Negatif basınçlı temiz odalar bulunan bir tesisin havalandırma sisteminin tasarımı
Air condition system design of a facility containing negative air pressure rooms
Yazar: DOĞAÇ TANRIÖVER
Danışman: PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Temiz odalar, havadaki partiküllerin konsantrasyon ve boyutlarının kontrol altında tutulduğu, oda içerisine partikül giriş ve çıkışının denetlendiği, inşası sırasında uygun malzemeler kullanılarak partikül oluşum ve tutulmasının engellendiği, sıcaklık, nem ve basınç gibi parametrelerin de gerekliliği durumunda kontrol altında tutulduğu çalışma ortamlarıdır. Günümüzde ameliyathanelerden mikroçip üretimine kadar geniş bir yelpazede kullanılma zorunluluğu konunun önemini açığa çıkarmaktadır.
Negatif basınçlı temiz odalar bulunan bir tesisin havalandırma sistemini tasarlamak için bir literatür araştırması yapıldığında negatif basınçlı temiz odalar hakkında pozitif basınçlı temiz odalara oranla çok daha az bilgi bulunduğu görülür. Bunun sebebi mimarinin negatif basınçlı temiz odalar bulunan tesislerde üretimine bağlı olarak değişiklikler göstermesidir. Bu durum, her bir tesis için özel çözümler üretilmesini gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada negatif basınçlı odalar bulunan bir tesisin havalandırma sistemi özel bir örnek üzerinden tasarlanmıştır.
Temiz oda tasarımında bilinmesi gereken birçok konu bulunmaktadır. Temiz odalar bulunan bir tesisin havalandırma sistemini tasarlamak için tesiste kullanılan ve mekanik tesisatı etkileyen otoklavlar, dezenfsiyon üniteleri, hava kilitleri, gaz sızdırmaz kapılar gibi cihazlar ve üniteler bilinmelidir. Bunun yanında havalandırma sistemi tasarlarken kullanılan cihazların ve ünitelerin neler olduğu ve çalışma prensipleri hakkında bilgi sahibi olunmalıdır. Bu çalışmada hijyenik klima santralleri, hava filtreleri, sabit hava debisi üniteleri, değişken hava debisi üniteleri, bekçi filtre üniteleri, fanlar, ısı geri kazanım üniteleri ve serpantinler bilinmelidir.
Bu çalışmada örnek olarak bir aşı üretim tesisi ele alınmış, havalandırma tesisatı BricsCAD ve Excel programları kullanılarak tasarlanmıştır. Aşı üretim tesisleri negatif basınçlı temiz oda prensibi ile çalışması gereken tesislerdir. İlk olarak tesiste bulunan bütün mahallerin kullanım amacı belirlendi. Mahallerin kullanım amacına göre tesiste iki bölge bulunmaktadır. Bu bölgeler temiz bölge ve kirli bölge olarak isimlendirildi. Temiz bölge, personelin ve kullanılacak veya çıkarılacak ürün ve malzemelerin giriş çıkış yaptığı bölümdür. Kirli bölge ise giriş çıkış dışında kalan, tesiste aşının üretildiği bölümdür. Her iki bölgenin santralleri birbirlerinden bağımsız olacaklardır. Temiz bölge santrali hem üfleme, hem de emme yapacak şekilde tasarlandı. Kirli bölge santrali ise sadece üfleme yapacak şekilde tasarlandı, kirli bölgeden emilen hava filtrelerden geçirildikten sonra egzoz fanları vasıtası ile dışarı atıldı.
Tesiste bulunan mahallerin amaçları doğrultusunda her bir mahalin sınıfı belirlendi. Bu işlem mahallerde bulunan malzemelerin ve kullanılan veya üretilen ürünlerin özelliklerini bilen bir GMP uzmanı tarafından yapıldı. Sınıfların tanımı için GMP Kılavuzu'nda bulunan tablo kullanıldı.
Bu işlemlerden sonra tesiste bulunan bütün mahallerin arasında hava akış yönü belirlendi. Hava akış yönü temiz odalardan daha az temiz odalara doğru olmalıdır. Bunun için ana prensibimiz koridorlar vasıtası ile mahaller arasında hava akışını engellemektir. Bunun sağlanabilmesi için koridorların basıncı komşu mahallerden ya fazla olmalı ya da düşük olmalıdır. Hava akış yönleri belirlendikten sonra tesisin girişinden başlayarak bütün odaların basınç değerleri hesaplandı.
Bu hesaplardan sonra mahaller arası geçen hava debileri hesaplandı. Mahaller arası geçen hava debilerinin hesaplanması için Blaser'a (1994) ait ampirik bir formül kullanıldı.
Bu bilgiler doğrultusunda havalandırma sistemi tasarım şeması hazırlandı. Şema hazırlanırken mahallere yapılacak dağıtıma göre belli bir kanal güzergahı belirlendi. Bu şemaya mahallere üflenen ve/veya emilen hava debileri de işlendi. Üretimin kesintiye uğramaması için kirli bölge santralinin yedeklenmesi gereklidir. Bunun için iki adet kirli bölge santrali ve iki adet egzoz fanı seçildi.
Havalandırma sisteminin tasarım şeması hazırlandıktan sonra cihaz seçimi yapıldı. Cihaz seçimi için öncelikle tesisteki bütün mahallerin ısı kaybı ve ısı kazancı hesabı yapılmalıdır. Bu çalışmada ısı kaybı ve ısı kazancı değerleri hesaplanmış kabul edildi. Isı kazancı değerlerinden üfleme ve emme hava debileri elde edilir. Hesaplanan bütün verilerle bir çizelge hazırlanır. Bu çizelgede mahallerin numarası, ismi, sınıfı, basıncı, insan sayısı, aydınlatma gücü, elektrik gücü, ısı kazancı değeri, boyutları, soğutma yükü, ısıtma yükü, soğutma t, yüke göre hava debisi, yüke göre hava değişim sayısı, hava değişim sayısı, üfleme havası, gerçek soğutma t, basınçlandırmadan kaynaklanan hava kaçışları ve dönüş havası bulunur. Hava değişim sayısı tecrübe ile belirlenmiştir. Hava değişim sayısı ile yüke göre hava değişim sayısı kaşılaştırılıp, büyük olan değer alındı.
Cihaz seçimi bu tablodaki değerlere göre yapılır. Kirli bölge santrallerinden birinin arızalanması durumunda sistemin %20'si kapatılarak sistem devam ettirilebileceğinden kirli bölge klima santrali için gerekli üfleme debisi %80 ile çarpılır ve her biri bu debiyi sağlayacak iki adet santral seçilir. Aynı oran egzoz hava debisi için de kullanılır ve iki adet egzoz fanı seçilir. Temiz bölge santrali çizelgede çıkan değerlere göre seçilir. Temiz bölge, üretim alanı olmadığı için yedeklemeye gerek yoktur. Santrallerin konfigürasyonu belirlenir ve bunlar sırasıyla işlenir.
Tesiste kirli bölgeden emilen hava ve içeri üflenecek taze hava, bir ısı geri kazanım ünitesinde geçirildi. Bu şekilde içeriden atılan havanın enerjisinin bir kısmı dışarıdan alınan taze havaya aktarıldı. Bu sayede kirli bölgenin klima santralinin serpantinlerinin yükü bir miktar düşürülmüş oldu. 
Cihaz seçiminden sonra bulunan hava debi değerleri havalandırma sistemi tasarım şeması üzerine işlendi. Havalandırma sistemi tasarım şemasına hava debileri işlendikten sonra kanallar belirlenen güzergah üzerinde çizildi ve ölçülendirildi. Çizilen kanallara bağlı olarak basınç kaybı yapılmalıdır. Bu çalışmada kirli bölgenin santrali ve egzoz fanının kanal güzergahı tek hat şeklinde olarak çizilmiştir. Basınç kaybı cihaz seçimlerinde kabul yoluyla işlenmiştir.
Tasarlanan bu sistemde bekçi filtreleri, kirli bölgeye ait santraller ve egzoz fanları gibi yedeklenmiştir. Bu sayede rutin bakım zamanlarında, üretim devam ederken filtreler değiştirilebilir.
Yapılan bu çalışma ile özel bir örnek üzerinden negatif basınçlı temiz odalar bulunan bir tesisin havalandırma sisteminin nasıl çözümlenebileceği açıklandı. Hastaneler gibi pozitif basınçlı temiz odalar bulunan tesislere oranla hakkında daha az bilgi sahibi bulunan negatif basınçlı temiz odalar bulunan tesislerin tasarlanabilmesi için mahallerin sınıflarının belirlenmesi, mahallerin basınçlarının belirlenmesi ve hava geçiş yönleri konuları iyi anlaşılmalı, özel çözüm gerektiren negatif basınçlı temiz odalar bulunan tesislere uygulanarak havalandırma sistemi çözülmelidir.

Abstract:
Clean rooms are working places in which concentration and sizes of air particules are controlled. They are constructed and designed to prevent difussion or penetration of particules and parameters such as pressure, temperature and humidity are also controlled in case of necessity. Currently, they are in use for an extend area from medicine to microchip production. Clean room technology getting more and more important due to the developments basicly in the fields of pharmacy, medicine, electronics, biotechnology, optics, micromechanics and space technologies. 
A literature search on designing of an air condition system of a facility containing negative air pressure rooms shows that there is significantly less information about negative air pressure rooms comparing positive air pressure rooms. The reason is architecture of facilities contain negative air pressure rooms have differences due to production. As a result, all different facilities require different and specific designs. Because of this, in this study, air conditioning system design of a facility containing negative air pressure rooms explained with the usage of a sample facility.
Numerous factors should be taken in to account while designing a clean room. For air condition system design of a facility, all devices and units that affect mechanical installation should be well known, for instance; autoclaves, disinfection units, airlocks, gas tight doors. Moreover, for designing an air condition system, all necessary units and devices and their working principles should be known. For this project, this units, and devices are hygienic air handling unit, air filters, constant air volume units, variable air volume units, safe houses, fans, heat recovery units, and heating and cooling coils.
The designing steps of an air condition system are giving space numbers to every space in facility, getting information for all building materials, determining the units (air handling units, hygienic air handling units, exhaust fans, fresh air fans, heat recovery units etc.) to use in design, getting information about classes of spaces from the GMP Expert, determining air leakage directions, calculating the pressure values of all spaces, calculating air volume rates between spaces, preparing a schema of air condition system, calculating heat loss and heat gain of all spaces, calculating fresh air and extract air volume rates, determining air volume rates of units, adding all units on plans, drawing the ducts and other necessary devices (CAV, VAV etc.), calculating the pressure loss and choosing units.
In this thesis, air conditioning system of a sample vaccine production facility was desinged by using Excel and BricsCAD programs. Vaccine facilities are working places which must be operated based on negative air pressure clean room principles. There are two areas in the facility. These areas are contaminated area and entrance area. Entrancearea is used for going in and out of staffs and products. Contaminated area includes vaccine production spaces. Air handling units of these two areas are independent. Entrance area air handling unit has a vantilator and an aspirator. Contaminated area air handling units have only vantilators. Extracted air from contaminated area exhausts by fans. 
Classes of all spaces of the facility determined due to their purposes. This determination is done by a GMP Expert who knows about materials and productions in use or produced. For class determination, the class table in GMP Guide is used.
After these procedures, airflow direction is determined between spaces in facility. Airflow directionsmust be from clean rooms to less clean rooms. For this purpose, corridors are used to prevent airflow between spaces. There are two possibilities. Corridors should have higher or lower pressures from their adjacent rooms. After determined airflow directions between spaces, all spaces' pressure values are calculated beginning from the entrance.
After this calculation, air volume rate between spaces is calculated. An emprical formula, which is found by Blaser (1994), is used to calculate the airflow rate between spaces.
Considering these informations, schema of the air conditioning system is prepared. Before preparation of schema, a duct outline is determined. Supply and extract air volume rates to spaces wrote on schema. To supply maintenance of production contaminated area air handling unit should be back up. For back up two number of contaminated air handling units and two number of exhaust fan chosed.
After prepared schema of air condition system's design, units are choiced. Before this, heat loss and heat gain calculations must be done for all spaces in the facility. In this thesis, heat loss and heat gain values are accepted as calculated. Next, supply and extract air volume rates are found. A table is prepared by using all these informations. This table includes space numbers, names, classes, pressure values, number of staffs, overhead lighting powers, electrical equipment powers, space heat gain values, sizes, total heat gain values, heat loss values, cooling ts, air volume rates due to cooling values, numbers of air change due to cooling value, air change rates, supply air volume rates, real cooling ts, air leakages originated from pressure, extract air flow rates for each space. Number of air change is chosen by experience because there is a scientific gap at determining number of air change according to the class of the space. After comparison of number of air change obtained using cooling value and number of air change that was determined by experience, the greater one used for calculations. The operator of the system should perform some tests in all sapces in the facility. By these tests the operator should provide the number of particules in each space due to it's class.
Units choice is done by using this table. If one of the air handling units of contaminated area goes out of order, production could maintain by shutting down 20% of system. For this purpose, supply air volume rate required for contaminated area is multiplied by 80% and two seperate air handling units are chosen which can supply this air volume rate. The same ratio is used for extract air volume rate to choose exhaust fans. Backup is not necessary for entrance area because this area is not used for production process. Afterwards, air handling units' configurations of both entrance and contaminated areas are determined.
A heat recovery unit is used in the air condition system. By this way, the energy transfer between extract air and fresh air could occur according to the efficiency of the heat recovery unit. As a result, heating and cooling coils' capacities are decreased.
After units choice, air volume rates are written on air condition system schema. Ducts must be drawn on determined lines and dimensioned. Next, pressure losses must be calculated for each duct line. In this thesis, duct lines of contaminated area air handling units and exhaust fans are drawn as single track and pressure loss values are assumed as calculated.
In this design safe houses are backed up.as contaminated air handling units and exhaust fans. By this means, during routine maintenance, safe house filters can be changed one by one without stopping production process.