Освещение чистых помещений

Основы
Если рассматривать основные принципы, то цель систем освещения - обеспечить видимость. Такие вопросы, как первоначальные затраты, энергопотребление и стоимость обслуживания, обычно определяют решения по проектированию освещения в большинстве помещений, но для чистых помещений стоимость осветительных приборов обычно составляет менее 1 % от общего бюджета. Затраты на электроэнергию, связанные с освещением, обычно минимальны по сравнению с потребностями в электроэнергии систем отопления, вентиляции и кондиционирования чистых помещений и технологического оборудования. При освещении чистых помещений основное внимание уделяется правильному освещению, координации с системами подачи воздуха и снижению загрязнения для уникальных сред и процессов, протекающих в этом помещении.

Единицей измерения яркости освещения в США является фут-свеча, которая равна 1 люмену на квадратный фут. Люмены используются для описания светоотдачи (светового потока) источника. Уровень освещенности в фут-свечах, требуемый в чистых помещениях, исторически был высоким из-за требований к точности или чрезвычайно малого размера объекта, требующего внимания. Уровни освещенности варьируются в зависимости от различных технологических зон в чистом помещении. Инженеру или проектировщику освещения рекомендуется изучить каждую технологическую зону в чистом помещении, чтобы определить тип выполняемых задач и требуемые уровни освещенности.

Поверхности большинства чистых помещений имеют высокую отражающую способность. Большинство или все потолки, стены и полы ярко-белые с эмалевыми поверхностями. Однако в настоящее время пересматриваются варианты цвета стен и напольных покрытий, чтобы улучшить условия работы пользователей.

Система подачи воздуха еще больше усложняет размещение и расстановку светильников. В более строгих классах чистых помещений большая часть или весь потолок состоит из фильтрующих панелей системы подачи воздуха, а места для встраиваемых светильников не остается. Однако продуманный процесс проектирования должен обеспечить оптимальный визуальный комфорт и эффективность для выполнения задач в чистом помещении. Как мы увидим, существуют различные решения в области освещения - в основном с использованием люминесцентных ламп.

В системах освещения может использоваться несколько различных типов ламп. Лампы накаливания, высокоинтенсивные газоразрядные и люминесцентные лампы чаще всего используются в жилых, коммерческих и промышленных помещениях. Люминесцентные лампы почти всегда используются в чистых помещениях благодаря своей энергоэффективности, простоте обслуживания и длительному сроку службы.

Основными характеристиками люминесцентных ламп являются цветовая температура, индекс цветопередачи (CRI) и световой поток. Цветовая температура описывает, как жильцы в помещении будут воспринимать источник света. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина, в диапазоне от 9000K (кажется синим) до 1500K (кажется оранжево-красным). Как правило, лампы имеют температуру от 4000K (холодный свет) до 3100K (теплый свет). Лампы с температурой около 3500K считаются "нейтральными" и часто используются в чистых помещениях.

Цветопередача описывает влияние источника света на внешний вид цветных объектов. Шкала CRI варьируется от 0 до 100, при этом большинство ламп имеют CRI от 60 до 90. В целом, при более высоком CRI цветопередача объектов в помещении будет более точной. Для чистых помещений обычно выбирают лампы с CRI 85.

Показатели яркости могут варьироваться в зависимости от используемых ламп. Если выбрать лампы с более высоким начальным люменом, то количество светильников, необходимых для достижения желаемого уровня освещенности в фут-свечах, уменьшится. Однако следует проанализировать количество светильников и расстояние между ними, чтобы обеспечить равномерный уровень освещения во всем помещении.

Люминесцентные лампы вырабатывают некоторое количество энергии в ультрафиолетовом (УФ) спектре, что может быть вредно для некоторых процессов в чистых помещениях. УФ-фильтрация может быть достигнута с помощью экранирования линз или трубок, закрывающих лампы. Однако такое экранирование преобразует видимый свет в желтый цвет, который не так приятен для посетителей. Хотя экранирование может снизить уровень освещенности всего на 10-20 %, воспринимаемый уровень освещенности может казаться меньше из-за изменения цвета.

Для достижения желаемой остроты зрения может потребоваться увеличение уровня освещенности. В некоторых чистых помещениях могут потребоваться лампы с высоким уровнем ультрафиолетового излучения для уменьшения количества бактерий и других биологических загрязнений.

Балласты необходимы в осветительных приборах для обеспечения необходимого пускового напряжения и рабочего тока для ламп. В балластах используются две основные технологии: электромагнитная и электронная.

Электромагнитные балласты используют реакторы и трансформаторы для управления лампами и были стандартом в течение многих лет. Сегодня чаще используются электронные балласты из-за более высокой энергоэффективности; однако электронные балласты создают гармонические токи, которые могут способствовать возникновению проблем в системе электроснабжения. Балласты следует выбирать с общим уровнем гармонических искажений не более 10 процентов, если не проводились подробные исследования гармоник.

Балласты и лампы могут создавать электромагнитные поля, которые могут быть как низкочастотными, так и высокочастотными. Как низкочастотные, так и высокочастотные электромагнитные поля могут создавать помехи для чувствительного оборудования. Высокочастотные поля обычно называются "радиочастотным шумом" и могут передаваться по силовым проводам и излучаться в пространство. Радиочастотные помехи, передающиеся по силовым проводам, можно блокировать с помощью фильтра радиочастотных помех, установленного производителем светильника или приобретенного у дистрибьютора электрооборудования для установки на месте. Такие фильтры эффективны как для магнитных балластов, так и для более энергоэффективных электронных балластов. Радиочастотные помехи, создаваемые лампой и излучаемые в пространство через линзу, обычно имеют более низкий уровень энергии, чем те, что создаются балластом, но также могут быть разрушительными.

Низкочастотные магнитные поля также могут излучаться приспособлением в пространство чистого помещения и создавать помехи для чувствительного оборудования. Низкочастотные поля часто выражаются в единицах миллигаусс (мг) и уменьшаются в силе с квадратом расстояния от источника. Как правило, мощность осветительных приборов не превышает двух-трех миллигаусс на расстоянии двух футов и более.

Пользователи чистых помещений часто выражают беспокойство по поводу электромагнитных помех от осветительных приборов. Запросы на удаленное размещение балластов или обеспечение специального экранирования должны быть основаны на технических характеристиках и имеющихся данных испытаний. Инженер должен запросить спецификации по диапазонам частот и уровням напряженности поля, которые могут вызвать помехи для технологического оборудования чистых помещений. Предлагаемые светильники можно протестировать в полевых условиях с помощью портативных измерительных приборов или в лабораторных условиях перед покупкой или установкой.

Требования к свечам накаливания
Требования к свечам (фут-свечам) в чистых помещениях различны: от 30 фут-свечей в механических/электрических помещениях до 100 фут-свечей и более в чистом помещении. Для некоторых чистых помещений, связанных с проверкой и сортировкой пищевых продуктов, требуется не менее 150 фут-свечей. Инженер должен работать с персоналом чистых помещений, чтобы определить надлежащие требования к освещенности в футовых свечах в каждой из зон в помещении.

Пересмотр B Федерального стандарта 209 (теперь 209E) первоначально содержал требование о 100 fc в основных зонах чистых помещений. На практике 100 fc было сочтено чрезмерным и вредным для уровня комфорта глаз в большинстве чистых помещений. Кроме того, в чистых помещениях ISO класса 4 (класса 10) и ниже бывает трудно добиться 100 fc, поскольку большая часть потолочного пространства отведена под воздушные фильтры. Попытки добиться 100 fc приведут к уменьшению доступного потолочного пространства чистых помещений для фильтров и снижению общей энергоэффективности. Обследования существующих чистых помещений выявили адекватные уровни освещения в диапазоне от 60 до 80 fc. Эти уровни освещенности соответствуют комфорту пользователей и большинству типов процессов в чистых помещениях.

Типы приспособлений для чистых помещений
Основные типы светильников для чистых помещений: каплевидные, встраиваемые, для поверхностного монтажа и встроенные в потолочную решетку. Выбор типа светильника обычно зависит от классификации чистых помещений.

Светильники типа "капля" были стандартом освещения чистых помещений в течение многих лет. Если речь идет о чистых помещениях класса ISO 4 (Fed-Std-209E Class 10) или выше, большая часть свободного пространства на потолке отводится под воздушные фильтры. Остаются только места непосредственно под каналами потолочной решетки. Сам светильник был спроектирован так, чтобы иметь аэродинамическую форму или форму капли.

Цель такой конструкции заключалась в том, чтобы свести к минимуму нарушение ламинарного потока воздуха, поступающего в помещение из потолочной системы подачи воздуха.

Основная проблема, часто связанная с каплевидными светильниками, заключается в том, что они выступают на шесть-восемь дюймов под потолком, уменьшая эффективную высоту потолка в чистом помещении. Более низкопрофильные капли доступны с использованием ламп меньшего диаметра и выступают всего на три-четыре дюйма ниже потолка.

Чистые помещения с классом ISO 5 (класс 100) или выше могут иметь достаточную свободную площадь потолка для размещения встраиваемых светильников 234 или 232. Встраиваемые светильники обычно опираются на потолочную решетку и располагаются на фланце с прокладкой или в канале с гелевым наполнителем для обеспечения герметичности. Полная и надежная герметичность требуется для корпусов встраиваемых светильников независимо от классификации чистых помещений. Даже микроскопическое отверстие в корпусе позволит частицам из воздуха, подаваемого через потолочную решетку, проникнуть в чистое помещение во время обслуживания светильника.

Встраиваемые светильники также могут сочетаться с воздушными фильтрами HEPA, когда в помещении необходим и фильтр, и свет. Такие светильники обычно используются в небольших, предварительно изготовленных чистых помещениях. Встраиваемые светильники с открытой верхней частью и акриловой решеткой вместо линзы служат одновременно осветительным прибором и модулем подачи воздуха. Они используются в наиболее строгих классах чистых помещений, где вся площадь потолка должна быть покрыта модулями подачи воздуха.

Верхние части обычно рассчитаны на установку стандартных 42- или 48-дюймовых фильтров. HEPA-фильтры, а вентиляционные патрубки поставляются и устанавливаются подрядчиком HVAC. Корпус должен быть полностью свободен от микроскопических отверстий, иначе высокоскоростной воздух, проходящий через светильник, будет вытягивать загрязнения из пленума и доставлять их в чистое помещение. Эти проходные светильники обычно имеют металлические полосы над каждой лампой, что обеспечивает жесткость конструкции, надежный запуск лампы, оптимальную мощность лампы и стабильность лампы в воздушном потоке.

Светильники для поверхностного монтажа обычно используются только в тех случаях, когда другая конфигурация нецелесообразна из-за ограничений, связанных с конкретным местом. В целом, светильники для поверхностного монтажа применимы только в чистых помещениях класса ISO 7 (класс 10 000) и выше или в подсобных помещениях чистых помещений (серые зоны). Их форма не может быть аэродинамической, и некоторая турбулентность воздушного потока неизбежна.

Чтобы учесть противоречивые требования к пространству для освещения и воздушных фильтров в потолке, а также в качестве альтернативы каплевидным светильникам, производители разработали модульные потолочные системы со встроенными светильниками, встроенными в каналы решетки. Эти системы обеспечивают непрерывный ламинарный поток воздуха, позволяют избежать подвесных препятствий, которые могут затруднить перемещение крупного оборудования, и могут обеспечить уровень освещенности в 90 кВ. Как правило, такие потолки поставляются в виде больших собранных модулей с предварительно подключенными светильниками через каждые 2 фута. Такая потолочная система позволяет сократить количество проводов, необходимых между осветительными приборами.

Конструкция светильника
Контроль загрязнения является основной целью проектирования любого чистого помещения. Любой потенциальный источник загрязнения в чистом помещении должен быть тщательно проанализирован и сведен к минимуму. Осветительные приборы должны быть подвергнуты оценке загрязнения. К сожалению, не существует установленных стандартов для предварительной квалификации светильников для определенного класса чистых помещений. Национальный санитарный фонд (NSF) предоставляет перечень и тестирование материалов, используемых в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и других областях, где действует FDA. Крепеж, используемый в таких помещениях, должен иметь маркировку NSF. Производители часто рекламируют приспособления как подходящие для использования в чистых помещениях, не приводя никаких данных или стандартных квалификаций, подтверждающих их заявления.

Материалы и типы конструкций светильников для чистых помещений могут быть самыми разными. Поскольку не существует общепринятого стандарта для конкретных классификаций чистых помещений, инженер или проектировщик освещения должен тщательно оценить любой предлагаемый светильник. В целом, рекомендуется, чтобы светильники, используемые в чистых помещениях ISO класса 5 (класс 100) - ISO класса 3 (класс 1), были изготовлены из стали с порошковым покрытием, анодированного алюминия или нержавеющей стали.

Для применения в системах NFS/FDA обычно требуется нержавеющая сталь.

Кроме того, светильники должны иметь герметичные уплотнения вокруг линз и оправы. Материалы прокладок должны быть тщательно проверены на газовыделение и устойчивость к чистящим растворителям. Общая конструкция светильника должна быть прочной, плотно соединенной или герметичной во всех местах, не должна расслаиваться или осыпаться при легком царапании и быть гладкой на ощупь.

Дверные коробки для встраиваемых светильников обычно доступны в различных материалах, конструктивных деталях и способах закрытия. Рамы могут быть изготовлены из алюминия, углеродистой или нержавеющей стали и могут быть цельными или собранными из экструдированных компонентов. Чаще всего двери из экструдированного алюминия заказывают, если это позволяет технологический процесс в чистом помещении, из-за их преимущества по стоимости. Если чистые помещения требуют частого мытья, как, например, в клиниках NSF/FDA или при исследованиях на животных, обычно используется цельная дверь из нержавеющей стали, а закрытие двери осуществляется с помощью винтов с потайной головкой.

Материал линз обычно акрил, но иногда используется стекло. Линза должна быть перевернута гладкой стороной вниз для обеспечения герметичности и удобства очистки. Чаще всего используется однородная призматическая структура, но для специальных применений возможна комбинированная структура, обеспечивающая симметричное/асимметричное распределение света. Линза проецирует свет вниз и в стороны для общего освещения в дополнение к специфическому освещению задач.

Чистые помещения создают множество проблем при проектировании и выборе систем освещения. Критически важный характер процессов в чистых помещениях требует тщательного анализа, спецификации и размещения осветительных приборов.