RÉFÉRENCE DE CONCEPTION DE SALLE BLANCHE DE GRANDE HAUTEUR

1. Analyse des caractéristiques des salles blanches de grande hauteur

(1) Les salles blanches de grande hauteur présentent des caractéristiques intrinsèques. Elles sont généralement utilisées en post-production, notamment pour l'assemblage d'équipements de grande taille. Elles ne requièrent pas un niveau de propreté aussi élevé, ni une précision de contrôle de la température et de l'humidité aussi importante. Les équipements y génèrent peu de chaleur pendant la production, et le personnel y est relativement peu nombreux.

(2) Les salles blanches de grande hauteur possèdent généralement des structures à ossature imposantes et utilisent souvent des matériaux légers. La plaque supérieure est généralement peu conçue pour supporter une charge importante.

(3) Génération et distribution des particules de poussière. Dans les salles blanches de grande hauteur, la principale source de pollution diffère de celle des salles blanches classiques. Outre la poussière générée par le personnel et les équipements sportifs, la poussière de surface représente une part importante. Selon les données de la littérature, la génération de poussière par une personne immobile est de 10⁵ particules/(min·personne), et elle est cinq fois supérieure lorsqu'une personne est en mouvement. Pour les salles blanches de hauteur standard, la génération de poussière de surface est calculée en considérant que la poussière générée par une personne au repos sur une surface de 8 m² au sol est équivalente. Dans les salles blanches de grande hauteur, la charge de purification est plus importante dans la zone d'activité du personnel située en bas et plus faible dans la zone supérieure. Par ailleurs, compte tenu des caractéristiques du projet, il est nécessaire d'appliquer un coefficient de sécurité approprié afin de garantir la sécurité et de prendre en compte les risques de pollution par la poussière. La génération de poussière de surface pour ce projet est calculée sur la base de la génération de poussière par une personne au repos sur une surface de 6 m² au sol. Ce projet est calculé sur la base de 20 personnes travaillant par équipe, et la production de poussière par le personnel ne représente que 20 % de la production totale de poussière, alors que la production de poussière par le personnel dans une salle blanche classique représente environ 90 % de la production totale de poussière.

2. Décoration des salles propres des ateliers de grande hauteur

L'aménagement d'une salle blanche comprend généralement les sols, les panneaux muraux, les plafonds, ainsi que les systèmes de climatisation, d'éclairage, de protection incendie, d'alimentation et d'évacuation d'eau, et autres éléments liés à la salle blanche. Conformément aux exigences, l'enveloppe du bâtiment et l'aménagement intérieur de la salle blanche doivent être réalisés avec des matériaux assurant une bonne étanchéité à l'air et une faible déformation en cas de variations de température et d'humidité. L'aménagement des murs et des plafonds des salles blanches doit répondre aux exigences suivantes :

(1) Les surfaces des murs et des plafonds des salles blanches doivent être planes, lisses, exemptes de poussière, sans reflets, faciles à dépoussiérer et comporter moins de surfaces inégales.

(2) Les murs en maçonnerie et les murs plâtrés sont à proscrire dans les salles blanches. Leur utilisation, lorsqu'elle s'avère nécessaire, doit être réalisée à sec et enduite selon des normes de haute qualité. Après plâtrage, les murs doivent être peints avec une peinture ignifuge, résistante aux fissures, lavable, lisse, peu absorbante, peu dégradante et résistante aux moisissures. Généralement, les panneaux muraux métalliques thermolaqués sont privilégiés pour l'aménagement intérieur des salles blanches. Cependant, dans les grandes usines, la hauteur sous plafond importante rend l'installation de cloisons métalliques plus complexe, en raison de leur faible résistance, de leur coût élevé et de leur capacité de charge limitée. Ce projet a analysé les caractéristiques de génération de poussière dans les salles blanches des grandes usines ainsi que les exigences en matière de propreté. Les méthodes conventionnelles d'aménagement intérieur avec panneaux métalliques n'ont pas été retenues. Un revêtement époxy a été appliqué sur les murs d'origine. L'absence de plafond a permis d'optimiser l'espace utile.

3. Organisation du flux d'air dans les salles blanches de grande hauteur

D'après la littérature, pour les salles blanches de grande hauteur, l'utilisation d'un système de climatisation dédié permet de réduire considérablement le volume total d'air insufflé. Cette réduction du volume d'air rend particulièrement importante l'organisation rationnelle des flux d'air afin d'obtenir une climatisation plus efficace. Il est nécessaire d'assurer l'uniformité des systèmes d'insufflation et de reprise d'air, de réduire les vortex et les tourbillons dans la zone de travail propre, et d'améliorer la diffusion de l'air insufflé pour optimiser son effet de dilution. Dans les ateliers de grande hauteur répondant aux exigences de propreté de classe 10 000 ou 100 000, on peut citer le concept de conception des grands espaces pour une climatisation confortable, comme l'utilisation de buses dans les aéroports et les halls d'exposition. Grâce à ces buses et à l'insufflation latérale, le flux d'air peut être diffusé sur une longue distance. L'insufflation par buses repose sur la projection d'air à grande vitesse. Ce système est principalement utilisé pour la climatisation des salles blanches de grande hauteur ou des espaces publics à hauts plafonds. L'alimentation en air se fait latéralement, la buse et la sortie d'air de reprise étant situées du même côté. L'air est projeté de manière concentrée par plusieurs buses disposées dans l'espace, à grande vitesse et avec un volume important. Le jet reflue après une certaine distance, assurant ainsi un reflux dans toute la zone climatisée. L'air est ensuite aspiré vers l'unité de climatisation par la sortie d'air de reprise située en bas. Ce système se caractérise par une vitesse d'insufflation élevée et une longue portée. Le jet favorise un brassage intense de l'air intérieur, sa vitesse diminue progressivement, créant un important flux d'air tourbillonnaire. Il en résulte un champ de température et un champ de vitesse plus uniformes dans la zone climatisée.

4. Exemple de conception technique

Un atelier propre de grande hauteur (40 m de long, 30 m de large, 12 m de haut) nécessite une zone de travail propre en dessous de 5 m, avec un niveau de purification statique de 10 000 et dynamique de 100 000, une température tn = 22 ℃ ± 3 ℃ et une humidité relative fn = 30 % à 60 %.

(1) Détermination de l'organisation du flux d'air et de la fréquence de ventilation

Compte tenu des caractéristiques d'utilisation de cette salle blanche de grande hauteur (plus de 30 m de large et sans plafond), la méthode conventionnelle d'alimentation en air des salles blanches ne répond pas aux exigences. Un système d'alimentation en air par buses à plusieurs niveaux a été mis en œuvre afin de garantir la température, l'humidité et la propreté de la zone de travail (à moins de 5 m de hauteur). Les buses d'insufflation sont disposées uniformément sur la paroi latérale, tandis que les bouches d'extraction d'air, munies d'un amortisseur, sont positionnées à 0,25 m du sol, dans la partie inférieure de cette même paroi. Ce système de ventilation permet à l'air de revenir dans la zone de travail par les buses et par le côté concentré. Parallèlement, afin d'éviter la formation d'une zone morte en termes de propreté, de température et d'humidité dans la zone de travail non propre située au-dessus de 5 m, de réduire l'impact du rayonnement froid et chaud provenant du plafond extérieur sur la zone de travail, d'évacuer rapidement les particules de poussière générées par la grue supérieure pendant son fonctionnement et d'utiliser pleinement l'air propre diffusé à plus de 5 m, une rangée de petites bouches de reprise d'air est disposée dans la zone de climatisation de l'air non propre, formant un petit système de reprise d'air en circuit fermé, ce qui permet de réduire considérablement la pollution de la zone non propre supérieure vers la zone de travail propre inférieure.

En fonction du niveau de propreté et des émissions de polluants, ce projet prévoit une fréquence de ventilation de 16 h⁻¹ pour la zone climatisée à air propre située en dessous de 6 m, et une extraction adaptée pour la zone non climatisée située au-dessus, avec une fréquence de ventilation inférieure à 4 h⁻¹. En pratique, la fréquence de ventilation moyenne de l'ensemble de l'installation est de 10 h⁻¹. Ainsi, comparée à la climatisation de l'ensemble de la pièce, la méthode d'alimentation en air par buses à couches séparées garantit non seulement une meilleure fréquence de ventilation de la zone climatisée à air propre et une organisation optimale du flux d'air pour une installation de grande portée, mais permet également de réaliser d'importantes économies sur le volume d'air, la puissance frigorifique et la consommation électrique des ventilateurs.

(2) Calcul de l'alimentation en air de la buse latérale

différence de température de l'air soufflé

La fréquence de ventilation requise pour la climatisation des salles blanches est bien supérieure à celle des systèmes de climatisation classiques. Par conséquent, l'exploitation optimale du volume d'air important des salles blanches et la réduction de l'écart de température de l'air insufflé permettent non seulement de réduire la capacité des équipements et les coûts d'exploitation, mais aussi de garantir une meilleure précision de la climatisation dans la zone climatisée. L'écart de température de l'air insufflé calculé dans le cadre de ce projet est de ts = 6 °C.

La salle blanche présente une portée relativement importante, avec une largeur de 30 m. Il est nécessaire de garantir le respect des exigences de recouvrement dans la zone centrale et de s'assurer que la zone de travail du procédé se situe dans la zone de retour d'air. Parallèlement, les exigences en matière de bruit doivent être prises en compte. La vitesse d'insufflation de l'air est de 5 m/s, la hauteur d'installation des buses est de 6 m et le flux d'air est émis horizontalement. Le débit d'air d'insufflation des buses a été calculé. Le diamètre des buses est de 0,36 m. D'après la littérature, le nombre d'Archimède est de 0,0035. La vitesse d'insufflation de l'air est de 4,8 m/s, la vitesse axiale en sortie est de 0,8 m/s, la vitesse moyenne est de 0,4 m/s et la vitesse moyenne du flux de retour est inférieure à 0,4 m/s, ce qui satisfait aux exigences du procédé.

Étant donné le volume d'air important et la faible différence de température du flux d'air soufflé, celui-ci est quasiment identique à celui d'un jet isotherme, ce qui permet de garantir facilement sa longueur. D'après le nombre d'Archimède, on peut calculer une portée relative x/ds = 37 m, ce qui satisfait à l'exigence d'un recouvrement de 15 m du flux d'air soufflé du côté opposé.

(3) Traitement des systèmes de climatisation

Compte tenu des caractéristiques des salles blanches (débit d'air insufflé important et faible écart de température), l'air de reprise est pleinement exploité et l'air de reprise primaire est supprimé lors du traitement de climatisation estivale. On privilégie l'utilisation d'air de reprise secondaire, l'air neuf étant traité une seule fois puis mélangé à un volume important d'air de reprise secondaire. Ce procédé évite le réchauffage et réduit la consommation énergétique des équipements.

(4) Résultats des mesures d'ingénierie

Après l'achèvement de ce projet, un essai d'ingénierie complet a été réalisé. Au total, 20 points de mesure horizontaux et verticaux ont été installés dans l'ensemble de l'usine. Le champ de vitesse, le champ de température, la propreté, le bruit, etc., de l'usine ont été testés en conditions statiques, et les résultats de mesure obtenus se sont avérés satisfaisants. Les résultats mesurés dans les conditions de fonctionnement nominales sont les suivants :

La vitesse moyenne du flux d'air à la sortie est de 3,0 à 4,3 m/s, et la vitesse à la jonction des deux flux d'air opposés est de 0,3 à 0,45 m/s. La fréquence de ventilation de la zone de travail propre est garantie à 15 fois par heure, et son niveau de propreté est conforme à la classe 10 000, ce qui répond pleinement aux exigences de conception.

Le niveau sonore intérieur de niveau A est de 56 dB à la sortie d'air de retour, et les autres zones de travail sont toutes inférieures à 54 dB.

5. Conclusion

(1). Pour les salles blanches hautes avec des exigences peu élevées, une décoration simplifiée peut être adoptée pour satisfaire à la fois aux exigences d'utilisation et aux exigences de propreté.

(2). Pour les salles blanches de grande hauteur qui nécessitent seulement que le niveau de propreté de la zone en dessous d'une certaine hauteur soit de classe 10 000 ou 100 000, la méthode d'alimentation en air des buses de climatisation à couches propres est une méthode relativement économique, pratique et efficace.

(3). Pour ce type de salles blanches hautes, une rangée de sorties d'air de retour est installée dans la zone de travail supérieure non propre pour éliminer la poussière générée près des rails de la grue et réduire l'impact du rayonnement froid et chaud du plafond sur la zone de travail, ce qui permet de mieux assurer la propreté, la température et l'humidité de la zone de travail.

(4) La hauteur d'une salle blanche de grande hauteur est plus de quatre fois supérieure à celle d'une salle blanche standard. Dans des conditions normales de production de poussières, la charge de purification par unité de surface est nettement inférieure à celle d'une salle blanche standard de faible hauteur. Par conséquent, la fréquence de ventilation peut être inférieure à celle recommandée par la norme nationale GB 73-84. Les recherches et analyses montrent que, pour les salles blanches de grande hauteur, la fréquence de ventilation varie en fonction de la hauteur de la zone propre. En général, 30 % à 80 % de la fréquence de ventilation recommandée par la norme nationale suffisent pour satisfaire aux exigences de purification.