi không đẳng hướng
Mật độ che phủ bộ lọc khí là một chuẩn phòng sạch được đề cập trong tiêu chuẩn Fed 209E (nay đã hết hạn) và các tài liệu khác.
Câu hỏi thường được đặt ra nhất trong thi công phòng sạch là: “Cái này sẽ tốn bao nhiêu tiền?”. Lấy chi phí cơ bản của một bộ lọc khí nhân cho số lượng bộ lọc trên một đơn vị thể tích sẽ đơn giản hóa việc tính toán chi phí phòng sạch. Người ta có thể coi việc tính toán mật độ bao phủ của bộ lọc khí là một công cụ tham khảo trong gian đoạn thiết kế ban đầu.
Nếu không biết được số lượng bộ lọc khí cần thiết cho một phòng sạch, việc tính toán chi phí ban đầu cho một phòng sạch là một điều thách thức. Hiệu quả và chi phí của bộ lọc khí rất đa dạng, do đó việc ước lượng mật độ che phủ bộ lọc khí rất hữu ích cho các chuyên gia phòng sạch sau khi thiết lập được các tiêu chí khác.
Biểu đồ mật độ bao phủ của bộ lọc khí giúp đơn giản hóa công việc giữa người thiết kế và người sử dụng (người mua hàng) và làm cho việc báo giá trở nên minh bạch rõ ràng hơn. Hiệu quả cuối cùng vẫn được hình thành từ nhiều yếu tố khác nhau.
Tóm lại: Việc tính toán mật độ che phủ bộ lọc khí không được đề cập trong tiêu chuẩn thiết kế phòng sạch của ISO. Đây là một công cụ đa dạng cho các chuyên gia trong việc ước lượng chi phí xây dụng một cách nhanh chóng. Mật độ che phủ bộ lọc cung cấp một cách thức đơn giản để tính toán chi phí thi công phòng sạch trong suốt quá trình thiết kế sơ bộ, nhưng lại được coi là yếu tố phụ đối với hiệu quả và hiệu suất của phòng sạch.
Công thức tính mật độ che phủ bộ lọc không khí
Số lượng FFU = (Số lần trao đổi khí / phút) x (Thể tích phòng (m3) ÷ Vận tốc FFU (m/p))
Lượng trao đổi khí phòng sạch và bảng thông số của tiêu chuẩn của Dược điển Hoa Kỳ (United States Pharmacopoeia – USP)
Phòng sạch USP 797 và USP 800 dành cho các quy trình sản xuất thuốc vô trùng và độc hại cũng có những yêu cầu về lượng trao đổi khí riêng biệt. Trên thực tế, một máy hút mùi trong khu vực điều khiển chính có ảnh hưởng đến lượng trao đổi khí chung của cả căn phòng. Các chất vô trùng và độc hại có các yêu cầu thông gió khác biệt nhiều so với trong phòng sạch sản xuất thiết bị vi điện tử.
Các yếu tố trong tính toán trao đổi khí phòng sạch
Những mô hình này là thông dụng nhất bởi vì rất dễ để tra cứu ở giai đoạn thiết kế ba đầu. Việc tính toán cuối cùng cần nhiều công cụ kỹ càng hơn để đạt được mức độ phục hồi phòng sạch chuẩn ISO, để đảm bảo rằng mức độ ô nhiễm hạt bụi trong không khí hiếm khi vượt quá tiêu chuẩn. Ví dụ, một phương trình phân rã đo lường hạt giữa lần lấy mẫu thử nghiệm thứ nhất và thứ hai. Điều này giúp các nhà thiết kế có thể hiểu được mức độ hạt bụi sau khi các cửa hoặc lối đi mở hoặc đóng. Các yếu tố khác, chẳng hạn như sự phát tán bụi từ người và máy móc, các thiết bị làm sạch không khí bổ sung, sự bám dính bề mặt, và quy trình xử lý không khí cũng ảnh hưởng đến sự hình thành hạt bụi.
Tại sao Lượng trao đổi khí lại thay đổi bất chấp các tiêu chuẩn phòng sạch ISO?
Yêu cầu về số lần trao đổi khí của phòng sạch phần lớn được xác định bởi độ ô nhiễm. Một phòng sạch được xây dựng dựa trên chuẩn trao đổi khí mức thấp vẫn có thể đảm bảo nếu trong cùng một quá trình sản xuất tương tự, phòng sạch đó có ít người làm việc bên trong hơn.
Cơ sở vật chất cũng góp phần giải quyết vấn đề về hạt bụi bằng cách tăng lượng trao đổi khí, hoặc đôi khi bằng các thiết bị thay đổi dòng khí được tích hợp sẵn bên trong. Một số cơ sở phòng sạch lựa chọn hệ thống lọc được kiểm soát theo nhu cầu để tối ưu hóa quá trình tuần hoàn không khí dựa trên số lượng hạt theo thời gian thực. Tương tự như vậy, bộ lọc khí có thể điều chỉnh được cũng có thể cài đặt trước các thông số trong trường hợp phòng sạch bị bỏ trống trong thời gian dài. Bởi vì các phòng sạch thường được cung cấp điện 24/7, việc giảm tải quạt có thể giúp giảm chi phí năng lượng nói chung.
Tại sao sự trao đổi khí của Phòng sạch lại là một dãy thông số?
Trong gần như tất cả các ví dụ, lượng trao đổi khi được hiển thị bởi một dãy thông số có giá trị từ thấp đến cao bởi vì một lý do đơn giản … đó không phải là một môn khoa học chính xác.
Lượng trao đổi khí mức cao (48 ACH) của phòng sạch ISO 8 cao gấp gần 9 lần so với mức thấp (5 ACH) theo tiêu chuẩn ISO 146144-4. Điều này không đem đến sự rõ ràng cho các nhà thầu hoặc người đứng đầu dự án khi mà ngân sách, sự an toàn của sản phẩm hoặc chi phí vận hành là tối quan trọng.
Bảng thông số lượng trao đổi khí đưa ra một dãy thông số vởi vì các bảng này không tính đến sự phức tạp trong việc đạt được cấp độ sạch sau cùng của một phòng sạch cụ thể. Hơn nữa, một vài cơ sở có thể làm vượt chuẩn hệ thống xử lý không khí của họ để việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trở nên thuận tiện hơn. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, các cơ sở có xu hướng xây theo chuẩn thấp hơn để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng khí. Tuy nhiên, bảng thông số trao đổi khí cho phép ước tính tổng thể về kích thước và số lượng của các bộ lọc bụi, đây là một yếu tố quan trọng trong chi phí tổng thể trên mỗi đơn vị diện tích.
Một kết quả kiểm tra đáng tin cậy đòi hỏi một phương pháp kiểm tra đáng tin cậy.
Cần phải biết rằng mọi phương pháp tính toán đều thích hợp cho mọi cơ sở. Tùy thuộc vào thiết kế của phòng sạch và các thiết bị HVAC, các phương pháp tính toán đòi hỏi sự rõ ràng và hợp lý.
Các tiêu chuẩn thiết lập các nguyên tắc và các phương pháp thực nghiệm tốt nhất, tuy nhiên, lượng trao đổi khí của phòng sạch thay đổi nhiều hơn người ta nghĩ. Những người đứng đầu dự án và các nhà thầu thường thiếu hụt các dữ liệu để so sánh những sự thay đổi bên trong. Các yếu tố bao gồm việc sử dụng bộ xử lý không khí thay vì hệ thống bộ lọc không khí dạng mô-đun, hiệu quả của bộ lọc và động cơ, sự thay đổi lượng trao đổi khí trên mỗi khu vực và tổn thất áp tổng.
“Không có sự đồng thuận nào về một lượng trao đổi khí đề nghị. Hầu hết các thông số đều đề nghị một dãy các thông số, trong khi các dãy thông số này thường rất rộng và những nhà thiết kế, những người cần phải lựa một lượng trao đổi khí thích hợp để chọn lựa kích thước thiết bị, thì không được cung cấp các hướng dẫn rõ ràng.”
Cục nghiên cứu năng lượng Hoa Kỳ
Tại sao các cơ sở lại lảng tránh một bảng thông số chuẩn chung cho Lượng trao đổi khí?
Một lượng trao đổi khí được thiết kế một cách gắt gao sẽ đòi hỏi một hệ thống HVAC mạnh mẽ hơn, mật độ bao phụ bộ lọc khí lớn hơn, và làm tăng chi phí vận hành hệ thống. Đôi khi một quá trình sản xuất được chuyển đổi một cách nhanh chóng theo hướng làm ra các linh kiện nhỏ và nhạy cảm hơn, hoặc một cơ sở đang kỳ vọng vào việc tăng sản lượng và độ nhạy của sản phẩm trong một tương lai gần. Một hệ thống xử lý không khí với kích thước quá khổ có thể dễ dàng điều chỉnh nhu cầu về không khí trong khi quy mô sản xuất đòi hỏi một cấp độ sạch cao hơn hoặc bao gồm sự gia tăng số lượng phòng sạch.
Lượng trao đổi khí 2.0
Một bản thiết kế phòng sạch kết hợp việc phân tích và cân nhắc mọi yếu tố giữa nhà sản xuất, kiến trúc sư, kỹ sư, chuyên gia HVAC và nhân viên vận hành hệ thống. Bảng thông số trao đổi khí thường cung cấp các luận điểm và sự cân nhắc nhưng không gồm các cơ sở kỹ thuật có thể truy nguyên cho việc kiểm soát độ ô nhiễm. Tính toán ban đầu của lượng trao đổi khí phải phản ánh được các tình trang sau cùng và điều chỉnh các thông số ít rõ ràng hơn như việc bù đắp cho sự gia nhiệt, rò rỉ không khí, và tỷ lệ phục hồi.
Bảng thông số trao đổi khí là công cụ quan trọng trong suốt quá trình thảo luận ban đầu, tuy nhiên, hiệu suất và độ sạch là các thông số khó nắm bắt hơn nhiều so với diện tích phòng, vận tốc gió trung bình, lưu lượng gió trung bình, số lần trao đổi gió. Những nhà thiết kế phòng sạch giàu kinh nghiệm hiểu rằng những yếu tố khác như lựa chọn đúng kích thước quạt, mật độ bao phủ, và thiết kế phòng sẽ có kết quả không tốt nếu không được cân nhắc sớm. Một phòng sạch đòi hỏi nhiều nhiều sự đánh giá và quyết định ban đầu có sự phụ thuộc lẫn nhau để có được một nền tảng vững chắc.
Kết luận
- Trong phòng sạch gió thổi không đẳng hướng hoặc gió hòa trộn, sử dụng phương pháp tính số lần trao đổi gió (ACH)
- Trong phòng sạch gió thổi đẳng hướng, tính lượng trao đổi khí bằng vận tốc gió trung bình.
Chức năng cơ bản của mỗi phòng sạch là riêng biệt tùy theo quy trình sản xuất của nó, và tương tự vậy đối với môn khoa học để thiết kế ra chúng. Đối với phần lớn các cơ sở, việc đối thoại với người chuyên gia quản lý môi trường là con đường nhanh nhất để đi từ một ý tưởng phòng sạch đến một công trình phòng sạch.
Thông tin ở đây sẽ giúp bạn làm được hai điều: làm rõ và giải thích phương pháp tính toán lượng trao đổi khí, và hiểu được điều gì được ứng dụng nhiều nhất cho phòng sạch. Tuy nhiên, nó không phải là một yêu cầu cho phòng sạch của bạn.
Lược dịch: Khánh An