關(guān)于制藥潔凈室高效運(yùn)行策略的技術(shù)分析

文/紀(jì)立 楊寶在 趙彥奇

本文作者均就職于克雷格工程技術(shù)（北京）有限公司。

在當(dāng)今的制藥行業(yè)，潔凈室對(duì)各方面的要求正越來(lái)越高——由于對(duì)環(huán)境有著特殊的要求，潔凈室的運(yùn)營(yíng)成本普遍較高。因此，如何實(shí)現(xiàn)潔凈室的高效運(yùn)行成為了亟待解決的問(wèn)題。本文將通過(guò)對(duì)已建成的潔凈室項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)分析，探討其高效運(yùn)行的策略，為潔凈室運(yùn)營(yíng)提供有益的參考。

1.潔凈室節(jié)能方式

目前滿足GMP 要求的潔凈室，大部分均采用彩鋼板裝修、組合式潔凈空調(diào)機(jī)組及集中冷熱源，其中主要耗能設(shè)備是空調(diào)機(jī)組和集中冷熱源，因此可以采用以下方法來(lái)降低潔凈室的能耗：

·最小化潔凈室規(guī)模。

·通過(guò)技術(shù)手段盡量減小高級(jí)別潔凈室的面積，如使用封閉系統(tǒng)、RABS（限制進(jìn)入隔離系統(tǒng)）和隔離器的工藝設(shè)施。

·正確選擇潔凈室生產(chǎn)過(guò)程中使用的耗材，有效控制室內(nèi)粒子對(duì)環(huán)境的污染。

·減少潔凈室靜態(tài)下的換氣次數(shù)，保證空氣凈化效果，并避免過(guò)度設(shè)計(jì)，以降低能源消耗。

·優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)采用高效率的空氣過(guò)濾器、使用節(jié)能型空調(diào)設(shè)備、調(diào)整空調(diào)設(shè)備的工作時(shí)間等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，還可以通過(guò)增加新風(fēng)量、調(diào)整送風(fēng)方式等措施來(lái)提高空調(diào)系統(tǒng)的效率。

·降低新風(fēng)空調(diào)負(fù)荷和風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷，以減少能源消耗。具體措施包括減少排風(fēng)量、加強(qiáng)潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性、減少正壓漏風(fēng)量、盡量減少送風(fēng)量、加強(qiáng)空調(diào)設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)的密閉性等。

·在潔凈室系統(tǒng)使用的單機(jī)設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)組等，應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范的能效要求。這些設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行，并考慮運(yùn)行成本和節(jié)能性能。

2. 潔凈室案例現(xiàn)狀

下文將基于一個(gè)目前在運(yùn)行的實(shí)際的潔凈室案例進(jìn)行分析，該項(xiàng)目面積約1000 m2，潔凈室系統(tǒng)中采用了空氣處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)、高效過(guò)濾器、潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)等組件。該案例已完成建設(shè)，在設(shè)計(jì)初期，對(duì)產(chǎn)品生命周期進(jìn)行了比較，得出其運(yùn)營(yíng)成本低于國(guó)內(nèi)一般制藥潔凈室。但從全年的氣候分析來(lái)看，此潔凈室仍有提升整體運(yùn)行能效的潛力，這一點(diǎn)將在后續(xù)章節(jié)中進(jìn)行討論。

該潔凈室包含ISO 6、ISO 7、ISO 8 三種潔凈級(jí)別，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 14644-1[1]，每個(gè)潔凈級(jí)別中對(duì)空氣中顆粒物的要求如表1所示。

表1 案例潔凈級(jí)別對(duì)顆粒物濃度的要求

在潔凈室的設(shè)計(jì)階段，污染源的污染程度是未知的。為了定義房間送風(fēng)量，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)參考行業(yè)指南，為設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)疊加各種系數(shù)，但這樣往往會(huì)使得最終選擇的設(shè)備較大，從而導(dǎo)致高昂的初始投資和運(yùn)營(yíng)成本。表2 總結(jié)了各種標(biāo)準(zhǔn)的推薦換氣次數(shù)。

表2 各種指南中對(duì)換氣次數(shù)的建議[2-4]

另外，該潔凈室采用了典型的空調(diào)處理過(guò)程（如圖1 所示）：新風(fēng)與回風(fēng)經(jīng)靜壓箱混合后送入空氣處理機(jī)組（AHU），經(jīng)過(guò)濾和冷熱處理后經(jīng)高效過(guò)濾器送入房間，房間的送風(fēng)量和彼此之間的壓差通過(guò)手閥調(diào)節(jié)。

圖1 案例潔凈室采用的空調(diào)處理過(guò)程

3.效能分析及運(yùn)行策略

對(duì)此潔凈室的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并結(jié)合潔凈室高效運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器、非生產(chǎn)工況送風(fēng)量調(diào)整、流量平衡與風(fēng)機(jī)匹配是重要的運(yùn)行策略。通過(guò)合理利用這些策略，可以降低能源消耗、提高系統(tǒng)能效、減少運(yùn)行成本。

3.1 風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器[5]

風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器是建筑物中一種現(xiàn)成的節(jié)能措施，可以通過(guò)誘導(dǎo)足夠的室外空氣來(lái)中和過(guò)多的室內(nèi)熱量。可在各種天氣條件和應(yīng)用場(chǎng)景下為潔凈室提供優(yōu)秀的空氣側(cè)自然冷卻潛力和優(yōu)化的節(jié)能運(yùn)行。

在我國(guó)北方地區(qū)，風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的使用有著顯著的節(jié)能功效，筆者基于北京地區(qū)全年氣候參數(shù)進(jìn)行了節(jié)能對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能對(duì)比示例

圖3 展示了典型的風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器配置。通過(guò)精確地調(diào)節(jié)室外空氣和回風(fēng)的混合比例，可以在沒(méi)有任何機(jī)械冷卻的情況下保持所需的室內(nèi)空間溫度，特別是可以顯著地減少過(guò)渡季節(jié)冷源的啟用次數(shù)，從而降低能源消耗、減少對(duì)環(huán)境的影響。

圖3 風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器示例

圖4 展示了風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器典型的加熱和冷卻過(guò)程：通常有 4 個(gè)處理過(guò)程，這些過(guò)程取決于室內(nèi)加熱或冷卻的需求以及使用外部空氣進(jìn)行冷卻的適用性。區(qū)域A 代表了在典型的冬季室外空氣條件下風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的工作情況：此時(shí)由于室外空氣的干球溫度通常較低，風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器關(guān)閉經(jīng)濟(jì)閥，開(kāi)啟最小新風(fēng)閥，將新風(fēng)與回風(fēng)混合后經(jīng)加熱送入室內(nèi)。區(qū)域B 和區(qū)域C 為過(guò)渡季節(jié)時(shí)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的工作情況：將新風(fēng)和回風(fēng)按比例混合到送風(fēng)溫度值，然后送入室內(nèi)，在此過(guò)程中經(jīng)濟(jì)閥將會(huì)開(kāi)啟到100%以滿足室內(nèi)熱濕需求。區(qū)域D 為炎熱夏季時(shí)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的工作情況：經(jīng)濟(jì)閥關(guān)閉，開(kāi)啟最小新風(fēng)閥，開(kāi)啟機(jī)械制冷。由于潔凈室內(nèi)有著嚴(yán)格的溫濕度要求，需要風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)混合的溫濕度進(jìn)行判斷，以決定風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的運(yùn)行狀態(tài)；并且由于各地氣候有所不同，必須對(duì)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器的控制參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整，此部分本文不作討論。但可以肯定的是，伴隨著機(jī)械制冷需求的減少，在潔凈室中使用風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器可以顯著降低能耗和運(yùn)營(yíng)成本。

圖4 風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器工作過(guò)程

3.2 非生產(chǎn)工況送風(fēng)量調(diào)整

通過(guò)采用適合的換氣次數(shù)，潔凈室可以控制室內(nèi)的顆粒物污染水平；再根據(jù)顆粒物污染水平的程度動(dòng)態(tài)調(diào)整房間的換氣次數(shù)，便可以降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。潔凈室顆粒污染物的主要來(lái)源可分為內(nèi)部（人員、設(shè)備、操作）和外部（大氣塵、微生物）。其中，由人的活動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)塵量復(fù)雜，靜態(tài)和激烈活動(dòng)時(shí)發(fā)塵量可相差10 倍；設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生大量顆粒，如電動(dòng)機(jī)、齒輪、機(jī)械部件、液壓和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)或人工操作設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生顆粒；大氣塵濃度存在動(dòng)態(tài)平衡，隨地區(qū)、時(shí)間而變化；微生物污染主要來(lái)自空氣、人員、物料等。

一般來(lái)講，潔凈室設(shè)計(jì)的換氣次數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)適、驗(yàn)證后，即可滿足生產(chǎn)的需求；但在非生產(chǎn)狀態(tài)下，顆粒物的內(nèi)部來(lái)源大量減少，理論上存在換氣次數(shù)下降也可滿足潔凈室相關(guān)指標(biāo)要求的可能性。同時(shí)，減少換氣次數(shù)也可以降低能源消耗，節(jié)約能源成本。

根據(jù)ISO 14644-16《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境——第16 部分：潔凈室和隔離設(shè)備的能效》，可以通過(guò)下列公式計(jì)算非單向流潔凈室稀釋空氣污染物所需要的送風(fēng)量：

其中Q 是流速（m3/s）；D 是污染源中顆?；驍y帶微生物的顆粒（MCP）的排放速率（計(jì)數(shù)/s）；C 是環(huán)境中顆粒( 計(jì)數(shù)/m3) 或MCPs(計(jì)數(shù)/m3) 的極限，ε 是通風(fēng)效率。

運(yùn)用自凈時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的公式如下：

其中，n 為換氣次數(shù)，C 和C0分別為自凈后和自凈前環(huán)境中的顆粒濃度。表3 展示了用以上兩個(gè)公式計(jì)算C 級(jí)潔凈室送風(fēng)量的結(jié)果。

表3 潔凈級(jí)別風(fēng)量計(jì)算示例

通過(guò)計(jì)算可以得出，表3 中所示的較高換氣量（13.2 次/h）仍低于設(shè)計(jì)要求的最低換氣次數(shù)（25 次/h）。這一計(jì)算說(shuō)明若有準(zhǔn)確的顆粒物產(chǎn)生數(shù)量，就可以評(píng)估換氣次數(shù)降低的數(shù)值。但計(jì)算只能作為指導(dǎo)，送風(fēng)量的調(diào)整應(yīng)在滿足潔凈室要求的情況下進(jìn)行。以下是筆者調(diào)整非生產(chǎn)狀態(tài)下送風(fēng)量的步驟：

（1）檢測(cè)實(shí)際顆粒產(chǎn)生量及計(jì)算送風(fēng)量

通過(guò)塵埃粒子計(jì)算器得到非生產(chǎn)狀態(tài)下，潔凈室內(nèi)顆粒物的數(shù)量，并按照ISO 14644-16《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境——第16 部分：潔凈室和隔離設(shè)備的能效》提供的公式計(jì)算送風(fēng)量。

（2）計(jì)算差值評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)計(jì)算，得出計(jì)算換氣次數(shù)和實(shí)際換氣次數(shù)的差值，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定調(diào)整后的送風(fēng)量。

（3）調(diào)整送風(fēng)量

根據(jù)確定的送風(fēng)量，調(diào)整風(fēng)閥開(kāi)度，調(diào)小風(fēng)機(jī)頻率，實(shí)時(shí)觀察送風(fēng)量大小，調(diào)整到位后，確定系統(tǒng)穩(wěn)定。

（4）確認(rèn)潔凈室參數(shù)

在調(diào)整送風(fēng)量并確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定后，需要確認(rèn)潔凈室的各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求。這包括但不限于：空氣溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、空氣潔凈度、壓差等。如果參數(shù)不符合要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，直到各項(xiàng)參數(shù)都符合要求。

（5）記錄數(shù)據(jù)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

在完成送風(fēng)量的調(diào)整和潔凈室參數(shù)的確認(rèn)后，需要記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括送風(fēng)量、空氣溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、空氣潔凈度、壓差等參數(shù)的值，以及調(diào)整的過(guò)程和結(jié)果。同時(shí)，也需要總結(jié)本次調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)，包括成功和失敗的原因，為今后的調(diào)整提供參考和借鑒。

經(jīng)過(guò)以上步驟后，完成了對(duì)此案例非生產(chǎn)工況換氣次數(shù)的調(diào)整，具體調(diào)整如表4 所示。

表4 換氣次數(shù)對(duì)比表

3.3 流量平衡與風(fēng)機(jī)匹配

風(fēng)機(jī)安裝在管網(wǎng)系統(tǒng)中，與管網(wǎng)共同工作。在設(shè)計(jì)中，一般是根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量和水力計(jì)算的最不利環(huán)路阻力選擇匹配的風(fēng)機(jī)。但在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)點(diǎn)是由風(fēng)機(jī)特性曲線和管網(wǎng)特性曲線共同決定的。圖5 是此案例的AHU 機(jī)組基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)生成的風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)特性曲線圖。

圖5 風(fēng)機(jī)與管路特性曲線圖

此AHU 系統(tǒng)送風(fēng)壓力為530 Pa，回風(fēng)壓力為351 Pa，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為15450 m3/h。根據(jù)業(yè)主提供的周期性驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可知運(yùn)行高效過(guò)濾器平均壓力降約為200 Pa，對(duì)AHU 系統(tǒng)進(jìn)行3D 建模，并對(duì)所有部件賦予參數(shù)，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)仿真模擬圖

經(jīng)系統(tǒng)再平衡后送風(fēng)總壓降調(diào)整為341.2 Pa。根據(jù)風(fēng)機(jī)計(jì)算公式P=Qp/(3600×1000×η0×η1)（P-功率；Q-風(fēng)量；p-壓力；η0-風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率；η1-機(jī)械效率），可以得出，僅調(diào)整送風(fēng)壓力，風(fēng)機(jī)便可節(jié)約能耗約30%[p后/p前=（502-341.2）/502=32%]。

這表明系統(tǒng)的流量平衡對(duì)于優(yōu)化風(fēng)機(jī)的能耗具有重要影響。通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的平衡，可以降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壓力，從而減少能源消耗。這種再平衡的調(diào)整有助于提高系統(tǒng)的效率和可持續(xù)性，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。

4.結(jié)論

通過(guò)以上分析的三個(gè)策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造，顯著減少了潔凈室的運(yùn)行能耗。在未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，潔凈室的運(yùn)行策略想必將會(huì)更加注重節(jié)能和環(huán)保。因此，持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)新的節(jié)能技術(shù)，將是實(shí)現(xiàn)潔凈室高效運(yùn)行的重要途徑。