空气洁净技术的应用与发展_上_许钟麟

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空气洁净技术的应用与发展（上）

文 / 许钟麟

本文详细介绍了空气洁净技术在国内的发展与应用。作者认为，在学习国外空气洁净技术的同时，还需注重发展创造出自己独特的理论和技术。

一、空气洁净技术的应用

（一）空气洁净是建筑微环境的一个新功能

1. 什么是空气洁净？

空气洁净和一般的干净有天壤之别。一个建筑环境再怎样华丽，再怎样“窗明几净”、“一尘不染”，其空气的干净程度通常仅是“够级别”的空气洁净的1/10万～１/100万。

空气洁净的程度用空气洁净度级别衡量，而空气洁净度级别则用每m 3（或每L）空气含有的≥0.5μm或≥0.1μm的微粒数量来表示。1999年以前，各国基本采用美联邦标准209、209A －E，此后ISO 制订了公制的国际统一标准。

以普通空气的含尘量状况与极干净的室外环境、洁净度环境的比较，可见40km 的高空还赶不上生产大规模集成电路车间的洁净（见表1）。

最近，我们测定了包括全部中国大陆地区132个地方的大气尘计数浓度（见图1和图2）。

空气洁净技术就是通过阻隔式超细（亚微米量级）玻璃纤维过滤器把绝大部分微粒（固相的、液相的或固液两相的）阻留下来，保证过滤后的空气所含控制粒径以上的微粒数量在标准以内。

中国建筑科学研究院研究员 许钟麟

微粒中的有生命微粒——细菌，须寄生在某种活细胞内才能繁殖。因虽然很小，但由于它都只能附着在比其自身大得多的其他微粒上传播，因而具有较大的沉降“等价直径”。等价直径是1983年我在书中提出的一个比较概念。细菌的沉降等价直径从3～5μm到10μm不等。病毒和细不能在无生命的培养基上生长，而必

此它在空气中也是有载体的，可以认为它是以群体形式存在的。实验证明，它的等价直径从1～3μm不等，均视场合而定，都比上述0.5μm大得多，所以高效过滤器对空气中的细菌和病毒的过滤效率比对0.5μm微粒

2005年我们做的隔离病房中

菌相比甚至不能单独进行物质代谢，的过滤效率大得多。

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以上两图可见平均值分布斜线的斜率和三十年前的没有什么变化，也和当初美国工业大气没有差别，指数仍是-2. 15，这再次说明大气尘全球分布的规律基本上是一致的。

但是大气尘浓度的绝对值比过去约降低40％。

表1 空气干净程度的比较

持正压。它适用于精密工业（精密轴承等）、电子工业（集成电路等）、宇航工业（高可靠性）、化学工业（高纯度）、原子能工业（高纯度、高精度、防污染）和胶片工业（高级航空胶片）等部门。

（2）生物洁净室——以有生命微粒的控制为对象，又可分为：

①一般生物洁净室，主要控制有生命微粒对工作对象的污染。同时其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀，内部一般保持正压。实质上这是一种结构和材料允许作灭菌处理的工业洁净室，可用于食品工业（防止变质、生霉）、制药工业（高纯度、无菌制剂）、医疗设施（手术室、病房、各种制剂室、调剂室）、动物实验设施（无菌动物饲育）和研究实验设施（理化、洁净实验室）等部门。

②生物学安全洁净室（实验室），主要控制工作对象的有生命微粒对人和外界的污染，内部保持负压，用于

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高效过滤器滤菌效率（见表2）。

过滤器出厂时对≥0.5μm大气尘效率分别是99.999％和99.99994％，而实验时对接近1μm大小的细菌芽孢的效率则分别达到99.99997％和99.999997％，高出滤尘效率10倍甚至百倍。

国外发表的过滤病毒的效率（见表3）。

2. 空气洁净技术应用主要通过洁净室来实现

（1）工业洁净室——以无生命微粒的控制为对象。主要控制无生命微粒对工作对象的污染，其内部一般保

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表2 过滤细菌效率表3 过滤病毒效率

零泄漏回（排）风口；

（2）风机过滤器机组：风机过滤单元（FFU）、水平送风净化单元、洁净屏、自净器、层流罩、净化空调器、超低阻节能型高效率净化新风机组；

（3）净化工作台；（4）生物安全柜；

（5）净化小室：装配式净化小室、移动式净化小室、洁净卫生间；（6）人物流设备：空气吹淋室、洁净干手器、传递窗、防飞虫吹淋装置；

（7）辅助设备：余压阀、净化保管柜、充电式洁净小车、洁净吸尘器；

（8）专用设备：在线自动扫描检漏装置。

在以上这些设备中，有一部分完全是我们自己研发的，是国外没有的。

2. 洁净室建设

我国在洁净室建设上获得了蓬勃的发展，自从经过精密机械、精细化工和特种冶金、半导体和航天

研究实验设施（细菌学生物洁净实验室）和生物工程（重组基因、疫苗制备）。

工业洁净室和生物洁净室都要应用清除空气中微粒的原理，因此本质上它们是一样的。略微不同的是，对于附着于表面上的微粒，工业洁净室一般用擦洗的办法就可以大大减少表面上的微粒数量，而生物洁净室因为是针对有生命微粒，而一般的擦洗可能给有生命微粒带来水分和营养，反而能促进其繁殖，增加其数量。因此，对生物洁净室来说，必须用表面消毒的办法（用消毒液擦拭）来取代一般的擦拭。

虽然工业洁净室对洁净度的要求

高于生物洁净室，但由于生物洁净室要控制有生命的微粒，而且关系到生命的安全，加之其工艺的复杂性，实现起来识到的。

（二）我国应用空气洁净技术的发展

1. 空气净化成套设备体系

从上世纪70年代初建立起空气净化成套设备体系以来，今天的体系更广了，应用面更大了。除去可生产各种空气过滤器和小流量（2.83L）、大流量（28.3L）的粒子计数器以外，可以生产以下这些设备：

（1）过滤器风口：保温送风口、零压密封送风口、阻漏式送风口、阻漏式洁净送风天花、定风向可调风量回风口、

根据上述分类可以清楚地看出，的难度更大、更复杂，这是应该充分认

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等第一轮高潮以后，最近十年，生物洁净室的需求可谓遍地开花。药厂都经过GMP 改造，还将掀起新的高潮，医院洁净用房建设扩大到几乎所有方面，10余年前10间白血病房已属亚洲第一，现在20间都不稀罕。生物

安全、实验动物、食品及餐饮业、化妆品等等，都在搞洁净室。

3. 标准规范的制订

在空气洁净技术的应用上非常重视标准规范的制订。应用于设备的，一般叫标准，应用于工程的则叫规范。

据不完全统计，我国关于空气洁净技术的标准规范有三十余种（见表4）。

二、空气洁净技术的发展

（一） 发展的趋势

首先要明确科学技术在未来的发展会是什么样子？诺贝尔奖得主杨振宁教授指出未来三四十年科技将被以

表4 我国关于空气洁净技术的标准、规范下三个“火车头”所带动，这就是①芯片的广泛应用；②医学与药物的高速发展；③生物工程。

由于上述三大方面都需要的微环境正是空气洁净技术中的工业洁净室和生物洁净室，所以未来的空气洁净技术也将在这三个方向的应用上得到重点发展。

1. 半导体

20世纪50年代末，当时苏联要求的最高洁净度为含尘量0.00036mg/m3, 相

当

于0.5μm

1～10万级（209E标准，下同）；

20世纪六七十年代，中小规模集成电路，0.5μm100级；

20世纪70年代末，大规模集成电路，0.5μm10级；

20世纪80年代末，超大规模集成电路，0.5μm1～0.1级（或0.1μm10级）；

20世纪90年代末，超大规模集成电路，0.5μm0.1级或0.1μm 10～1级；

本世纪初，超大规模集成电路， 0.1μm1～0.1级；

本世纪第一个十年，超大规模集成电路，0.1μm0.1级；

图3是用我给出的分式计算出的集成电路成品率与洁净度级别的关系。

毋庸置疑，电子产业方面对洁净室的要求仍然占有主导地位，对洁净度级别的要求仍然最高。2007年3月包括中国在内的8国投票通过了ISO14644-9表面洁净度标准提案（见

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表5 表面洁净度分级国际标准需我在此多说了。

2. 医药

非典以后我们应反思的最重要一点就是过去在医院建筑上，建设者和设计者大多只看到“建筑”，而忽视“空气”，医护人员只重视接触感而后者更具暴发性、大面积和低感染剂量的特点，因而更具危险性。例如吃进1亿个兔热杆菌才感染，若吸入10～50个就发热；吸入腺病毒的半数感染剂量仅是组织培养的半数感染剂量的一半。对于Q 热立克次氏体，只要在呼吸道内沉着1个，就可以让人感染。过去有一种看法，认为非常厉害的绿脓杆菌是不太可能通过空气传播的，但是在烧伤病房顶棚灰尘中以及有人多次在该病房空气中检出绿脓杆菌的事实，令人对空气传播的危险性“刮目相看”了。现在SARS 病毒的气溶胶传播特性又兼有血液

图 3 成品率与洁净度的关系

早产儿保育室等等；

护理单元系统——如重病护理单元，脏器移植护理单元、心血管病护理单元等；

治疗操作系统——如介入治疗室、白血病人治疗室、传染病人尸体

实验室系统——如特殊化验室、生命科学实验室等，而且需要更重要的生物安全系统；

仪器室系统——如精密的新型的仪器室等；

隔离室系统——如疑似传染病人隔离室、观察室等；

配药系统——如特殊的配药中心等；

洁净辅助用房系统——如无菌敷料室、一次性物品室、中心供应站等；

非洁净辅助用房系统——如污染处理室、污物通道等，这里要实行污染控制，防止传染外界；

准洁净用房系统——如候诊厅、治疗室、检查室、某些科的诊断室等使用普通空调的用房。

关于制药领域，由于强制推行GMP 制度，空气洁净技术在这一领域的发展是不言而喻的，这里先不谈。

3. 生物领域

生物是怎样衍生繁殖的？这个亘古以来的宇宙之谜，被沃森与克里克在1953年发表的一篇文章揭开，于

染而轻视气溶胶传播的呼吸道感染，解剖室等；

的接触传播特性，加上其未知性，使人们真正看清了空气洁净技术在医院建筑中的重要性，可以说，没有空气洁净技术装备的医院建筑，将是落

表5）。

今天对于洁净室来说已经有了像微粒、分子态污染物和表面洁净度三个控制标准。当然，洁净度不能无限制地提高下去，洁净室内的尘粒不能无止境地降低下去，在有更高的要求时，应采取局部隔离技术，这一点无

后的建筑。

所以，现代医院建筑应用空气洁净技术的规划，应包括这些方面：

手术室系统——关于洁净手术部的建设；

病房系统——关于洁净病房如白

血病人病房、烧伤病房、哮喘病房、是人类进入了人造生命时代，出现了

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学了，也注意了如何去延伸，如何更发展一步。例如：层流风速问题，两侧下回风问题。但是仅有这一点是不够的，不能实现真正的发展和超越。在全过程中，都要时刻想到如何不重复国外，甚至也不重复自己。也就是说，不应走仅仅模仿别人的发展道路，而应走一条创新的发展道路。

下面从几个例子谈一下自己的感受。

1. 认为层流（单向流，以下仍用这一习惯称呼）和乱流是量变到质变的关系，从而得到了统一的表达式。

最初外国文献教我们，层流就是过滤器满布送风，送风速度达到

图4

0.45m/s，洁净度就能达到100级。乱流就是分散布置的送风口，它们之

全设施去研究，应用生物安全洁净室

生物工程和生物安全技术，除了有为全民服务的特点外，突出之点还在于，它明显涉及国家的安全和国家地位。

所以，从某种意义上说，生物工过芯片，而它的发展也绝对离不开污技术的全部功能。

（二）真正的发展是要走上不重复国外、不重复自己的道路

作为小学生，我们开始向国外学习了空气洁净技术，但是在学习中间、学习后的发展上面，我们不仅照原样

N v 是不均匀分布的室内平均含尘浓度，N是均匀分布的平均含尘浓度， 称为不均匀分布系数，它和过滤器满布比的大小，风口气流紊乱程度，涡流区大小，房间体积大小等因素有关，只要满布比达到一定程度，涡流区小到一定程度，出口气流很少引射作用，间截然分开，看不出关系，例如，就没有针对层流的计算公式。但我们如果敢于从这两种流应该有联系，这才是事物的本质方面去想一想，局面就不同了。我们提出了如图4所示的洁净室内微粒呈三区不均匀分布的模型，提出了主流区的概念。

最后导出了统一层流和乱流的表达式：

生物工程。

程的顶尖部分，但今天最新成果表明，基因不是主要的，主要的是DNA 上面的某些符号决定着遗传；干细胞也不是主要的，已从皮肤细胞中培育出万能的细胞。也许有一天，器官商店但不管怎样，这一切都离不开空气洁

人类为了自身的健康，为了获得预防用的疫苗，就要和细菌、病毒打交道，特别是对人类和家畜（最后还是关系到人）威胁严重的病原体，以及凡是哪个国家不常见或没有的病原体（包括媒介昆虫），都必须采用安

基因工程和细胞的培育是生物工（实验室）去检疫，在这里把住国门。

会应运而生，这可能不是科幻小说。程在新世纪对人类的直接影响，将超净技术，有的离不开生物安全实验室。染控制和空气净化，这正是空气洁净

2007年12月18日至27日，许钟麟带领国标《洁净室施工及验

收规范》编制组一行赴台与台湾同行进行学术交流。在台北科技大学的演讲中，在中华冷冻空调协会、中华洁净技术协会的宴会讲话中，以及空气洁净技术同行们欢聚畅谈中，他一再强调中国的空气洁净技术不仅要发展，更要创新互勉。

室内含尘浓度就一定能达到100级或更高级别的层流水平，乱流和层流就是这样逐渐过渡的。这样，把层流和乱流统一起来的愿望实现了。（未完待续）

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