특정 ISO 분류를 충족하는 클린룸을 설계하려면 정밀한 엔지니어링이 필요하지만, 기본적인 계산은 숙련된 전문가도 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 공기 변화율(ACH)은 표에 나와 있는 고정된 숫자가 아니라 상당한 비용 영향을 미치는 유연한 설계 매개변수입니다. 필요한 팬 필터 장치(FFU)의 수를 선택하고 계산하는 것은 청결 목표를 기능적이고 효율적이며 규정을 준수하는 시스템으로 전환하는 중요한 단계입니다.

이 프로세스에는 공식에 숫자를 꽂아 넣는 것 이상의 것이 필요합니다. 공기 흐름, 오염 제어, 전체 시스템 설계 간의 상호 작용을 이해해야 합니다. 여기서 계산을 잘못하면 규정 미준수, 에너지 낭비 또는 불필요한 자본 지출로 이어질 수 있습니다. 이 가이드는 기본 수학에서 고급 구현 전략에 이르기까지 정확한 FFU 공기 변화율 계산을 위한 권위 있는 단계별 프레임워크를 제공합니다.

클린룸의 공기 변화율(ACH) 이해

핵심 지표 정의

공기 변화율(ACH)은 클린룸 내 총 공기량이 매시간 교체되는 횟수를 정량화합니다. 이는 ISO 7 및 ISO 8 분류와 같은 단방향(혼합/난류) 기류 클린룸의 주요 설계 동인입니다. ACH는 공기 중 미립자의 희석 및 제거율을 직접 결정하여 필요한 청결 수준을 달성하고 유지하기 위한 기반을 형성합니다. 그러나 산업 표준은 단일 규정 값이 아닌 각 등급에 대해 광범위한 범위를 제공합니다.

설계 유연성-비용 트레이드 오프

이 범위는 엔지니어링 결정에 중요한 역할을 합니다. ISO 7 클린룸의 경우 ACH는 60에서 480까지 다양합니다. 낮은 값을 선택하면 초기 자본 비용과 장기 에너지 소비는 최소화하지만 운영 버퍼는 최소화할 수 있습니다. 더 높은 ACH를 선택하면 안전 마진과 오염 제거 효율이 높아지지만 수명 기간 동안 상당한 비용이 발생합니다. 오염 관리 당국의 연구에 따르면, 내부 프로세스, 점유 및 오염 위험에 대한 공식적인 위험 평가를 통해 선택한 ACH가 명시적으로 정당화되어야 합니다. 이 단일 매개변수가 전체 HVAC 및 여과 시스템에 대한 규모를 설정합니다.

표준 및 범위 탐색

다음과 같은 표준에 정의된 넓은 ACH 범위는 다음과 같습니다. ISO 14644-4 는 의도적이기 때문에 애플리케이션별 설계가 가능합니다. 최소한의 인력으로 운영되는 포장 클린룸은 ISO 8 범위의 로우엔드에서 작동할 수 있지만, 활동성이 높은 제약 컴파운딩 제품군에는 더 높은 수준의 값이 필요합니다. 이는 클린룸 설계가 복사-붙여넣기 작업이 아니라 ACH가 최적화해야 할 핵심 변수인 성능 기반 엔지니어링 과제라는 점을 강조합니다.

출처: ISO 14644-4: 클린룸 및 관련 제어 환경 - 파트 4: 설계, 시공 및 시운전. 이 표준은 클린룸 설계의 프레임워크를 설정하며, 여기서 ACH는 특정 ISO 등급을 충족하기 위해 결정되는 핵심 파라미터입니다. 이 표준은 광범위한 범위와 위험 기반 정당화의 필요성에 대한 근거를 제공합니다.

핵심 FFU 계산 공식 설명

필수 방정식

FFU 시스템 크기 조정의 기본 공식은 간단합니다: FFU 수 = (ACH × 클린룸 부피) / FFU 유량. 이 계산을 통해 목표 ACH를 달성하는 데 필요한 시간당 총 공기 흐름을 제공하는 데 필요한 유닛의 수량이 결정됩니다. 이 방정식의 모든 변수는 정확하게 정의되어야 하며, 변수 중 하나라도 오류가 발생하면 시스템이 과소 또는 과대하게 됩니다.

볼륨 기반 사고와 면적 기반 사고

가장 흔하고 비용이 많이 드는 실수는 부피 대신 바닥 면적을 사용하는 것입니다. 이 공식은 본질적으로 3차원적입니다. 천장 높이는 필요한 공기 흐름에 직접적인 승수 역할을 합니다. 예를 들어, 유틸리티 공간을 위해 실내 높이를 높이기로 결정하면 FFU 수와 프로젝트 비용에 선형적인 영향을 미칩니다. 이는 설계도 설계 중에 공간 치수가 고정되기 때문에 건축 팀과 MEP 팀 간의 조기 조정이 필요하다는 점을 강조합니다.

클린룸 유형별 적용

이 공식은 특히 단방향 기류 청정실(ISO 6-9)에 적용된다는 점에 유의해야 합니다. 단방향(층류) 흐름 클린룸(ISO 1-5)의 경우, 핵심 설계 지표는 다음과 같은 지침에 설명된 대로 ACH에서 0.45m/s(90fpm)와 같은 특정 평균 공기 속도 유지로 전환됩니다. IEST-RP-CC012.3. 층류 클린룸에 ACH 기반 계산을 적용하면 근본적으로 잘못된 설계가 될 수 있습니다.

출처: IEST-RP-CC012.3: 클린룸 설계 시 고려 사항. 이 권장 사례는 혼합/난류(ACH 기반) 및 층류(속도 기반) 클린룸의 설계 원칙을 구분하여 기류 패턴 및 환기에 대한 지침을 제공합니다.

예제를 통한 단계별 FFU 계산

입력 매개변수 수집

계산에는 세 가지 최종 입력이 필요합니다: 공간 부피(길이 x 너비 x 높이, 미터), 목표 ACH(정당한 범위에서 선택), 표준 작동 조건에서 특정 FFU 모델의 인증된 유량(m³/h 단위의 Q_FFU). 이론값이나 최대값을 사용하지 말고 테스트를 거친 지속 가능한 유량을 사용하세요.

계산 수행

목표 ACH가 70인 10m(L) x 6m(W) x 2.8m(H) 크기의 ISO 7 클린룸의 경우, 부피는 168m³입니다. 총 필요한 공기 흐름은 11,760m³/h(70 ACH x 168m³)입니다. 선택한 FFU 모델의 정격 유량이 1,000m³/h인 경우 기준 단위 수는 11.76입니다. 이는 항상 가장 가까운 전체 단위로 반올림해야 하며, 그 결과 다음과 같은 요구 사항이 발생합니다. 12 FFU 최소 목표를 달성하기 위해.

단순한 규칙을 넘어서

이 계산된 수치는 실적 기반 결과입니다. “FFU 상한 커버리지 비율”(예: 25%, 50%)과 같은 구식 개념은 예비 비용 추정을 위한 단순화 도구입니다. 이는 현재 ISO 표준에서 참조되는 성능 매개변수가 아닙니다. 최종 설계는 커버리지 경험 법칙이 아닌 ACH 또는 속도의 계산된 성능 메트릭에 대해 검증되어야 합니다.

참고: FFU 수는 항상 가장 가까운 전체 단위로 반올림해야 합니다.
출처: 기술 문서 및 업계 사양.

기본 수학 이상의 주요 설계 고려 사항

일관성을 위한 전략적 배치

계산된 FFU 수량은 레이아웃의 시작점입니다. 효과적인 오염 제어를 위해서는 균일한 공기 분배를 보장하고 정체 구역을 방지하기 위한 전략적 배치가 필요합니다. T바 천장의 균일한 그리드가 표준이지만, 최적의 보호를 위해서는 예상되는 오염원과 직원 워크플로우를 매핑하는 것이 포함됩니다. 의료 격리실에 대한 연구에 따르면 오염원 대비 배기 그릴 배치가 오염물질 제거 효율에 큰 영향을 미치므로 레이아웃은 ACH 값 자체만큼이나 중요합니다.

디자인 여백 통합

계산된 수치가 최종 설치 수치가 되어서는 안 됩니다. 10-20%의 설계 마진은 필수입니다. 이 버퍼는 시간 경과에 따른 필터 부하를 고려하여 압력 강하를 증가시키고 적절하게 보정하지 않으면 개별 FFU 유량을 감소시킬 수 있습니다. 또한 향후 공정 변경에 대한 유연성을 제공하고 공간 누출을 수용합니다. 제 경험상, 이 마진을 생략하는 것이 새 클린룸이 몇 달 동안 필터를 사용한 후 초기 성능 검증에 실패하는 가장 일반적인 이유입니다.

천장 그리드 및 서비스와의 통합

물리적 레이아웃은 천장 그리드, 조명, 스프링클러 및 기타 서비스와 조화를 이루어야 합니다. FFU에는 특정 설치 공간 치수가 있으며, 그 배치는 구조용 T바 그리드와 일치해야 합니다. 이러한 조정은 깔끔한 미관을 보장하고 천장의 무결성을 유지하며 적절한 밀봉을 가능하게 하는데, 이는 압력 유지를 위한 타협할 수 없는 요구 사항입니다. 조정에 실패하면 비용이 많이 드는 현장 수정과 잠재적인 규정 준수 격차로 이어집니다.

FFU 선택: 성능 요소 및 사양

모터 기술 평가

가정된 Q_FFU 신뢰할 수 있는 가치여야 하지만, 그 흐름을 전달하는 기술이 가장 중요합니다. 모터 기술은 주요 차별화 요소입니다: 전자식 정류(EC) 모터는 기존 AC 모터에 비해 뛰어난 에너지 효율, 내장된 가변 속도 드라이브를 통한 안정적인 공기 흐름 제어, 긴 작동 수명을 제공합니다. 연중무휴 24시간 운영되는 시스템의 경우 총소유비용에 초점을 맞추기 때문에 고급 모터 기술이 중요한 선택 요소로 작용합니다.

총 소유 비용(TCO) 이해

구매 결정 시 고급 모터 및 제어 기술을 갖춘 FFU를 선호해야 합니다. EC 모터 FFU의 초기 가격 프리미엄은 15~30% 더 높을 수 있지만, 장기적인 에너지 절감 효과로 인해 투자 회수 기간이 2년 미만인 경우가 많습니다. 10년의 수명 기간 동안 절감되는 에너지 비용은 초기 자본 차이를 훨씬 능가할 수 있습니다. 따라서 단순한 장비 비용에서 수명 주기 재무 분석으로 평가가 전환됩니다.

신뢰성을 위한 사양

유량 외에도 주요 사양에는 필터 효율(일반적으로 HEPA 또는 ULPA), 음압 레벨(dBA) 및 제어 시스템 호환성이 포함됩니다. 장치는 필터 부하에 따른 성능을 보장하기 위해 정의된 범위의 외부 정압에 대해 정격 유량을 유지해야 합니다. 모니터링 및 조정을 위해 통합 제어 기능이 있거나 건물 관리 시스템과의 호환성이 있는 장치를 선택해야 합니다.

출처: 기술 문서 및 업계 사양.

압력 제어를 위한 FFU와 HVAC의 통합

메이크업 공기의 중요한 역할

기본적이면서도 흔히 오해하는 원칙은 FFU만으로는 실내 압력을 제어할 수 없다는 것입니다. FFU는 재순환 장치로, 실내 공기를 이동하고 여과합니다. 오염 차단에 필수적인 차압 캐스케이드(예: 청정 복도 > 처리실 > 에어락)를 유지하는 것은 능동적으로 균형을 유지하는 별도의 중앙 HVAC 시스템의 기능입니다. 이 시스템은 컨디셔닝된 보충 공기를 제공합니다.

가압을 위한 공기 흐름 균형 조정

HVAC 시스템은 공급되는 보충 공기의 양과 일반 실내 배기, 장비의 공정 배기, 누출 등 모든 배기 흐름의 균형을 정확하게 맞춰야 합니다. 양압은 배기되는 공기보다 약간 더 많은 공기를 공급함으로써 생성됩니다. 이 통합을 무시하면 고장을 보장합니다. 이러한 임계 압력 차이를 설정하고 유지하려면 FFU 시스템과 중앙 공기 처리 시스템을 하나의 응집력 있는 단일 패키지로 설계, 크기 및 제어해야 합니다.

제어 시스템 조정

최신 설계에서는 FFU 속도 제어를 압력 센서 및 빌딩 관리 시스템(BMS)과 통합합니다. 문이 열려 압력 강하가 발생하면 시스템은 보충 공기 댐퍼를 조정하거나 일부 구성의 경우 FFU 속도를 일시적으로 조절하여 압력 캐스케이드를 다시 설정할 수 있습니다. 이러한 수준의 통합을 위해서는 모든 구성 요소가 효과적으로 통신할 수 있도록 제어 내러티브 단계부터 신중한 계획이 필요합니다.

향상된 오염 제어를 위한 고급 구성

현지화된 단방향 흐름 애플리케이션

극도의 국소 청결 또는 특정 병원체 제어가 필요한 애플리케이션의 경우 FFU를 표적화된 고급 구성으로 배포할 수 있습니다. 한 가지 증거 기반 전략은 오염원 근처에 벽이 낮은 배기 그릴을 배치하여 중요한 작업대 또는 공정에 국소화된 단방향 흐름 구역을 만드는 천장 장착형 FFU를 사용하는 것입니다. 이 설계는 깨끗한 공기 커튼을 생성하고 오염 물질이 분산되기 전에 즉시 포집하여 오염 물질 제거 효율을 크게 향상시킵니다.

성과 기반 모델링으로의 전환

이러한 접근 방식은 규범적인 표 기반 설계에서 성능 기반의 시설별 엔지니어링으로 전환하는 것을 의미합니다. 선도적인 운영자는 복잡한 레이아웃이나 중요 구역의 공기 흐름 패턴과 오염 물질 제거를 시각화하고 최적화하기 위해 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 점점 더 많이 요구하고 있습니다. CFD는 설계 프로세스를 획일화된 벤치마크에서 벗어나 엔지니어가 설치 전에 구성을 테스트하고 검증하여 프로젝트의 위험을 제거할 수 있도록 지원합니다.

모듈식 및 적응형 설계

FFU 시스템의 고유한 모듈성으로 인해 단계적 투자와 적응형 클린룸 설계가 가능합니다. 파일럿 시설이나 R&D 연구소는 ISO 8을 위한 낮은 ACH 구성으로 시작할 수 있습니다. 공정이 성숙하고 청결 요구 사항이 증가함에 따라 기존 그리드에 FFU를 추가하여 ISO 7 성능을 달성할 수 있습니다. 이러한 확장성은 초기 자본 지출을 낮추고 공정 요구 사항과 위험 평가에 따라 제어를 정확하게 확장할 수 있습니다.

계산 구현하기: 실용적인 프레임워크

계산에서 적격 시스템까지

FFU 계산은 동적 인증 프로세스의 첫 번째 단계로 간주합니다. 계산되고 설치된 시스템은 초기 입자 수 테스트와 공기 흐름 속도 측정을 통해 검증되어 목표 ISO 등급 및 ACH를 충족하는지 증명해야 합니다. 이 성능 데이터는 지속적인 운영 적격성 검증의 기준이 됩니다.

지속적인 모니터링 수용

업계는 주기적인 수동 샘플링에서 지속적인 데이터 기반 모니터링으로 전환하고 있습니다. IoT 지원 파티클 카운터, 압력 센서, FFU 성능 모니터를 통합하면 “지능형 클린룸”이 만들어집니다. 이를 통해 필터와 모터에 대한 실시간 성능 분석, 추세 분석, 예측 유지보수가 용이해져 사후 대응적인 규정 준수 활동에서 사전 예방적인 운영 인텔리전스 기능으로 관리가 전환됩니다.

유지 관리 및 대응 프로토콜 수립

마지막 단계는 명확한 프로토콜을 수립하는 것입니다. 여기에는 정기적인 필터 무결성 테스트(DOP/PAO 테스트), 주기적인 공기 흐름 확인, 모니터링 데이터가 기준 조건에서 벗어난 것으로 표시되는 경우의 정의된 대응 조치가 포함됩니다. 견고한 데이터 백본을 갖춘 잘 설계된 FFU 시스템은 이를 뒷받침하는 운영 규율만큼만 우수합니다.

핵심 결정 포인트는 정당한 ACH를 선택하고, 정확한 체적 기반 계산을 수행하며, 선불 가격이 아닌 총 소유 비용을 기준으로 FFU를 선택하는 것입니다. 구현을 위해서는 FFU 레이아웃을 HVAC 압력 제어와 통합하고 테스트를 통해 성능을 검증해야 합니다. 이 프레임워크는 간단한 공식을 신뢰할 수 있는 오염 제어 전략으로 전환합니다.

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자주 묻는 질문

Q: ISO 7 클린룸의 표준이 이렇게 넓은 범위를 제공하는 경우 올바른 공기 변화율을 어떻게 결정하나요?
A: 이 단일 매개변수가 전체 시스템의 규모를 설정하므로 공식적인 위험 평가를 통해 광범위한 ISO 범위 내에서 특정 ACH 값을 선택해야 합니다. 그리고 ISO 14644-4 프레임워크는 내부 프로세스 위험, 점유율 및 오염 가능성을 기반으로 이러한 정당성을 요구합니다. 즉, 가변성이 높은 공정을 가진 시설은 안전 마진을 위해 범위의 상단을 목표로 삼아야 하며, 안정적이고 점유율이 낮은 작업장은 자본 및 수명주기 에너지 비용을 최소화하기 위해 더 낮은 ACH를 선택할 수 있습니다.

Q: 필요한 FFU 수를 계산할 때 바닥 면적뿐만 아니라 공간의 부피가 중요한 이유는 무엇인가요?
A: FFU 수량의 핵심 공식은 본질적으로 3차원적입니다: (ACH × 실내 면적) / FFU 유량. 바닥 면적만 사용하면 처리해야 하는 총 공기량에 직접적인 승수 역할을 하는 천장 높이가 무시됩니다. 이 원칙은 다음과 같은 클린룸 설계 지침의 핵심입니다. IEST-RP-CC012.3. 건축 계획이 아직 확정되지 않은 프로젝트의 경우, 천장 높이가 약간만 높아져도 필요한 FFU 수와 HVAC 자본 지출에 선형적으로 상당한 영향을 미칠 것으로 예상합니다.

Q: 오염 억제를 위한 클린룸 가압을 FFU만으로 제어할 수 있나요?
A: 아니요, FFU는 주로 내부 공기 재순환 및 여과를 처리하며 차압 캐스케이드를 관리하지 않습니다. 임계 압력 구배를 유지하려면 배기 흐름을 정밀하게 상쇄하면서 조절된 보충 공기를 제공하는 별도의 능동적으로 균형 잡힌 HVAC 시스템에 의존해야 합니다. 이러한 통합은 기본적인 설계 요구 사항입니다. 작업에서 안정적인 압력 캐스케이드가 필요한 경우(예: 클린 복도 > 처리실), 처음부터 FFU 시스템과 중앙 공기 조화기를 하나의 응집력 있는 단일 패키지로 설계하고 제어하도록 계획하세요.

질문: 특정 팬 필터 유닛 모델을 선택할 때 평가해야 할 주요 요소는 무엇인가요?
A: 정격 유량(Q_FFU)에서 모터 기술 및 총 소유 비용에 이르기까지 다양합니다. 전자 정류(EC) 모터는 기존 AC 모터에 비해 에너지 효율이 뛰어나고 안정적인 공기 흐름 제어와 긴 수명을 제공합니다. 이러한 시스템은 지속적으로 작동하기 때문에 고급 모터를 통한 장기적인 에너지 절감 효과가 초기 가격 프리미엄을 훨씬 능가할 수 있습니다. 운영 비용이 주요 관심사인 프로젝트의 경우 EC 모터 기술과 입증되고 신뢰할 수 있는 성능 데이터가 포함된 FFU 사양을 우선적으로 고려해야 합니다.

질문: 견고하고 장기적인 설계를 위해 기본 계산된 FFU 수를 어떻게 조정해야 하나요?
A: 이 공식은 이론적 최소값을 제공하며, 이 값을 10-20%의 설계 마진만큼 늘려야 합니다. 이 버퍼는 시간 경과에 따른 필터 로딩, 향후 공정 변경 및 불가피한 공간 누출을 고려합니다. 또한 균일한 공기 분배를 보장하고 정체 구역을 방지하기 위해 균일한 그리드에 전략적으로 배치해야 하며, 이는 다음 원칙에 의해 지원됩니다. IEST-RP-CC012.3. 즉, 공정 유연성을 계획하거나 고입자 환경에 위치한 시설은 장기적인 분류 준수를 보장하기 위해 초기 조달 시 이 마진을 통합해야 합니다.

Q: 로컬라이즈된 단방향 흐름과 같은 고급 FFU 구성은 언제 고려해야 하나요?
A: 극도의 청결이 필요하거나 위험 구역에 대한 특정 병원체 제어가 필요한 경우 천장 FFU와 저벽 배기 장치와 같은 목표 구성을 구현합니다. 이 설계는 오염원을 즉시 포집하는 청정 에어 커튼을 생성하여 제거 효율을 크게 향상시킵니다. 특정 구역에서 고위험 프로세스를 수행하는 경우, 규범적인 공간 전체 벤치마크에만 의존하지 말고 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 성능 기반 설계를 계획해야 합니다.

질문: “FFU 상한 커버리지 비율”이라는 개념이 최종 시스템 설계에 유효한 매개변수인가요?
A: 아니요, 25% 또는 50% 적용 범위와 같은 비율은 예비 비용 추정을 위한 단순화된 도구이며 현재 성능 매개변수에서 참조되지 않습니다. ISO 14644-4 표준을 준수해야 합니다. 최종 설계는 혼합 흐름실의 경우 ACH의 계산된 성능 메트릭 또는 층류실의 경우 특정 풍속을 기반으로 해야 합니다. 즉, 조달 및 검증 문서에 천장 커버리지 목표가 아닌 필요한 ACH 또는 속도를 명시하여 설치된 시스템이 의도한 ISO 분류를 충족하도록 해야 합니다.