洁净室人员发尘规律研究

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 （ISO ５ ～ ７ 级 ） 的 洁净室 的 ５ 组 实 测 数据 ， 主 要 包括 0.5、5 μ ｍ  粒 径 颗粒 物的 浓 度 值 ， 并 与ISO ６ 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 ５ μ ｍ 粒 径 颗粒 物的 测 量 浓 度 相 近 ， 而 0.5 μ ｍ 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 0.5 μ ｍ 。 此 外 ， 由于较 大 粒 径 （ ≥ ５ μ ｍ ） 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 ５ μ ｍ 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0.5 μ ｍ  与  5 μ ｍ  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 0.5 μ ｍ  以 上 颗粒 物 浓 度 约 为 粒 径 5 μ ｍ  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 0.5 μ ｍ  以 上 颗粒 物 浓 度 是 粒 径  5 μ ｍ  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 0.5 μ ｍ  以 上 颗 粒 物数 量 为 粒 径 ５ μ ｍ  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 。

本 研 究 为 洁净室净化 空调系统的设计 提 供 指 导 ， 期 望 设计 人员 在 以后 的设计中能 将 理论与 实际 相 结合 ， 研 究 与 工 程相 结合 ， 使洁净室 内 通风的设计 既 满足 洁净度 要 求 ， 又 高效节能 。

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