Tin tức

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HVAC TRONG PHÒNG SẠCH

Posted on by Mr Sơn
16
Th6

Trong các hệ thống phòng sạch, hệ thống HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning – Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí) không đơn thuần là một hệ thống làm mát hoặc làm ấm không khí. Đây chính là trái tim điều phối môi trường không khí sạch, giữ vai trò kiểm soát các thông số quan trọng như: độ sạch của không khí, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ và hướng luồng khí. Một thiết kế HVAC hiệu quả không chỉ giúp đảm bảo các yêu cầu khắt khe về chất lượng sản phẩm, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành và chi phí của toàn bộ nhà máy.

Để thiết kế một hệ thống HVAC tối ưu cho phòng sạch, người kỹ sư cần phải xem xét toàn diện nhiều yếu tố, từ đặc điểm sản xuất, yêu cầu kỹ thuật, môi trường khí hậu, cho đến ngân sách đầu tư. Dưới đây là những yếu tố chính ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ thống HVAC phòng sạch.

Cấp độ sạch của phòng

Cấp độ sạch (cleanroom classification) là yếu tố quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đến toàn bộ thiết kế hệ thống HVAC. Tùy thuộc vào tiêu chuẩn áp dụng như ISO 14644-1, EU GMP, US FDA hay WHO GMP, mỗi cấp độ sạch quy định một giới hạn cụ thể về số lượng và kích thước hạt bụi trong không khí.

Ví dụ:

  • Phòng sạch cấp ISO 5 yêu cầu số hạt bụi ≥ 0.5 micron không được vượt quá 3.520 hạt/m³.
  • Trong khi đó, ISO 7 cho phép tối đa 352.000 hạt/m³.

Để đáp ứng các yêu cầu này, hệ thống HVAC phải:

  • Sử dụng bộ lọc hiệu suất cao (HEPA hoặc ULPA).
  • Tăng số lần trao đổi không khí mỗi giờ (ACH – Air Changes per Hour).
  • Tối ưu hóa dòng khí và bố trí miệng cấp/xả khí sao cho giảm thiểu tối đa hiện tượng xoáy khí và tích tụ bụi.

Tóm lại, cấp độ sạch càng cao thì yêu cầu về lưu lượng không khí, mức độ lọc, tốc độ luồng khí và áp suất càng lớn, kéo theo chi phí đầu tư và vận hành HVAC tăng cao.

Đặc thù quy trình sản xuất và yêu cầu kiểm soát vi sinh

Tùy thuộc vào lĩnh vực sản xuất – dược phẩm, điện tử, thực phẩm, mỹ phẩm, y tế hay sinh học – mà yêu cầu về kiểm soát môi trường cũng khác nhau. Một số ngành, đặc biệt là dược phẩm và y tế, không chỉ cần kiểm soát bụi mà còn cần kiểm soát vi sinh vật trong không khí.

Trong những trường hợp này, hệ thống HVAC cần:

  • Cung cấp luồng khí một chiều (laminar flow) trong khu vực trọng yếu.
  • Tăng áp suất dương để ngăn không khí bên ngoài xâm nhập vào khu vực sạch.
  • Duy trì độ ẩm thích hợp để tránh sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc.

Ngược lại, trong ngành điện tử, độ ẩm cần được kiểm soát ở mức thấp để giảm thiểu hiện tượng tích điện, nhưng lại không yêu cầu khắt khe về vi sinh.

Mô hình lưu thông luồng khí

Mô hình lưu thông không khí là một phần quan trọng trong thiết kế HVAC. Có ba mô hình chính thường được áp dụng trong phòng sạch:

  • Luồng khí một chiều (Unidirectional Flow): Không khí di chuyển theo một hướng thẳng đứng từ trần xuống sàn (hoặc ngang từ một phía sang phía đối diện). Mô hình này thường được sử dụng trong các khu vực có yêu cầu độ sạch rất cao như ISO 5, Grade A.
  • Luồng khí không định hướng (Turbulent Flow): Không khí được cấp và hồi ở nhiều vị trí khác nhau, tạo ra sự pha trộn và tuần hoàn. Thường dùng cho ISO 7 hoặc thấp hơn.
  • Luồng khí hỗn hợp (Mixed Flow): Kết hợp cả hai phương pháp trên để đạt hiệu quả tối ưu.

Mỗi mô hình yêu cầu thiết kế khác nhau về vị trí ống gió, tốc độ gió và loại lọc, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất hệ thống và hiệu quả vận hành.

Kiểm soát áp suất giữa các khu vực

Áp suất trong phòng sạch được kiểm soát để đảm bảo không khí luôn di chuyển từ khu vực sạch hơn sang khu vực ít sạch hơn. Điều này giúp ngăn chặn việc xâm nhập bụi hoặc vi khuẩn từ bên ngoài vào các khu vực sản xuất nhạy cảm.

  • Áp suất dương thường được áp dụng trong ngành dược phẩm, điện tử, sản xuất linh kiện y tế.
  • Áp suất âm lại được sử dụng trong các phòng cách ly, xử lý hóa chất độc hại hoặc vi sinh vật nguy hiểm.

Thiết kế áp suất cần tính toán chênh lệch hợp lý (thường từ 10–15 Pa), lắp đặt cảm biến áp suất và bộ điều khiển để duy trì sự ổn định trong mọi điều kiện hoạt động.

Nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu

Mỗi quy trình sản xuất và sản phẩm sẽ có yêu cầu riêng về nhiệt độ và độ ẩm để đảm bảo chất lượng và ổn định. Ví dụ:

  • Sản xuất vaccine cần nhiệt độ duy trì ổn định trong khoảng 20–22°C và độ ẩm tương đối từ 45–55%.
  • Ngành in bản mạch điện tử yêu cầu độ ẩm thấp để tránh phóng tĩnh điện.

Điều này buộc hệ thống HVAC phải tích hợp các thiết bị:

  • Khử ẩm (dehumidifier) hoặc tạo ẩm (humidifier).
  • Gia nhiệt và làm lạnh đồng thời để giữ nhiệt độ trong phạm vi hẹp, ổn định suốt 24/7.

Mật độ người và thiết bị trong phòng

Con người và thiết bị sản xuất đều là nguồn phát sinh nhiệt, độ ẩm và hạt bụi trong phòng sạch. Vì vậy, thiết kế HVAC cần tính đến:

  • Số lượng người làm việc tối đa tại một thời điểm.
  • Công suất sinh nhiệt của máy móc.
  • Cách bố trí thiết bị, vật liệu hấp thụ hoặc tỏa nhiệt.

Việc tính toán đúng tải nhiệt bên trong sẽ giúp lựa chọn công suất thiết bị phù hợp, tránh hiện tượng quá tải hoặc tiêu thụ năng lượng không cần thiết.

Điều kiện môi trường bên ngoài

Thiết kế HVAC cần phù hợp với khí hậu địa phương. Ở các khu vực như Việt Nam – có khí hậu nhiệt đới gió mùa, độ ẩm cao, nắng nóng nhiều – hệ thống phải:

  • Chú trọng đến khả năng khử ẩm và chống nấm mốc.
  • Tăng cường lọc khí tươi để tránh ảnh hưởng của bụi mịn, khí ô nhiễm từ môi trường.
  • Tính toán khả năng hoạt động ổn định quanh năm, kể cả vào mùa cao điểm nắng nóng hoặc mưa kéo dài.

Tuân thủ tiêu chuẩn và quy định pháp lý

Hệ thống HVAC phòng sạch cần tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế và quy định của pháp luật. Một số tiêu chuẩn phổ biến gồm:

  • ISO 14644 – Phân loại và thử nghiệm phòng sạch.
  • EU GMP Annex 1 – Yêu cầu về sản xuất vô trùng.
  • WHO GMP, US FDA – Được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực dược phẩm, y tế.
  • TCVN 8664-1:2011 – Quy chuẩn quốc gia Việt Nam về phòng sạch.

Việc thiết kế đúng chuẩn không chỉ giúp quá trình thẩm định/phê duyệt thuận lợi, mà còn tránh được các rủi ro pháp lý trong quá trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.

Chi phí đầu tư và vận hành

Một hệ thống HVAC phòng sạch thường chiếm tới 30–50% tổng chi phí xây dựng phòng sạch. Tuy nhiên, nếu thiết kế không tối ưu, chi phí vận hành sẽ rất cao trong quá trình sử dụng lâu dài.

Do đó, cần cân đối giữa:

  • Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành.
  • Lựa chọn thiết bị có hiệu suất năng lượng cao, tích hợp công nghệ inverter hoặc điều khiển thông minh.
  • Tận dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng như thu hồi nhiệt, phân vùng kiểm soát theo khu vực, lập lịch vận hành linh hoạt.

Kết luận

Thiết kế hệ thống HVAC cho phòng sạch là một công việc phức tạp, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật, công nghệ và kinh nghiệm thực tế. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng sẽ giúp người thiết kế đưa ra giải pháp phù hợp nhất với mục tiêu vận hành, tiêu chuẩn chất lượng và ngân sách của doanh nghiệp. Một hệ thống HVAC tốt không chỉ giúp phòng sạch đạt chuẩn, mà còn góp phần tối ưu hóa năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu rủi ro trong sản xuất.