汽車塗裝廠房空氣潔淨度控制的規劃探究
胡治文，劉蘇敏
(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)
1 塗裝廠房的空氣潔淨標準及要求
空氣潔淨度通常是指環境中空氣含塵微粒量多少的程度。在單位計量體積下，含塵濃度高則潔淨度低、含塵濃度低則潔淨度高。空氣潔淨度的高低是用空氣潔淨度級別來區分的，而這種級別又是用操作時間內空氣的計數含塵濃度來區分，也就是把某一個含塵濃度範圍作為某一個空氣潔淨度級別。參考GB 50073—2013《潔淨廠房設計規範》，潔淨室按潔淨度級別劃分為1級、2級、3級、4級、5級、6級、7級、8級、9級，其中9級為最低級別。潔淨室及潔淨區空氣潔淨度等級見表1。
根據塗裝塗料試驗驗證表明：較小的顆粒（1.0μm≤粒徑＜5.0μm）對於漆面質量影響較小，但是同樣需要避免較小的粉塵過多，因為較多的顆粒在一定條件下能夠積聚形成大顆粒，所以對單位體積空氣內的小體積顆粒數控制標準要求是＜50 000個/（2.83 L）。5 μm≤粒徑＜10 μm的顆粒積聚成大顆粒的風險更為顯著，所以控制標準：良好區間是＜10個/（2.83 L）L，合格區間是＜100個/（2.83 L）。粒徑≥10μm的顆粒造成的汙染漆面是目視可見缺陷，所以控制標準要求是＜1個/（2.83 L）。因此，在塗裝廠房環境中，需嚴格管控的微塵種類為3類：1μm≤粒徑＜5 μm，5 μm≤粒徑＜10 μm，10μm≤粒徑。並以此定義塗裝廠房的空氣潔淨標準及要求（見表2），而且廠房內的空氣懸浮粒子濃度是受控的，確保潔淨度可控。
參考GB 50073—2013《潔淨廠房設計規範》，塗裝潔淨廠房空氣的潔淨度要求屬於空氣潔淨度8級，塗裝廠房內空氣的顆粒濃度可以使用雷射粒子計數器進行測量。該儀器的採樣泵以2.83 L/min的速度吸入採樣空氣，同時對樣本空氣進行顆粒含量的測量。其測試流量為2.83 L/min)，測試通道有6個，分別為0.3 μm、0.5 μm、1.0 μm、2.0 μm、5.0 μm、10.0 μm，可以分別測量各粒徑範圍的顆粒的濃度。根據測量結果，對照控制標準及要求，可以有效評價車間空氣潔淨度是否達標。
為了保證測量結果的可靠性，一般要求測量點在距離地坪高0.8 m的水平面內，測量點的分布要求覆蓋車間主要工藝設備區域，尤其是車身物流路徑區域，建議每個工藝層至少監控9個測量點，間距以20 m以上為宜。每個測量點測量3次，取其算術平均值，評價各測量點是否滿足塗裝廠房空氣潔淨度的控制要求。可以在車間工藝設備平面圖上設置標註測量點，1周1次，從而有效評價車間空氣潔淨度。
2 塗裝廠房送風潔淨度規劃
由於塗裝車間具備良好的封閉性，車間內的空氣交換主要通過廠房送風系統，因此廠房內空氣潔淨度的水平主要由廠房送風系統決定。而塗裝廠房送風都是經過送風空調處理過後再送到廠房內部的。故為了確保空調送風的潔淨度，需要對送風空調系統的功能段布置及配置做好規劃設計。
塗裝廠房送風空調的溫溼度控制要求不同於工藝送風空調的恆溫恆溼，它一般要求恆溫控制，溼度範圍控制。這樣既保證了車間內部環境溫度，也通過控制溼度的範圍來提高車間內部的清潔度，並且有效降低能源消耗。根據功能需求，廠房送風空調一般設置為以下8個功能段：G3過濾段、燃燒器段、F5過濾段、冷盤管段、熱盤管段、風機段、F7過濾段、消音器段（見圖1）。加溼段的設置依據各地氣候條件進行增減（相對溼度控制範圍40%~70%）。
各個功能段的作用為：燃燒器段主要是採用天然氣直燃的方式給空氣加熱，提高送風溫度，主要用於冬季，採用天然氣直燃的加熱方式相對於蒸氣加熱更節能。冷熱盤管段的作用主要是在夏季改變空氣的溫溼度，當需要降低空氣溫度並改變溼度時，通常先冷盤管降溫後再熱盤管升溫調節。風機段主要是安裝送風風機及電機，將已處理過的空氣送入待用區域。消音段主要是安裝消音器，降低送風噪音，確保車間內部噪音低於85 dB的法規要求。
3個過濾段的最末一級設置的過濾器等級決定了送風空調送出去的空氣的淨化程度。而上級各級過濾器起保護作用，它們保護下風段過濾器以延長其使用壽命，同時保護空調其他功能段的正常工作。在空調設計規劃中，應該首先根據塗裝廠房潔淨度的要求確定最末一級過濾器的等級，然後選擇起保護作用的過濾器。
塗裝廠房送風空調的3道過濾器規劃設計的目的是：G3過濾段設置在燃燒器段前，主要是為了起到提高燃燒器段的潔淨度，避免燃燒頭的堵塞。F5過濾段設置在冷熱盤管及風機段前，主要是利用F5過濾效果確保後續功能段的清潔，避免因為汙染而增加清潔維護的難度。F7過濾段設置在風機段後，主要考慮前面幾個工藝段在做維護的過程存在外來汙染風險，F7過濾能起到最後屏障作用，保障送往塗裝廠房內部的空氣潔淨度。
3 廠房送風空調過濾等級的設置
塗裝潔淨廠房空氣的顆粒濃度要求屬於空氣潔淨度8級，要求空氣中粒徑≥10 μm的顆粒數為0，5 μm≤粒徑＜10 μm 的顆粒數為100以下。所以空氣經過送風空調處理後需要捕捉空氣裡所有粒徑≥5 μm的顆粒。對比過濾器等級標準（見表3）可知，廠房送風空調的最末一道過濾等級應該為F7(所有粒徑≥5 μm的顆粒捕捉效率約為100%)。
而前面兩道預過濾的過濾等級配置，主要考慮其顆粒捕捉效率，既能有效防護相應功能段的清潔度，又能延長F7過濾器的使用壽命。所以依據隔級配置保護的原則分別別配置了G3和F5的過濾器。由於其他工藝空調的送風也會溢流到廠房內，所以其他工藝送風的最末一道過濾器的過濾等級應該不得低於F7。
不過，選擇過濾器還要全面考慮潔淨室的特性、過濾器特性和淨化系統特性。要保證送風潔淨度，僅有合格的過濾器是不夠的，要保證運輸、安裝過程中不損壞過濾器及安裝的正確，還要做好過濾器使用過程的中的壓差監控。4 塗裝潔淨廠房微正壓控制
參考GB 50073—2013《潔淨廠房設計規範》要求：潔淨區與室外的壓差應該不低於10 Pa。試驗研究的結果表明，潔淨室內正壓值受室外風速的影響，如果要保證室內的清潔度，室內正壓值必須高於室外風速產生的風壓力。當室外風速大於3 m/s時，產生的風壓力接近5 Pa，若潔淨室內正壓值為5 Pa時，室外的汙染空氣就有可能滲漏到室內。但根據現行國家標準《採暖通風和空氣調節設計規範》GB 50019編制組提供的全國氣象資料統計，全國203個城市中有74個城市的冬夏平均風速大於3 m/s，佔總數的36.4％。這樣如果潔淨室與室外相鄰時，其最小的正壓值應該大於5 Pa。因此，規定潔淨室與室外的最小壓差為10 Pa。
為了防止塗裝廠房內的空氣潔淨度受到外界空氣的汙染，所以應該確保廠房對室外呈微正壓狀態，控制標準為塗裝廠房與室外的最小壓差為10 Pa，該壓差為絕對壓差。
由於廠房內部相對於室外的壓差是由於廠房內的送風量大於排風量而產生的，所以要想控制好塗裝廠房的微正壓狀態。需要控制送排風量的相對狀態。要想達到該微正壓控制要求，在規劃設計時，首先是根據壓差要求，選定廠房內換氣次數的標準。參考行業設計經驗，結合塗裝廠房的密封效果，塗裝廠房的換氣次數要求為≥1.2次/h（見表4）。而這個換氣次數，是用來核算廠房送風空調送風量需求的主要依據。
由於廠房內相對於室外的壓差取決於廠房的送風量與排風量之差，因此若要使廠房相對室外的壓差保持穩定狀態，首先應該令送風與排風量保持一定。實現此要求的具體做法較多，如在總送風管上安裝微差壓傳感器，當風量發生變化時，即可通過變頻器改變送風風機轉速，從而使總送風量保持不變；同樣，在總排風管上也可安裝微差壓傳感器，當風量發生變化時，即可通過變頻器改變排風風機轉速，使總排風量保持不變。以此達到送排風量差的穩定。
由表4所示，在一定的壓差要求下，廠房的換氣次數與廠房的密封性有關，廠房的密封性效果越好廠房的換氣次數要求越少。而且由於密封性效果好，廠房微正壓受到外界的幹擾低，穩定性也高。
此外，由於廠房內的新風都是由室外新風通過送風空調處理後送進車間的，所以換風次數的增多會使得送風空調的送風量增大，從而導致能耗增大，不利於車間節能的要求。
因此規劃設計具有良好密封性的塗裝廠房，對保障塗裝廠房的微正壓狀態及潔淨度控制很有必要。由上述的分析可以知道，影響廠房密封性較大的風險點有3個，分別是本車間與焊裝車間相連接的通道開口、本車間與總裝車間相連接的通道開口、車間物料進入的物流門。
所謂的風壓就是垂直於氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據伯努利方程得出的風-壓關係，風的動壓：
p=0.5ρv² ，(1)
其中p為風壓，kN/m²，ρ為空氣密度，kg/m³，v為風速，m/s。由於空氣密度ρ和重度r的關係為 r=ρg, 因此有 ρ=r/g。在式(1)中使用這一關係，得到
p =0.5rv²/g ， (2)
此式為標準風壓公式。在標準狀態下(氣壓為101.325 kPa., 溫度為15 ℃), 空氣重度 r=0.012 25 kN/m³。緯度為45°處的重力加速度g=9.8[m/s²], 我們得到p =v²/1 600。所以要想得到潔淨廠房對室外的絕對壓差為10 Pa，如果對室外有開口的地方，平均溢流風速為4 m/s。
這3個風險點總開口面積約為30 m²，如果不能有效控制，將會導致432 000 m³/h的空氣洩露。因此在規劃階段要重點考慮如何優化這幾個風險點。
與總裝及焊裝的通道開口，可以採取安裝快速捲簾門的方式來減少空氣溢流量，當車身或滑撬通過時打開，通過後快速關閉。車間物料進入的物流門，設置雙道捲簾門，物料進入時採用一個開啟另一個關閉防止外界顆粒的進入，而且在最外側的卷門內安裝風幕，有效防止外界汙染。
人員進入車間的通道，可以設置風淋室室或雙道帶閉門器的門。其他門正常運行的時候都是常閉狀態，嚴禁無故開啟。
以上措施的實施，大大減少了廠房空氣洩漏量，降低廠房換風次數的需求，降低了車間運行費用，也為廠房實現微正壓穩定狀態提供了保障。
廠房風平衡調試完成後，定期檢查現場的壓差裝置及顯示數據，監控廠房微正壓狀態。隨時了解現場發生的狀況，並及時提醒操作人員注意壓差的穩定保持。
5 結語
塗裝廠房空氣潔淨度控制的規劃設計，需要從潔淨度標準的定義，到送風潔淨度的總體規劃，再到廠房的微正壓控制規劃3個方面著手去分析。並根據分析去落實各項要求，為塗裝廠房內空氣潔淨度達標提供有力的支撐。塗裝廠房空氣潔淨度的管理除了在規劃階段注重設計方案的科學合理性，還需要在車間投產運行期間做好相應的維護管理，比如定期良好的深度清潔，日常進廠物料的清潔控制，最為關鍵的是日常的維護清潔。上述方法總體的方向是減少外來汙染，同時加快內部汙染的自淨速度。這樣可以有效改善塗裝廠房內的空氣潔淨度，提升生產線上的產品質量水平，並逐步降低車間的運營費用。
（詳情見《現代塗料與塗裝》2020-06）