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医药洁净厂房风量平衡技术浅析

【摘 要】医药洁净厂房风量的精确平衡直接影响到洁净室换气次数，关系到洁净室的自净能力和洁净度，进而影响到产品良品率及安全性。风量(或换气次数)在GMP、FDA等认证中是必测项目，直接关系到净化系统能否正常运行。本文主要从常规医药洁净厂房风量平衡调试方面，探讨总结风量平衡方法，提高调试效率；其方法适用于医药洁净厂房净化系统的送风量、回风量、新风量及排风量的平衡测试。
【关键词】洁净厂房；风量平衡；风量测试

1.引言
医药洁净厂房以其净化系统风口多、房间多、系统复杂及系统稳定性差的特点困扰现场调试人员和厂务维护人员，对其净化系统进行综合性能调试需要具备较强的实践经验，要想提高其调试、维护效率，需要系统的分析整理并需要扎实的理论知识作支撑。而净化行业有关设计、施工部分的研究论著、参考文献相当丰富，涉及调试方面的参考资料却鲜有出现，所以我们在这里以某药厂净化空调系统送风量平衡为参考，对净化空调系统综合性能调试的重要环节风量平衡过程做一个剖析，进行经验总结，归纳调试模式。
风量平衡测试包括整个洁净厂房的空调系统，风量平衡涵盖空调系统总送风量、回风量、新风量的平衡，以及系统内部各个风口之间风量的调整与测试，使其满足设计风量与房间换气次数要求。风口(或高效风口)作为通风空调系统的末端设备，同时也是洁净厂房中净化系统末端设备。医药洁净厂房净化系统末端采用了高效过滤器送风，过滤安装于静压箱内，静压箱与净化空调系统的送风支管相连接。要想做到空调系统内部风口之间的风量平衡，首先必须做到各个送风支管之间的风量平衡，而平衡的前提是对风量的准确测量，否则就是盲动。洁净厂房因需要防止交叉污染，房间也因其不同功能进行设置与分割，所以医药洁净厂房具有房间多、风量要求精确、压差梯度等级要求高等特点。
实际测试过程中，净化空调系统高效送风口的截面风速并非想象中的均匀，因此要准确的进行风量平衡不仅需要先进的测量仪器，同时还要具备系统的平衡技术。风量平衡过程由总风量测定孔位置选取、总风量调试、风口风量调试和风阀位置标记等过程组成，依据净化空调系统的特点，我们称之为风量平衡技术。首先依据设计图纸对系统进行检查，了解现场是否存在变更情况，确保机组运行正常，送风、回风、排风阀门设定在固定位置；其次用热敏式风速仪进行总风量的调整；再次，在完成各个高效送风口送风量摸底测试的基础上，有预见性的调整相应风阀开度，对系统支管风量平衡的同时，完成风口风量平衡工作；最后重新测试各个风口风量以及空调系统总送、回风量及新风量。在平衡过程中，要对流体的“此起彼伏”现象有预见性，灵活运用测量仪器，减少反复调整、测试次数。测试过程中使用电子式风量罩，完全覆盖整个高效送风口，实时读取风量数据，确保被测风量受控于允许波动范围内。
2.风量平衡流程
医药洁净厂房风量平衡流程见图1：

图1 医药洁净厂风量平衡流程图

调试过程所采用的测量仪器设备见表1：
序号
设备名称
量程
单位
数量
用途
备注
1
热敏风速仪
0～50m/s
台
1
总风量测定
测定风管风速
2
风量罩
42～4250m3/h
台
1
风口风量测定
直接测试风口风量
3
对讲机
/
台
3
调试通讯用

4
标识牌
若干
表1 风量平衡测试所用仪器

2.1总风量测试测定孔位置选取
净化空调系统总风量测定：分别测定送、回风主管风速与测试断面截面面积，通过其乘积计算得出总风量：

式中 L----风管送风量/回风量m3/h
s----风管的测定截面面积，m2
----测试断面平均风速，m/s
所以合理选择测试断面是精确测定送、回风总量的前提，测定孔位置选择流程如图2：

图2 总风量测定孔位置选择流程图

测试断面的选取与测试断面截面积的测定是测试的前期准备工作，测试断面选择原则是尽量选择气流均匀、前后一定距离范围内无局部阻力部件的直管段上。尽量保证被测断面风速的均匀性与稳定性。
总风量测定截面位置选择，测量端面应位于大于或等于局部阻力管件前3倍管径或长边长，局部阻力管件后5倍管径或长边长的部位[1]。但在现场实际操作中，并不一定存在如此理想的测量端面，所以可以依据现场情况，尽量离上游局部阻力部件(如弯头)距离远点，可根据图3选择测定孔的位置。

图3 总风量测定孔位置选择示意图

现场测试过程中如果没有理想的测试断面或测试点所在断面直管段长度过短，风速测定断面存在涡流的可能时，应增加测点来提高测试准确性，测试断面测定点越多，其测试结果越接近真实值。
测试断面选取后，要对风量测定孔位置进行定位。风速测点的选取是以面积等分原则为基础，把被测风管断面分成若干面积相等的规则区域，取各个区域中心点风速的平均值为断面测试风速。所以依据现场风管形状的不同，其测定孔的选取方式也存在少许差异：
工程现场最常见的风管形状为矩形风管(包括正方形)与圆形风管：
对于矩形风管，将测定截面分成若干个面积相等的小界面，尽可能接近正方形，边长最好不大于200mm，其截面积不大于0.05m2，测点在各个小截面的中心处，但整个截面测点数不宜小于3个。
对于圆形风管截面，应按等面积圆环法划分测定截面和确定测点数；即根据管径大小将圆管截面分成若干个面积相等的同心圆环，每个圆环上有四个测点，四个测点必须在相互垂直的两个直径上，圆环的中心设一个测点。[2]
故对于圆形风管其风速测定点位于圆管内部相互垂直的两条直径上：如果圆管直径较小，可以在相互垂直的两条直径两端各开一个测定孔即可；如果直径较大，则在相互垂直的两条直径两端各开两个测定孔，测试时分别从管壁两侧向圆环中心点测试风速同时圆环中心设一个测点测试风速。以下分别为矩形风管与圆形风管测定孔与测点布置示意图，分别见图4、图5：

图4 矩形风管风量测定截面测点布置示意图

图5 圆形风管风量测定截面测点布置示意图

圆环的面积:
圆环半径:
式中　D----圆形风管截面直径mm
m----圆环的序数(由中心算起)
n----圆环的数量

圆环划分数量按表2确定:
风管直径mm
＜200
200～400
400～700
＞700
圆环个数
3
4
5
＞6
表2 圆形风管风速测试圆环等分关系表(等面积圆环法)
各测点距风管中心的距离：
式中Rm’--从圆形风管中心至第m个测点的距离(mm)，可参考图6
D----风管直径mm，
m----圆环的序数(由中心算起)
n----圆环的数量
各测点距测定孔(即风管壁)的距离L1、L2可按公式计算,可参考图6

式中 L1----由风管内壁到某一圆环上最近的测点之距离
L2----由风管内壁到某一圆环上最远的测点之距离

图6 圆形风管测点距离图
2.2总风量的调试
风口风量平衡的前提是总送、回风量的平衡，总风量调试的流程如图7：

图7 总风量调试流程图
进行系统总风量调试之前，需确认空调机组处于正常运行状态，系统管路风阀(防火阀、手动调节阀、电动阀、密闭阀等)全数检查确认其正常开启,电动阀与自控专业联系定位。若机组为变频控制时，可根据设计总风量与机组额定参数进行比较，预估设定一个频率值，一般可设定在40Hz，新风阀置于大约1/3位置(洁净厂房维护结构密封性较高，防止围护结构正压过高)。检查完毕阀门悬挂“调试中、勿动作”标识牌。
总风量调试目的是对净化空调系统总送、回、新风量进行平衡，我们有风管法和风口法两种方法。当洁净厂房净化空调系统规模较大、主干管路具备较长直管段时，我们选择风管法；当其净化系统较小，主管管路弯曲又不便测试时，我们常采用风口法进行平衡以提高效率。
2.2.1风管法测定总风量
使用热敏式风速仪分别测定送、回风主管平均风速，使用卷尺测定测试断面尺寸，通过其乘积计算得出总风量：

式中 L----风管送风量/回风量，m3/h
s----风管的测定截面面积，m2
----测试断面平均风速，m/s
风速可以通过热球风速仪直接测量，然后取平均值；也可以利用毕托管和微压计测量风管上的平均动压，通过计算求出平均风速。当风管的风速超过2 m/s时，用动压法测量比较准确。
平均动压和平均风速的确定：[3]
算术平均法
均方根值法
平均风速
式中Hdn----各测定点的动压值，Pa
Hdp----平均动压值,Pa
ρ-空气密度,kg/m3
-----平均风速,m/s
2.2.2风口法测定总风量
对于净化空调系统较小，管路走向比较复杂，在风管上无法准确测量其风速时，就采用风口法累积测试系统总风量。采用电子式风量罩直接测量，它的使用方法比较简单只须把它举起完全覆盖高效送风口，仪器自身可以换算出风量结果，我们只须等仪器测试稳定以后记录数据即可。逐一将整个系统中各个高效过滤器风口风量测出，最后相加得出该系统的总风量。
测得空调系统的总风量后，拿来与设计值进行比较，若与设计总风量存在较大差异，通过调节变频器或手动调节阀门进行调节。当机组属于变频控制时，通过变频器的动作调整总风量；
当不涉及变频控制时，通过调节总送、回风量阀门来调节风量。调整后重复进行上一步骤，即重新测试机组总风量，直至满足设计风量要求。
2.3风口风量平衡调试
基于预先进行的总风量调试基础上，进行风口风量平衡调试，实现空调系统内部各风口风量平衡。风口风量平衡调试实际上是通过调节阀门的开度，使其阻力特性发生变化，最终使系统内部各个风口之间达到设计要求的平衡状态。进入该阶段不能局限于仅满足局部风口风量
要求，而要从整体布局考虑，有预见性的进行系统调试。
风量平衡前应对每一个高效过滤器送风口进行编号，非单向流洁净厂房风量平衡的实质是风口风量平衡，而单向流洁净厂房风量平衡的实质是风口截面风速的平衡，技术流程见图8：

图8 风口风量平衡调试流程图
(1)对风口(高效过滤器)进行编号，编号的目的是保证调试过程中配合顺利，给技术夹层与洁净室内调试人员协调作业带来便利。通常同一系统，同一洁净区的风口编号是连续的。
(2)摸清风口风量分布情况，并作对应记录，做到有备而调，全局照应；不盲目、有针对性、有预见性的进行系统调试。
(3)风口风量平衡调试主要采用基准风量平衡法、等比平衡调试法和预见针对平衡法。其中基准风量平衡法和等比平衡调试法是基于流体力学公式所衍生出来的，注重理论与实际的结合，根据公式：
(—风管的阻力损失；—风管的阻力系数；—通过该风管的风量)
由该公式看出风量与阻力成反比的关系。预见针对平衡法是在熟练调试经验的基础上，有针对性的对风量偏差较大的风口进行调整，具体实施方法如下：
根据步骤(2)中所测风量分布记录找准风量最小风口和比设计值高且偏差风量最高的风口，抓住该“最小”和“最大”采用“消峰填谷”(“峰”指“最大、最高”、“谷”为“最小、最低”)平衡法，关闭“最大”风量风口风阀将风量挤压至“最小”风量风口，使得整个系统风口风量相对均匀且控制在设计风量偏差20%内；再次测试系统中的全部风口风量并记录，并计算出实测风口风量与设计风量的比值，采用等比平衡调节法进行微调，使各个风口风量相对均匀，且控制在设计风量偏差15%内，整个过程中时刻留意系统总风量的变化趋势。
2.4风量复测
风口风量平衡完毕，系统中与之相关的送风量、回风量和新风量均需要复测，防止因系统阻力变化明显导致总送风、回风量变化，风量复测执行前文所述的风量测试方法。
2.5风阀开度位置标记
风阀开度位置标记是为了防止阀门在系统波动时产生移位便于恢复，同时便于生产维护。在做阀门标记的过程中，逐一取下“调试中，勿动作”标识牌，并对阀门做标记，标记采用记号笔，以画线条方式进行，标记的同时应检查阀门是否固定牢固。

3.风量平衡所涉及的规范
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002 [4]
第11.2.3条 系统无生产负荷的联合试运转及调试应符合下列规定:
1 系统总风量调试结果与设计风量的偏差不应大于10%；
2 系统经过平衡调整，各风口或吸风罩的风量与设计风量的允许偏差不应大于15%；
《洁净室施工及验收规范》 JGJ71-90 [5]
第5.4.2条风量和风速的检测应符合下列规定：
一、乱流洁净室按附录六、二检测，结果应符合以下规定：
1 系统的实测风量应大于各自的设计风量，但不应超过20%
2 总实测新风量和设计新风量之差，不应超过设计新风量的±10%
3 室内各风口的风量与各自设计风量之差均不应超过设计风量的±15%

4.质量保证措施
整个调试过程保证所有测量仪器处于在检状态；所做的每一测试，保留原始记录；风口风量平衡过程中时刻关注总风量的变化趋势；涉及风口风量测试尽量采用风量罩测定,少用单点风速仪，减小测试误差；风速仪测试时，测定点数适当增加，减小误差；系统平衡调试完毕，阀门把手固定牢固避免系统波动。

5.应用实例
西安杨森制药有限公司Marcopolo栓剂制造车间及包装贮备中心(PPC)风量平衡测试。
5.1工程概况
该净化工程项目净化面积1300m2；共有2台空调机组1L/AA6和1L/AA7；1L/AA6系统33台高效过滤器风口；1L/AA7系统34台高效过滤器风口；净化区域净化级别为十万级。这里我们将以1L/AA7净化空调系统为例阐述送风口风量平衡过程(1L/AA7系统图见图9):

图9 1L/AA7 空调系统图

1L/AA7系统设计送风量：40930m3/h；设计回风量：30668m3/h；设计新风量：40930-30668=10262 m3/h。总送、回风管尺寸均为：2000mm*800mm。计算得出送风总管设计风速7.11m/s；回风总管设计风速5.32m/s。
5.2平衡测试情况
根据工程的实际情况，该系统送、回风主管路均具备较长直管段条件(长度约有6000mm)，气流相对均匀，由此选择风管法测定其系统总风量。
沿该送风主管气流方向向下4000mm位置选择测试截面，开具4个测定孔，间距200mm，两端距风管边缘各留100mm。每个测定孔内部测试10个测点，测点间距200mm,其测试断面布点示意图见图10：

图10 1L/AA7净化空调系统送、回风总管风速测试测点布置示意图
将1L/AA7系统设计总风量与机组额定参数进行比较，将洁净空调系统机组频率设置为40Hz, 总送、回风总阀全开(系统有变频器)，新风阀置于1/3位置(满刻度为90°),同时测试净化系统内部整体压力，经实际测量洁净厂房内的整体压力20Pa(相对大气)。采用单点风速仪，测试得到系统送风平均风速7.85m/s，换算送风量为452163/h；系统回风平均风速5.90m/s，换算送风量为33984m3/h，满足设计要求。
根据系统特点对风口风量采用风量罩测试，对所有阀门悬挂“调试中，勿动作”标示。测试前应准备好高效送风口编号布置图、风口风量测试记录表(测试前期准备)，而后采用风量罩测试风口风量，测试过程如见图11：

图11采用风量罩测试风口风量

由于风口分布均匀，比较设计数据发现最远端风口风量偏小，靠近空调机组风口风量偏高，采取“消峰填谷”法，将风量偏高的风口调小，风量偏小的风口阀门开大， 进而依次类推分配均匀，将洁净室内各风口的实际送风量控制在设计风量的15%之内。平衡结束后分别对高效送风口风量以及空调系统总送、回风量、新风量进行复测。复测结果见表3、表4
风口编号
设计风量
(m3/h)
实测风量
(m3/h)
实测风量/
设计风量
风口编号
设计风量
(m3/h)
实测风量
(m3/h)
实测风量/
设计风量
AA7-1
750
767
1.02
AA7-18
1440
1457
1.01
AA7-2
750
770
1.03
AA7-19
1360
1407
1.03
AA7-3
750
760
1.01
AA7-20
1360
1366
1.00
AA7-4
750
800
1.07
AA7-21
1360
1375
1.01
AA7-5
750
756
1.01
AA7-22
1360
1434
1.05
AA7-6
720
795
1.10
AA7-23
1440
1473
1.02
AA7-7
720
719
1.00
AA7-24
1440
1489
1.03
AA7-8
780
804
1.03
AA7-25
1360
1397
1.03
AA7-9
780
810
1.04
AA7-26
1360
1464
1.08
AA7-10
900
963
1.07
AA7-27
1360
1370
1.01
AA7-11
1440
1490
1.03
AA7-28
1360
1362
1.00
AA7-12
1440
1500
1.04
AA7-29
1440
1448
1.01
AA7-13
1360
1370
1.01
AA7-30
1440
1550
1.08
AA7-14
1360
1400
1.03
AA7-31
1360
1433
1.05
AA7-15
1360
1380
1.01
AA7-32
1360
1394
1.03
AA7-16
1360
1390
1.02
AA7-33
1360
1374
1.01
AA7-17
1440
1460
1.01
AA7-34
1360
1387
1.02
表3 1L/AA7系统风量平衡后风口风量复测数据

1l/AA7
系统
风管尺寸
(mm*mm)
截面积
(m2)
风速(m/s)
风量(m3/h)
实测偏差
设计
测定
设计
测定
A(送风)
2000*800
1.600
7.11
7.50
40930
43200
+6%
B(回风)
2000*800
1.600
5.32
5.60
30668
32256
+5%
FA(回风)
/
/
/
/
10262
10944
+7%
表4 1L/AA7系统风量平衡后系统总风量复测数据

从风口风量和系统总风量复测结果可以看出，由于系统阻力改变，风量分配已发生变化，但由于采用预见针对平衡法，有预见的在前期预留总风量余量进行调试，同时风口风量测试过程中采用美国ALNOR进口风量罩，使风口风量的测试精度得到保证，最终将风口风量均控制在设计要求范围内(同时洁净厂房内的整体压差变化至19Pa)。
最后，阀门悉数固定，使用记号笔标识阀门位置，取下“调试中，勿动作”标识牌。
该项目于2007年7月19日～月31日进行洁净室综合性能调试，1L/AA7系统于2007年7月22日进行风量平衡调试并完成。
5.3工程监测与结果评价
采用了多项风量平衡测试新技术，保证了净化系统的稳定运行。执行过程西安杨森制
药有限公司工程部全程跟踪测试，测试报告数据(电子档)见图12、图13：

图12 西安杨森制药有限公司1L/AA7系统总风量测试报告

图13西安杨森制药有限公司1L/AA7系统送口风量测试报告

从测试报告可以看出，1L/AA7 系统总风量满足设计与规范验收要求，风口风量同时满足设计与规范验收要求，同时保证了洁净室的换气次数与自净能力，使该净化空调系统长期处于安全、稳定的运行状态，并顺利通过国家药监局GMP验收，得到了各方好评。

六 结语
综上所述，由于采用了新的风量平衡测试技术，使得在确保风量平衡测试结果准确性与精确度的前提下，大大提高了风量平衡工作的效率，同时保证了系统的安全、稳定运行，也方便了厂务人员的运行和维护。
净化空调系统的风量平衡必须依据系统特点，选取合理、快捷的测试方法；同时根据调试经验，充分做好调试前期准备工作，调试过程中通盘考虑、全局照应，有预见性地对局部进行针对性调试，从而在保证调试结果精确性的前提下提高工作效率。
当然，与净化空调系统综合性能相关的平衡调试技术还有很多，例如洁净室压力调试、房间气流方向测试等。而且其平衡调试过程都是相互影响，环环相扣的，每一个环节都需要理论结合实践；同时在净化空调系统测试分工越来越精细、洁净厂房平衡测试技术与建筑节能要求不断融合等行业背景趋势下，专业的净化空调系统综合性能的调试、控制与维护管理也必将成为一个新兴的行业。

参考文献
[1] 中华人民共和国建设部GB50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》北京 中华人民共和国建设部 2002.3.15 第79页
[2] 陈霖新《洁净厂房的设计与施工》第一版 北京 化学工业出版社 2003.1第400页
[3] 陈霖新《洁净厂房的设计与施工》第一版 北京 化学工业出版社 2003.1第401～402页
[4] 中华人民共和国建设部GB50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》北京 中华人民共和国建设部 2002.3.15 第65页
[5] 中国建筑科学研究院JGJ71-90《洁净室施工及验收规范》北京 中华人民共和国建设部 1990.12.30 第22页