风机过滤单元（FFU）性能试验方法

——CRAA标准（报批稿）解读

同济大学机械与能源工程学院 林忠平* 王登

摘要  介绍了CRAA标准《风机过滤单元试验方法》（报批稿）的编制背景，对该标准的应用范围、主要内容以及特点等概况进行了说明，重点介绍了标准中规定的各种性能试验方法，包括空气动力及能耗性能试验、面风速均匀性试验、噪声性能试验、振动性能试验、谐波性能试验以及机箱漏风量试验。

关键词  风机过滤单元；性能试验方法；CRAA标准报批稿

Methods for Testing Performance of Fan Filter Units (FFU) —— Interpretation of CRAA Standard Draft Testing Fan Filter Units

Lin Zhongping and Wang Deng

Abstract  Introduces the background of the CRAA draft Testing Fan Filter Units. Presents the overview of the standard, including scope of application, main content and characteristics. Focuses on performance test methods, covering such test items as aerodynamic performance & energy consumption, airflow velocity uniformity, noise, vibration, total harmonic distortion, and air leakage of the fan box.

Keywords  Fan Filter Unit; Performance Test Method; CRAA Standard Draft

      风机过滤单元（Fan Filter Unit，FFU）是一种由风机和空气过滤器组成的空气净化设备，具有整体设计灵活、安装施工方便、密封方式简单有效以及易于控制等优点，在洁净室尤其是电子洁净厂房中得到广泛应用。以近年来国内迅速发展的液晶面板行业为例，一条5代面板生产线需要约12000台1200×1200 mm（4×4 ft）FFU，6代线需要约25000台，8代线需要约42000台，而10代线则需要约80000台。此外，设备端风机过滤单元（EFU）的需求量也不少。随着市场需求的不断增加、生产能力的不断提升和生产技术的不断进步，对FFU的性能要求也越来越高。然而，市场上不同制造商的FFU产品性能参差不齐，采用的性能试验方法也不尽相同，结果缺乏可比性。因此，编制科学合理、统一规范的FFU性能试验方法标准，对于帮助用户合理选用FFU产品，以及推动FFU制造行业良性发展都十分重要。

    2012年，中国建筑科学研究院参考美国环境科学与技术学会（IEST）最初的FFU试验方法草案编制了FFU产品标准JG/T 388-2012，2014年，IEST正式发布了FFU试验方法标准IEST-RP-CC036.1:2014[]。目前，国内尚无专门的FFU性能试验方法相关标准，另一方面，JG/T 388-2012和IEST-RP-CC036.1:2014并未对FFU的振动、谐波和机箱漏风量等性能参数的试验方法进行规定，而随着工艺的进步，用户对FFU的这些性能也提出了要求，相关的试验方法亟需制定并统一。
 

在此背景条件下，2016年9月中国制冷空调工业协会（CRAA）立项编制《风机过滤单元试验方法》标准[1] ，同济大学负责起草，共34家包括高等院校、科研院所、设计院、设备制造商（涵盖FFU、过滤器、滤材、风机及测试设备等）及工程承包商等单位参与编制，通过吸收国外先进理念，广纳多方意见，在大量的试验与循环对比试验及相关研究工作的基础上，于2018年11月完成了CRAA标准《风机过滤单元试验方法》（报批稿）。该标准的主要目的是为FFU的用户及供应商提供必要的协议，用以规范FFU性能的测试及报告，使不同制造商生产的FFU产品的性能直接进行比较。

1.标准概况

1.1应用范围

该标准所规定的性能试验方法适用于在任何方向上过滤器尺寸不大于1.5米（5英尺）的FFU，其他尺寸规格的FFU及设备端风机过滤单元（EFU）则可参照采用此标准。[2] 该标准对交流电机、直流无刷电机、具有定风量控制以及不具有定风量控制功能的FFU均适用。

作为自愿性标准，用户双方可将该标准作为买卖协商的依据，可根据实际使用情况协商确定标准中具体参数的规定。该标准不排斥其他相关标准，当与用户持有的其他标准不一致时，可由用户决定采用。

1.2主要内容

该标准的内容结构如表1所示。其核心为试验方法部分，规定了体积风量、外部静压（余压）、电参数（电流、电压、总输入功率和功率因数）、面风速均匀性、噪声（声功率级）、振动（振动速度）、电流总谐波畸变率和机箱漏风量等性能参数的试验设备和必要的试验程序。

各项性能的测试应包括FFU样品附属。
 

设备对其性能的影响。[3] 试验装置及FFU的安装应保证气密性，且推荐使用同一套试验设备来进行各项性能的测试。

2.标准特点

与JG/T 388-2012和IEST-RP-CC036.1: 2014等其他FFU相关标准相比[4]，该标准具有以下特点：（1）根据最新试验研究成果[5]，对FFU的面风速均匀性试验方法参数进行了改进，引入了面风速均匀性自动化扫描测量手段，可使测试结果更加准确、过程更加高效。（2）增加了对FFU振动性能试验方法的规定，以满足生产工艺方面对环境微振评估的需要。（3）增加了对FFU谐波性能试验方法的规定，以满足电力方面在评判和预防谐波危害时的需求。（4）增加了对FFU机箱漏风量试验方法的规定，以评价机箱的密封性。（5）规定了FFU性能试验的报告内容，给出了参考的报告格式，以及完整的试验示例，使性能试验报告的撰写更加清晰、规范和容易。[6]

3.空气动力及能耗性能试验方法

FFU的应用具有数量大、持续不断运行的特点，FFU的运行效率和能耗是用户非常关心的问题。体积风量、外部静压（即余压）以及电参数（电流、电压、总输入功率和功率因数）三项参数共同用于评价FFU的空气动力及能耗性能，且此三者的测量通常同步进行，故此处将其总结为空气动力及能耗性能试验。

典型的FFU性能试验装置如图1所示。通过变频器控制辅助风机和调节阀门可以改变FFU的运行风量和余压，通过调速器可以改变FFU的转速，两者结合即可实现将FFU调节到任意的工况。

FFU的风量通常以面风速给定，体积风量等于面风速乘以过滤器有效空气流通面积。风量的测量通过喷嘴组进行，喷嘴的数量和尺寸应适当，以保证喷嘴前后静压差不小于100Pa。外部静压也称余压，是指FFU气流通道上的外部设备所引起的静压损失，也即是克服过滤器、箱体结构等自身阻力后，FFU提供的可供机外通风系统使用的空气静压值。由于FFU出风风速通常较低，动压很小，因此忽略动压值，用静压代替全压。余压的测量在靠近FFU进风口的静压箱内进行，由于FFU出口与大气相联通，因此静压箱内的静压绝对值便是余压。在测试体积风量、余压的同时，应测试并记录电流、电压、总输入功率和功率因数等电参数。电参数测量仪器应连接在FFU和外部电源之间，以保证所测结果包括FFU风机和FFU箱体内其他耗能设备的电耗（如内部控制模块及指示灯）。

如果FFU具有多档风速调节，建议对每个风机转速分别进行测试；对于无级调速的FFU，可将FFU风机设定为不同的转速分别进行测试。每一个转速下，应测量出一组不同的风量，同时记录相应的余压和电参数。

最终报告时，采用两项指标来综合评价FFU的空气动力及能耗性能：空气动力效率和能耗性能指数。空气动力效率是指一定工况下，FFU空气动力功率占总输入功率的比值，如式 (1) 所示。FFU能耗性能指数则指一定工况下，FFU输送单位空气流量时所消耗的总输入功率，如式 (2) 所示。

 

需要指出的是，为了增加FFU性能试验结果的可比性，并使其应用到其他环境工况条件，应测量并记录试验环境的空气温度、相对湿度和大气压力，在报告中将试验结果换算成标准工况（标准大气压、空气温度20℃）。

4.面风速均匀性试验方法

面风速均匀性是FFU最重要的性能参数之一，它直接影响到洁净空间的气流组织和洁净度，尤其是对单向流洁净室而言更为重要。

测量时，应在FFU有效出风面的四周设置高度为46cm的围挡，以减少外界气流对出风气流的影响。在距离FFU过滤器出风面15 cm处的断面上，从距离过滤介质边界5 cm开始，将有效流通区域划分成面积相等的网格，取每个网格的中心作为风速测点。对于网格尺寸的大小，IEST-RP-CC036.1:2014中规定网格尺寸最小为10 cm × 10 cm，最大不超过20 cm × 20 cm。但最新研究[6]表明，测点间距在10cm~20cm之间变化对面风速均匀性测试结果具有显著影响。较小的间距意味着较多的测点，单点所代表的网格区域更小，测试结果理应更可靠。研究表明，间距为20cm时测试结果的代表性较差，间距在15cm以下时测试结果。

相对较可靠。因此，本标准中将网格允许最大尺寸从20cm降低至15cm，规定网格尺寸最小为10 cm × 10 cm，最大不超过15 cm × 15 cm，并建议宜选取较小的网格尺寸进行测点布置。

风速测量可以使用单点热线风速仪或电子微压计，不应使用多测点平均风速测量仪。风速仪探头必须固定，不能手持，以减少人员误差。考虑到风速的波动性，每个测点的风速测量应持续至少5秒，当读数稳定时记录速度。编者成功研制了FFU面风速均匀性自动化扫描测试装置，如图2所示。考虑到手工测试误差大和效率低的缺点，本标准建议宜采用风速自动扫描测量装置进行面风速均匀性试验，以提高测试的准确度及效率。自动测试装置的采用也使得较小的网格尺寸划分更易于接受。

FFU的面风速均匀性采用面风速不均匀度作为评价指标，即全部测点风速实测值的相对标准差，按式 (3)进行计算。

5.振动性能试验方法

在一些洁净场合中，工艺要求对于环境的微振有特别限制。FFU本身作为振动源，其振动性能需要进行测试评价。FFU风机的转速通常在1500转/min以下，且实际使用中一般不会低于600转/min，属于中频振动，因此，采用振动速度作为表征FFU振动强度的标准。

测试时，应根据制造商的安装指南按照实际应用情形安装FFU。由于振动主要与FFU风机的转速有关，并且试验发现振动强度并非总是随着转速的增加而增强。因此，测试时将FFU余压设置为0Pa，并根据实际需求指定风机转速。为全面反映FFU在不同方向上的振动情况，按图4所示的方式进行测点布置。为衡量风机轴向方向上的振动情况，在FFU机箱的进风侧表面布置4个测点，分别位于表面的四个角上，距离相邻两边的距离均为10 cm；为衡量风机径向方向上的振动情况，在FFU机箱四个侧面的中心位置各布置1个测点。读数稳定后读取振动速度值。取8个测点中的最大振动速度作为振动性能的评价值。

6.谐波性能试验方法

谐波畸变会影响电能质量，可能导致电力变压器和电力线缆发热、低压配电设备工作异常，并对电子设备造成干扰。FFU作为用电设备，在运行时会向公共电网中注入谐波电流，是谐波源之一。大型洁净厂房中，通常有上万台FFU同时连续不断运行，其对电网谐波畸变的影响应该得到重视。因此，需要对FFU的谐波性能进行测试评价。

    FFU设备的谐波性能通常以电流总谐波畸变率表征，即全部谐波电流含量方和根与基波电流有效值之比，其反映了电流波形相对正弦波的畸变程度。

    电流总谐波畸变率可采用电能质量分析仪进行测量。测量时，应将仪器的电流、电压钳型传感器应连接在外部电源通向FFU的供电线路上。试验研究表明，电流总谐波畸变率随FFU的运行风量和余压变化显著，如图5所示。因此，测量时应根据实际需求指定受试工况。
7.机箱漏风量试验方法

FFU的机箱外框由多块材料铆接拼合而成，电源线与电机的连接、信号线与控制模块的连接都会穿透机箱。这些地方都存在密封问题，而在许多FFU的应用场合，特别是现代集成电路生产厂房内，密封胶由于可能产生化学污染而不允许使用。机箱密封性不好会导致漏风问题，对FFU的空气动力及能耗性能造成不良影响。因此，需要对FFU机箱漏风量进行测试评价。
 

FFU机箱漏风量定义为在一定静压下通过机箱本体结构及其接口，单位时间内泄出或渗入的空气体积量。漏风量与额定风量之比称为漏风率。测试时，拆除高效或超高效过滤器，封闭FFU机箱进出风口，将漏风量测试仪连接到FFU机箱进口，如图6所示。调节机箱内静压达到设计工作压力并保持，稳定后记录漏风量，计算漏风率。设计工作压力定义为FFU全生命运行过程中FFU箱体内出现的最大工作压力。FFU运行时，机箱内最大正压出现在风机后，可估计为“洁净环境设计压力+设计风量下过滤器终阻力”；最大负压出现在风机前，可估计为“洁净环境设计压力-FFU设计最大余压-设计风量下FFU进风口压力损失”。设计工作。
 

压力可取以上两者绝对值中的较大者。若出于安全考虑，设计工作压力也可取设计风量下过滤器终阻力与FFU设计最大余压之和。当然，也可通过改变机箱内的静压，测量出漏风量/漏风率与静压之间的关系曲线，以更全面地反映机箱的漏风情况。

8.总结

FFU优点突出，在空气洁净领域的应用前景广阔。国内市场上不同制造商的FFU产品性能参差不齐，采用的性能试验方法也不尽相同。洁净环境下生产工艺的进步对FFU的性能提出了一些新的要求。CRAA标准《风机过滤单元试验方法》（报批稿）作为国内首部专门的FFU性能试验方法标准，对FFU的空气动力及能耗性能试验、面风速均匀性试验、噪声性能试验、振动性能试验、谐波性能试验以及机箱漏风量试验均进行了清晰、合理、完备的规定。该标准的最终发布与实施将有助于促进FFU产品的性能与制造水平的进一步提升，推动洁净行业的良性发展。