모듈형 클린룸 설계에서 가장 중요한 엔지니어링 결정은 CFM을 정확하게 계산하는 것입니다. 크기가 작은 HVAC 시스템은 인증에 실패하고, 크기가 큰 시스템은 불필요한 자본 및 운영 비용이 발생합니다. 이러한 계산은 시스템 비용, 에너지 소비, 장기적인 규정 준수 실행 가능성을 직접적으로 좌우합니다. 문제는 기본 공식에서 실제 운영 변수를 고려한 탄력적인 시스템 사양으로 전환하는 데 있습니다.

CFM 계산의 정확성은 공기 흐름뿐만 아니라 프로젝트의 예산, 에너지 발자국, 규정 준수 경로를 결정합니다. 모듈식 구조로 구축이 가속화됨에 따라 비용이 많이 드는 개조를 피하려면 처음부터 HVAC 시스템의 크기를 정확하게 결정해야 합니다. 이 가이드는 ISO 등급 요구사항을 성능과 효율성이 뛰어나고 인증 가능한 모듈식 클린룸 HVAC 설계로 전환하기 위한 의사 결정 프레임워크를 제공합니다.

핵심 공식: CFM = (실내 체적 × ACH) / 60

기본 엔지니어링 원칙

CFM = (실내 공기량 × ACH) / 60 공식은 협상할 수 없는 시작점입니다. 이 공식은 지정된 공기 변화율을 달성하는 데 필요한 최소 체적 공기 흐름을 설정합니다. 실내 부피(길이 × 너비 × 높이(피트))와 시간당 목표 공기 변화량(ACH)만 입력하면 됩니다. 이 계산은 시간당 공기 교체율을 HVAC 시스템이 제공해야 하는 분 단위 공기 흐름으로 변환합니다. 이 계산은 단순하지만 클린룸 사양에서 절대적인 권위를 가지고 있습니다.

공식에서 금융 대리인까지

이 계산을 통해 CFM은 ISO 등급에 대한 직접적인 재정적, 기술적 대리인이 됩니다. 청정도 등급이 정의되면 필요한 공기 흐름 범위가 미리 결정됩니다. 이를 통해 즉각적인 예산 예측과 HVAC 구성 요소 사양이 가능합니다. 총 CFM은 팬 용량, 필터 수량, 덕트 크기, 에너지 소비량 등 모든 다운스트림 구성 요소의 규모를 결정합니다. 업계 전문가들은 이 공식을 최종적인 답이 아니라 다른 모든 운영 요소를 추가하는 기준선으로 사용할 것을 권장합니다.

ISO 등급별 공기 변화율(ACH) 설정하기

청결에 대한 경험적 근거

공기 변화율은 임의적인 것이 아니라 수십 년간의 데이터를 통해 경험적으로 도출된 것으로, 다음에서 정의된 입자 농도 제한을 일관되게 충족합니다. ISO 14644-1:2015. 청정도 등급이 엄격해지면 필요한 ACH는 기하급수적으로 증가합니다. 종종 중요한 주입 라인을 포함하는 ISO 5(클래스 100) 작업에서는 미크론 이하 입자를 제어하기 위해 300~480 ACH가 필요합니다. 반면 ISO 8(클래스 100,000) 탈의실은 20 ACH만 필요할 수 있습니다.

디자인을 위한 실용적인 가이드라인

공간 계획과 비용 추정을 위해서는 ACH를 실제 설계 파라미터로 변환하는 것이 필수적입니다. 평방 피트당 CFM 메트릭은 계산된 합계를 빠르게 현실로 확인할 수 있습니다.

ISO 등급별 평방 피트당 ACH 및 CFM

다음 표는 ISO 분류를 실행 가능한 공기 흐름 요구 사항으로 변환하는 표준 설계 매개변수를 제공합니다.

출처: ISO 14644-1:2015 클린룸 및 관련 제어 환경 - 파트 1: 입자 농도에 따른 공기 청정도 분류. 이 표준은 클린룸 설계에서 이러한 청정 수준을 달성하고 유지하는 데 필요한 경험적으로 도출된 시간당 공기 변화율(ACH)을 직접 알려주는 각 ISO 등급에 대한 입자 농도 제한을 정의합니다.

이러한 범위는 유효성 검사에서 해당 계층을 생성합니다. ISO 5/6실은 통계적 정확성을 위해 고유량 1.0 CFM 파티클 카운터가 필요하지만, ISO 7/8은 규정 준수 모니터링 예산에 직접적인 영향을 미치는 세부 사항인 0.1 CFM 장치를 더 경제적으로 사용할 수 있는 경우가 많습니다.

CFM 요구 사항을 증가시키는 주요 요인

기본 ACH를 넘어서

표준 ACH는 최소한의 기준선을 제공하지만 실제 상황에서는 거의 항상 추가 용량이 필요합니다. 기본 계산을 최종 해답으로 간주하는 것은 비용이 많이 드는 흔한 실수입니다. HVAC 시스템은 동적 내부 부하를 보상하고 방어적인 가압 체계를 유지해야 합니다. 수십 개의 프로젝트 사양을 비교한 결과, 최종 CFM은 일반적으로 기본 ACH 계산보다 15~40% 더 높다는 사실을 발견했습니다.

운영 현실을 고려한 회계 처리

공정 열 부하, 국부 배기, 압력 차이, 사람의 활동 등 네 가지 주요 요인이 기본 속도를 초과하는 CFM을 유발합니다. 각각은 조절 및 필터링해야 하는 공기 흐름을 추가합니다. 예를 들어 흄 후드의 배기는 깨끗한 공급 공기와 1:1로 교체해야 합니다. 양압을 유지하려면 배기되는 공기보다 10~20% 더 많은 공기를 공급해야 합니다. 활동성이 높은 구역은 입자 발생을 희석하기 위해 ACH 범위의 상단에 공기 흐름이 필요할 수 있습니다.

총 CFM에 영향을 미치는 요인

이 표에는 기본 ACH 계산을 초과하여 총 공기 흐름 요구량을 증가시키는 주요 변수가 요약되어 있습니다.

출처: IEST-RP-CC012.3 클린룸 설계 시 고려 사항. 이 권장 사례는 클린룸 설계에 대한 포괄적인 지침을 제공하며 열 부하, 배기 및 가압과 같은 요소를 계산하여 기본 공기 변화율을 초과하는 총 필요 공기 흐름을 결정하는 방법을 자세히 설명합니다.

제 경험상 가장 자주 간과되는 세부 사항은 프로세스 장비의 잠열 부하로, 안정적인 ±1°C 온도 허용 오차를 유지하기 위해 상당한 추가 냉각 공기 흐름이 필요할 수 있습니다.

작업 예제를 사용한 단계별 CFM 계산

실제 시나리오 살펴보기

제약 조립을 위한 ISO 6 모듈식 클린룸을 고려해 보세요. 이 공간의 크기는 20'(L) x 15'(W) x 10'(H)이며 150 CFM 배기 요건을 갖춘 생물 안전 캐비닛이 포함되어 있습니다. 단계별 프로세스는 이론에서 탄력적인 시스템 사양으로 이동합니다.

계산 실행

먼저 공간의 부피를 설정합니다: 20 × 15 × 10 = 3,000 입방피트. ISO 6(180)에 대한 최소 ACH를 적용하여 기본 CFM을 구합니다: (3,000 × 180) / 60 = 9,000 CFM. 이 공기 흐름은 필요한 입자 희석을 달성합니다. 다음으로, 협상할 수 없는 배기를 고려하면 총 공급 CFM은 9,000 + 150 = 9,150 CFM이 됩니다. 평방 피트당 CFM(9,150 / 300ft² = 30.5 CFM/ft²)을 빠르게 확인하면 ISO 6 범위인 18-32 CFM/ft² 내에 적절히 들어맞는다는 것을 알 수 있습니다.

계산부터 최종 사양까지

최종 시스템 용량에는 운영 탄력성 및 가압 제어를 위한 전략적 버퍼가 필요합니다. 설계자는 일반적으로 9,200~9,300 CFM의 시스템으로 반올림합니다. 이 버퍼는 필터 로딩 또는 팬 변동 중에도 안정적인 압력 차이를 보장합니다.

CFM 계산 워크플로

아래 표는 예시 ISO 6 클린룸에 대한 전체 계산 순서를 보여줍니다.

출처: 기술 문서 및 업계 사양.

HVAC 구성 요소 크기 조정: FFU, AHU 및 덕트 배관

CFM을 장비 사양으로 변환

총 CFM 수치는 모든 주요 HVAC 구성 요소의 사양을 직접 결정합니다. 팬 필터 유닛(FFU) 천장 그리드를 사용하는 모듈형 클린룸의 경우 총 CFM은 개별 유닛의 수와 용량으로 나뉩니다. 9,300 CFM이 필요한 시스템에는 20,465 CFM FFU를 사용할 수 있습니다. 중앙 공기 처리 장치(AHU) 시스템의 경우, 총 공급 CFM과 환기 및 신선한 공기 흡입을 처리할 수 있는 크기의 장치를 사용해야 합니다.

전략적 기술 선택

중요한 결정 포인트는 팬 기술입니다. 기존의 단일 팬 AHU는 단일 장애 지점을 제공합니다. 모듈형 팬월 접근 방식-어레이에 여러 개의 소형 팬을 사용하면 고유한 중복성, 표준 출입구를 통한 간편한 설치, 향상된 부분 부하 에너지 효율을 제공합니다. 따라서 다운타임을 용납할 수 없는 미션 크리티컬 환경의 경우 복잡성이 가중되는 것을 정당화합니다.

컴포넌트 크기 조정 가이드

적절한 구성 요소를 선택하면 설계된 공기 흐름을 효율적으로 전달할 수 있습니다.

출처: ISO 14644-4:2022 클린룸 및 관련 제어 환경 - 파트 4: 설계, 시공 및 시운전. 이 표준은 시스템이 공기 흐름 및 압력에 대한 지정된 성능 기준을 충족하도록 HVAC 구성 요소의 체계적인 크기 조정 및 선택을 포함하여 클린룸의 설계 및 시공에 대한 요구 사항을 간략하게 설명합니다.

그런 다음 모든 덕트, 그릴 및 개구부는 팬에 부담을 주는 과도한 정압 손실을 일으키지 않고 각각의 공기 흐름을 처리할 수 있는 크기로 설계해야 합니다.

열 부하, 배기 및 가압에 대한 설명

환경 관리 의무

입자 수 외에도 HVAC 시스템은 엄격한 온도 및 습도 안정성을 유지해야 하며, 이는 종종 시스템 용량을 결정하는 요인이 됩니다. 장비, 조명, 인력의 열을 합산한 공정 열 부하 계산에 따라 기본 ACH를 초과하여 필요한 냉각 공기 흐름의 양이 결정됩니다. 이는 오토클레이브, 리액터 또는 레이저 실러가 있는 공간에서 상당할 수 있습니다.

공기 흐름의 균형

배기 및 가압은 공기 밸런스를 통해 관리됩니다. 모든 배기 공기는 컨디셔닝된 공급 공기로 교체해야 합니다. 양압을 유지하려면 일반적으로 총 배기 및 환기 유량보다 10~20% 더 많은 공기를 공급하는 차압이 필요합니다. 이렇게 깨끗한 구역에서 덜 깨끗한 구역으로 공기가 계단식으로 흐르면 침투를 방지할 수 있습니다. 이러한 요소들이 종합적으로 최종 시스템 용량을 결정하며, 운영 비용은 종종 USP와 같은 특정 산업 규정에 의해 결정된다는 점을 강조합니다. <797> 를 사용하여 정밀한 환경 제어가 필요한 컴파운딩을 수행합니다.

에너지 효율 및 시스템 제어를 위한 최적화

운영 비용 절감

높은 CFM 요구 사항은 높은 에너지 소비량과 동일합니다. 최적화는 선택 사항이 아닙니다. 최소 ACH 및 압력 설정값을 유지하면서 비어 있는 시간 동안 공기 흐름을 줄일 수 있는 가변 풍량(VAV) 제어가 필수적입니다. 이를 통해 팬 에너지를 30~50% 절약할 수 있습니다. 마찬가지로 팬과 FFU에 고효율 EC 모터를 선택하면 전체 작동 곡선에서 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

유연성 배당금

클린룸 자체의 모듈성은 재정적 효율성에 기여합니다. 감가상각이 가능한 자본 장비인 모듈형 유닛은 재구성, 확장 또는 재배치할 수 있습니다. 따라서 클린룸은 고정된 시설 비용에서 유연한 자산으로 변모합니다. 이러한 고유한 민첩성은 확장 가능한 구독 기반 솔루션을 제공하는 새로운 “서비스형 클린룸” 모델을 지원하며, 이는 성장 궤적이 불확실한 생명공학 스타트업에게 매우 중요한 이점입니다.

디자인 검증하기: 규정 준수, 테스트 및 모범 사례

성능 증명

최종 시스템 검증은 필수입니다. 규정 준수 테스트 ISO 14644-1:2015 준공된 클린룸이 입자 수에 대한 목표 ISO 등급을 충족하는지 확인합니다. 이는 공기 흐름 속도, 균일성, 회수 및 압력 차에 대한 테스트를 통해 보완됩니다. 산업별 표준에 따라 제약용 내화학성 표면 또는 전자제품용 ESD 안전 재료와 같은 재료 선택이 결정되기도 합니다.

규정 준수 체제 구축

인증은 일회성 이벤트가 아닙니다. 제3자에 의한 최초 인증 이후에는 주기적인 재시험과 지속적인 모니터링이 이어집니다. 이를 통해 검증 서비스 및 센서 유지보수를 위한 영구적인 시장이 형성되며, 서비스 제공업체는 설치 후 안정적인 수익원을 확보할 수 있습니다. 모듈식 설계를 통한 클린룸 기술의 대중화는 건강기능식품 및 의료 기기 제조와 같은 분야에서 채택을 가속화하여 서비스 제공업체가 애플리케이션별 전문성을 개발하도록 요구합니다.

CFM 계산은 규정 준수, 비용 및 운영 성능에 대한 청사진입니다. 기본 ACH 요구 사항의 우선순위를 정한 다음 열 부하, 배기 및 가압을 위한 용량을 체계적으로 추가하세요. 최종 수치를 CFM/ft² 가이드라인과 비교하여 검증하고 그에 따라 모든 구성 요소의 크기를 조정합니다. 처음부터 VAV 제어와 효율적인 모터를 구현하여 평생 에너지 비용을 관리합니다.

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자주 묻는 질문

Q: ISO 등급을 기준으로 모듈형 클린룸의 최소 CFM은 어떻게 계산하나요?
A: 공식을 사용하여 최소 분당 입방 피트(CFM)를 결정합니다: (입방피트 단위의 공간 볼륨 × 시간당 필요한 공기 교환 횟수) / 60. 필수 ACH는 목표 ISO 등급에 따라 정의되며, ISO 8의 경우 20에서 ISO 5의 경우 300-480까지 다양합니다. 이 계산은 미립자 제어 인증을 위한 협상 불가능한 공기 흐름 기준선을 설정합니다. 예산 및 HVAC 규모를 조기에 정의해야 하는 프로젝트의 경우 ISO 등급이 선택되는 즉시 사양을 시작할 수 있습니다.

질문: 일반적으로 기본 ACH 계산을 넘어 CFM 요구 사항을 증가시키는 실제 요인에는 어떤 것이 있나요?
A: 공정 열 부하, 국부 배기 스트림 및 가압 차압이 공기 흐름 증가의 주요 원인입니다. 흄 후드와 같은 도구에서 배출되는 배기는 필요한 공급 CFM에 직접 추가되며, 양압을 유지하려면 10-20%의 공기 흐름이 추가로 필요할 수 있습니다. 열을 발생시키는 장비는 엄격한 온도 안정성을 유지하기 위해 추가적인 냉각 공기가 필요합니다. 즉, 공정 배기 또는 열 부하가 큰 시설은 표준 CFM 범위의 최상단 또는 그 이상의 최종 시스템 용량을 계획해야 합니다.

Q: FFU와 중앙 AHU 중 하나를 선택하면 주어진 CFM에 대한 시스템 설계에 어떤 영향을 미칩니까?
A: 팬 필터 장치(FFU) 천장 그리드의 경우 총 필요 CFM을 개별 장치의 용량으로 나누어 필요한 수량을 결정합니다. 중앙 공기 처리 장치(AHU)는 총 공급 CFM과 환기 및 신선한 공기를 처리할 수 있는 크기여야 합니다. 모듈형 팬월 여러 개의 소형 팬을 사용하는 접근 방식은 하나의 대형 팬보다 더 나은 중복성과 효율성을 제공합니다. 미션 크리티컬 환경에서 가동 시간과 에너지 절약을 우선시하는 경우 모듈형 팬 월의 복잡성을 추가하는 것이 정당화되는 경우가 많습니다.

Q: USP 797과 같은 산업별 규정이 ISO 등급을 넘어 클린룸 HVAC 사이징에 어떤 영향을 미치나요?
A: 의약품 컴파운딩에 대한 USP 797과 같은 규정은 정밀한 온도, 습도 및 압력 제어에 대한 엄격한 요구 사항을 부과하며, 이는 종종 기본 미립자 기준을 초과합니다. 이러한 환경 허용 오차를 충족하려면 열 부하를 관리하고 안정성을 보장하기 위해 입자 수에 대한 최소 ACH가 요구하는 것보다 더 높은 CFM이 필요한 경우가 많습니다. 즉, 제약 또는 생명공학 클린룸의 총소유비용은 ISO 분류만이 아니라 이러한 부수적인 규정에 의해 결정되는 경우가 많습니다.

Q: 설치된 HVAC 시스템이 설계된 CFM 및 ISO 등급을 충족하는지 검증하기 위한 모범 사례는 무엇인가요?
A: 최종 유효성 검사에는 다음과 같은 규정 준수 테스트가 필요합니다. ISO 14644-1 를 사용하여 입자 농도 분류를 수행합니다. 이는 공기 흐름 속도, 부피 및 압력 차이를 설계 사양과 비교하여 검증함으로써 지원됩니다. 산업별 표준에 따라 재료 및 표면 요구 사항이 추가로 정해집니다. 시설에 지속적인 인증이 필요한 경우 초기 타사 테스트와 반복적인 자체 점검 일정을 계획해야 하며, 이로 인해 센서 유지보수 및 검증 서비스에 대한 지속적인 필요성이 생깁니다.

Q: 에너지 효율을 위해 고-CFM 클린룸 HVAC 시스템을 최적화하려면 어떻게 해야 하나요?
A: 가변 풍량(VAV) 제어를 구현하여 비어 있는 시간 동안 공기 흐름을 줄이면서 최소 ACH 및 가압 설정값을 유지합니다. 클린룸 자체의 모듈식 특성은 운영 유연성에도 기여하여 필요에 따라 재구성할 수 있습니다. 생산량이 변동하는 조직이나 확장 가능한 “서비스형 클린룸” 모델을 모색하는 조직의 경우, 이러한 고유한 적응성을 통해 시설을 고정 비용에서 관리 가능하고 효율적인 자산으로 전환할 수 있습니다.