Чистые производственные помещения: особенности проектирования

П. Е. Болотов, технический директор, ООО «Рубин»

Чистые помещения классифицируются по пределам максимальной концентрации (числу частиц на м³ воздуха) в соответствии с ГОСТ ИСО 14644-1-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха» [1]. Выделяют девять классов от ИСО 1 до ИСО 9, также возможно деление на классы A, B, C, D в соответствии с ГОСТ Р 52249-2009 «Правила производства и контроля качества лекарственных средств» [2]. Для медицинских учреждений классификация определяется количеством микроорганизмов в 1 м³ воздуха в соответствии с СанПиН 2.1.3.2630-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям, осуществляющим медицинскую деятельность» [3]. Класс чистоты устанавливается технологом в зависимости от назначения помещения, протекающего в нем технологического процесса или требований размещаемого оборудования и является во многом определяющим при принятии проектных решений. В частности, от класса чистоты помещения зависят кратность воздухообмена, способ и схема организации воздухообмена, степень фильтрации воздуха, необходимость поддержания перепада (т. н. каскада) давлений.

Одна из основных особенностей чистых помещений – высокие кратности воздухообмена, требующиеся для поддержания класса чистоты. При этом данный параметр ГОСТ ИСО 14644-1-2002 и ГОСТ Р 52249-2009 не регламентирован, есть только рекомендации и примеры, в частности в СанПиН 2.1.3.2630-10. Однако диапазоны в рекомендациях значительные, и проектировщик планирует воздухообмен на основании расчета, включая моделирование процесса, а также с учетом своего опыта, знания предмета и понимания технологического процесса.

---

---

Воздухообмен в чистых помещениях обеспечивается центральными кондиционерами или фильтр-вентиляционными модулями. Решение здесь также за проектировщиком и зависит от размеров помещения, класса чистоты, а также допустимости рециркуляции воздуха. Класс финишной ступени фильтрации принимается в соответствии с [4].

Схема организации воздухообмена также зависит от класса чистоты помещения. В соответствии с [5], в чистых помещениях классов 1–5 ИСО, как правило, применяются однонаправленные потоки воздуха, а для помещений классов 6–9 ИСО – не однонаправленные. При этом для помещений классов 7–9 ИСО вполне допустима организация воздухообмена по схеме «сверху вверх», тогда как для класса 6 ИСО желательно использовать схему с забором рециркуляционного воздуха из нижней зоны помещения. В помещениях с высокими классами чистоты рекомендуется применять решения с перфорированными фальшполами.

Рисунок 1. Пример результатов 3D-сканирования существующего предприятия

Еще одна важная особенность чистых помещений – необходимость создания и поддержания расчетного перепада (каскада) давлений для исключения попадания частиц из помещений с более низким классом чистоты в помещения с более высоким классом. Он достигается за счет переменных расходов приточных или вытяжных систем вентиляции. Важно правильно определить базовую точку или помещение, относительно которого и поддерживаются перепады.

Дополнительными усложняющими факторами при проектировании также являются высокая энерговооруженность производственных объектов, переменный режим работы технологического оборудования, а значит, и обеспечивающих его инженерных систем, а также высокая стоимость как исходного материала, так и готовой продукции. Соответственно, актуальной становится задача оптимизации принимаемых технических решений в рамках стоимостного инжиниринга, выполняемого параллельно с процессом проектирования.

Проектировщик должен рассматривать создаваемый объект как единый комплекс, в котором каждый элемент отвечает за поддержание необходимого технологическому процессу режима работы чистого помещения, что в конечном итоге отражается на качестве готовой продукции, а значит, и на финансовых показателях заказчика. Современные решения в области программного обеспечения процесса проектирования позволяют это сделать в полной мере. В первую очередь это относится к программным комплексам, позволяющим создать цифровую (BIM) модель здания и его инженерных систем, а также моделировать некоторые процессы, происходящие в нем.

Значительное количество объектов, особенно в области микро- и радиоэлектроники, выполняется в рамках реконструкции существующих предприятий. Часто новые производственные участки размещаются в зданиях, для них не предназначенных (большое количество существующих транзитных коммуникаций, недостаточная высота этажа и пр.). В этом случае сложно обойтись без трехмерного сканирования существующего здания. Результатом становится «облако» точек, полностью повторяющее реальные геометрические размеры и особенности здания и его инженерных систем в текущем состоянии (рис. 1).

При создании цифровой модели чистых помещений ввиду высокой нагруженности системами особое внимание уделяется определению пространственных «коридоров» для прокладки инженерных и технологических коммуникаций с учетом взаимоувязки систем между собой, исключения коллизий, очередности монтажа систем, удобства монтажа, возможности будущего расширения и изменения систем, доступа при обслуживании. Уровень детализации, принимаемый при подготовке проектной модели, должен соответствовать планам заказчика по дальнейшему ее использованию. Именно заказчику решать, будет ли это просто пространственная графическая 3D-модель (пример показан на рис. 2) или модель, которую можно использовать для контроля сроков строительства (4D), стоимостных (5D) или эксплуатационных (6D) показателей проекта.

Рисунок 2. Пример рабочей модели

Но цифровая модель здания – это не только геометрия и атрибуты оборудования и материалов. Это в т. ч. моделирование процессов, происходящих в помещении, – температурного режима, воздушного режима, алгоритма управления инженерными системами.

Современный подход к созданию чистых помещений предполагает широкое использование численных методов, в т. ч. на базе ANSYS (пример показан на рис. 3). С их помощью можно моделировать не только температурный и воздушный режим отдельных помещений или здания в целом, рассматривая его как единую технологическую систему (ЕТС), но и работу инженерных систем чистых помещений в динамике как при пиковых режимах, так и в промежуточных. Это позволяет оптимизировать работу производств как при полной, так и при частичной их загрузке.

Еще одна составляющая в обеспечении надежной и бесперебойной работы инженерных систем чистых помещений – компьютерная симуляция возможных сценариев работы систем. Она выполняется на стадии разработки программного обеспечения системы автоматизации и позволяет моделировать рабочие и аварийные режимы инженерных систем. Но корректная и всеобъемлющая симуляция возможна только при использовании единой комплексной среды разработки программного обеспечения и конфигурирования аппаратного обеспечения, например TIA Portal.

Однако качественно выполненный, выверенный проект – еще не гарантия успеха. Не менее важно учитывать особенности технологии создания чистых помещений и на этапе строительства. В частности, при подготовке графика производства работ необходимо учитывать этапы возведения и аттестации чистых помещений, а также требования протокола чистоты, который включает в себя в т. ч. требования по созданию систем временного подпора воздуха и меры по снижению загрязнений, вносимых на этапе строительства.

Все эти решения и современные технологии графического и цифрового моделирования в полном объеме реализованы специалистами компании «Рубин» в рамках проектирования и строительства чистых помещений для Российского центра гибкой электроники в Троицке, Сколковского института науки и технологий, ООО «Микроволновые системы» в Москве и др.

Рисунок 3. Пример моделирования воздушных потоков

В заключение целесообразно отметить, что системы ОВиК чистых помещений, являясь технически сложными, тем не менее недостаточно регламентированы действующими нормами. А значит, оптимальные технические решения в большей степени зависят от знаний и опыта исполнителей – как на стадии проектных, так и строительно-монтажных и пусконаладочных работ.

В значительной степени качество принятых технических решений по чистым помещениям определяется применением современного инструментария, включая цифровое моделирование зданий, систем и технологических процессов.

Литература

1. ГОСТ ИСО 14644-1-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха».
2. ГОСТ Р 52249-2009 «Правила производства и контроля качества лекарственных средств».
3. СанПиН 2.1.3.2630-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям, осуществляющим медицинскую деятельность».
4. ГОСТ Р 56638-2015 «Чистые помещения. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Общие требования».
5. ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию».

¹  Hikmet T., Aybars E. Что такое чистое помещение? (АВОК, 2005, № 2), Schicht H. Стандарты EN ISO по технологии чистых помещений (АВОК, 2005, № 2), Schneider R. K. Системы кондиционирования воздуха для чистых комнат (АВОК, 2002, № 5), Бородкин А. А. Поддержание баланса расходов и давления в чистых помещениях (АВОК, 2010, № 4), Боломатов В.  Н. Надежность систем кондиционирования воздуха чистых помещений (АВОК, 2018, № 7), Бородкин А. А. Алгоритм выбора элементов системы поддержания давления в чистых помещениях (АВОК, 2020, № 4).