4.3.1 Влияние кратности воздухообмена

Для достижения определённого класса чистоты и степени асептики в чистом помещении обязательно требуется определённый расход приточного воздуха, а также определённая кратность воздухообмена и время самоочищения. Кратность воздухообмена — это показатель, которому должны соответствовать чистые операционные и чистые вспомогательные помещения (за исключением операционных Класса Ⅰ и чистых вспомогательных помещений Класса Ⅰ) для обеспечения требуемой чистоты и непревышения установленного времени самоочищения. Эти три технических показателя взаимосвязаны. Однако в реальной инженерной практике для достижения более высокого (соответствующего нормам) уровня чистоты часто увеличивают расход приточного воздуха, что косвенно увеличивает первоначальные инвестиции и повышает ежедневные эксплуатационные расходы; поэтому в данном пункте установлены верхний и нижний пределы кратности воздухообмена. Общий расход приточного воздуха (то есть кратность воздухообмена) связан с объёмом помещения, общей внутренней нагрузкой, количеством участников операции в помещении, пылевыделением от спецодежды и т.д. Кратности воздухообмена, указанные в Кодексе, учитывают определённый диапазон изменения этих условий; если условия не изменяются слишком сильно, они в целом соответствуют требованиям.

Кратность воздухообмена является важнейшим показателем, определяющим класс чистоты в чистых помещениях с турбулентным течением воздуха, включая чистые операционные Классов Ⅱ, Ⅲ и Ⅳ, а также чистые вспомогательные помещения всех классов.

В практическом диапазоне чистота улучшается с увеличением кратности воздухообмена. На Рисунке 4.4 показана зависимость между кратностью воздухообмена и концентрацией пыли в помещении: прямая линия на бумаге с двойным логарифмическим масштабом (при предположении равномерного распределения частиц в помещении) и ломаная линия (в реальности частицы распределены неравномерно).

Рисунок 4.4 Сравнение концентраций, рассчитанных по двум моделям распределения, с измеренными концентрациями

На Рисунке 4.4 прямая линия A — это результат статического расчёта на основе теории равномерного распределения; ломаная линия B — результат статических измерений. Ломаная линия C — результат статического расчёта на основе теории неравномерного распределения. Ломаная линия D — результат статического расчёта на основе неравномерного распределения при кратности воздухообмена более 100 обменов/ч.

На Рисунке 4.5 показаны кривые зависимости между кратностью воздухообмена и классом чистоты в чистых помещениях с турбулентным течением воздуха при статических (неоперационных) и динамических (операционных) режимах, опубликованные за рубежом. Как видно из рисунка, чем больше кратность воздухообмена, тем выше класс чистоты.

Кратность воздухообмена можно получить по формулам на основе требуемого класса чистоты воздуха, количества людей в помещении, площади помещения, других источников пылевыделения в помещении и коэффициента свежего воздуха; особенно при динамических режимах расчёты необходимо проводить для конкретных условий.

Поскольку класс чистоты требуется достичь при статическом режиме, как определить минимальную кратность воздухообмена? Как видно из линии C на Рисунке 4-4, при кратности воздухообмена 20 обменов/ч концентрация пыли в помещении составляет 40 частиц/л, то есть достигается Класс 10 000; даже при кратности воздухообмена ниже 10 обменов/ч также можно

Рисунок 4.5 Зависимость между кратностью воздухообмена и классом чистоты в чистых помещениях с турбулентным течением воздуха

достичь Класса 100 000.

Рисунки 4.4 и 4.5 в основном согласуются между собой. По статической кривой видно, что при 20 обменах воздуха чистота лишь незначительно хуже, чем у Класса 1 000.

Таким образом, при статическом режиме кратности воздухообмена, необходимые для достижения различных классов, могут сильно различаться, а их абсолютные значения могут быть довольно низкими. Более того, фактически применяемые кратности воздухообмена часто значительно превышают значения, указанные в кодексе. Поэтому в качестве стандарта для важнейшего параметра, обеспечивающего чистоту — кратности воздухообмена — следует установить обоснованное, немного ориентированное на безопасность значение, при соблюдении которого требования в основном будут выполняться.

[Справка] Поскольку технический подход при составлении Кодекса значительно изменился — во-первых, были приняты передовые международные технические модели, во-вторых, использован ряд отечественных научных достижений, все из которых подтвердили свою успешность за годы применения в инженерной практике, — расход приточного воздуха или кратность воздухообмена отличаются от применявшихся ранее. Однако окончательные результаты очень близки к показателям развитых стран, таких как Великобритания, США и Германия, при этом несколько отличаются от других соответствующих китайских норм, как показано в Таблице 4.3.

Таблица 4.3　Сравнение кратностей воздухообмена чистых помещений по различным стандартам

Класс Название операционной Класс чистоты операционной зоны Строительные нормы и архитектурно-технические правила для чистых операционных отделений больниц Архитектурно-технические правила для чистых операционных отделений военных госпиталей Нормы проектирования чистых помещений
Ⅰ Специальная чистая операционная 100 0,25～0,3 м/с 0,3～0,35 м/с 0,2～0,5 м/с
Ⅱ Стандартная чистая операционная 1 000 30～36 ч⁻¹ ≥55 ч⁻¹ 50～60 ч⁻¹
Ⅲ Общая чистая операционная 10 000 18～22 ч⁻¹ ≥30 ч⁻¹ 20～25 ч⁻¹
Ⅲ Общая чистая операционная 100 000 ≥20 ч⁻¹ 15 ч⁻¹
Ⅳ Квазичистая операционная 300 000 12～15 ч⁻¹

Примечание: Чистые помещения Класса 100 выражаются через скорость воздуха в поперечном сечении, а чистые помещения других классов — через кратность воздухообмена.

4.3.2 Значения кратности воздухообмена

Что касается кратности воздухообмена, все прежние стандарты устанавливали только значения нижнего предела, например 25 обменов/ч для Класса 10 000 и 15 обменов/ч для Класса 100 000 и т.д. В реальной инженерной практике в погоне за соответствием нормам эти значения увеличивали в несколько раз, что вызывало огромное расточительство. Фактически даже такие кратности воздухообмена, как 25 и 15, были рассчитаны для динамических условий, тогда как сейчас испытания полностью проводятся в пустых помещениях или при статическом режиме, в результате чего чистота повышается на один-два класса; другими словами, значений 25 и 15 уже достаточно. С учётом кратности воздухообмена для самоочищения (подробно рассматривается далее) Кодекс незначительно увеличивает значения для операционных, при этом незначительно снижает их для чистых вспомогательных помещений с учётом их статического режима, и устанавливает верхний предел на уровне примерно 1,2 от нижнего.

При одинаковом требовании к чистоте могут применяться различные кратности воздухообмена. Согласно теоретическим расчётам с опорой на результаты фактических измерений, при статическом режиме для Класса 100 000 значение может быть ниже 10 обменов, а для Класса 10 000 — ниже 15 обменов. Несмотря на то что настоящий стандарт основан на статическом режиме или состоянии после завершения строительства (пустое помещение), кратность воздухообмена нельзя рассматривать только с точки зрения статической чистоты. Это связано с тем, что кратность воздухообмена должна выполнять две функции: одна — обеспечивать чистоту, вторая — обеспечивать время самоочищения, причём последняя часто упускается из виду. Время самоочищения имеет большое значение для определения того, за какое время до начала работы необходимо запустить систему утром при отсутствии резервного вентилятора; однако если время самоочищения велико, время запуска необходимо значительно сдвинуть раньше, что является неэффективным. Для операционных есть ещё одна функция: определение момента, когда можно начать вторую операцию после завершения первой. Если перед началом требуется длительное время самоочищения, это очевидно как задерживает операции, так и снижает эффективность оборачиваемости операционной, поэтому чем короче время самоочищения, тем лучше; однако если оно будет слишком коротким, неизбежно потребуется значительно увеличить кратность воздухообмена, что также нереалистично. После исследований авторы кодекса определили, что для операционных Класса Ⅰ с локальными зонами Класса 100, поскольку они в основном используются для операций, имеющих решающее значение для жизни, предпочтительно время самоочищения не более 15 мин; для Класса 10 000 — не более 25 мин; для Класса 100 000 — не более 30 мин; а для квазичистых операционных Класса 300 000 допустимо время самоочищения не более 40 мин. С точки зрения утреннего запуска включение системы за 40 мин до работы не является слишком большим сроком. Если оно превышает 1 ч, то это слишком долго.

На основе вышеизложенных принципов могут быть рассчитаны кратности воздухообмена, приведённые в таблице положений; это так называемая «кратность воздухообмена с учётом самоочищения», которая учитывает время самоочищения, такой подход также применяется в военном стандарте Китая для чистых операционных отделений. Однако на практике запас надёжности часто добавляют снова и снова, в некоторых случаях увеличивая кратность воздухообмена в один-два и более раз, что действительно является расточительством; поэтому Кодекс устанавливает диапазон значений, сохраняя разницу между верхним и нижним пределами в пределах 1,2 раз.

【Справка】 Кодекс устанавливает расчётное количество людей в операционных: сверхбольшие — 12 человек, большие — 10 человек, средние — 8 человек, малые — 6 человек. В то же время, чтобы пресечь необоснованное стремление к увеличению размеров помещений, установлены верхний и нижний пределы площади; при необходимости увеличения для специальных нужд допускается превышение верхнего предела в 1,25 раза; этот показатель близок к японскому стандарту и выше значений военного стандарта.