ISO 14644-16：2019《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》簡介*

中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建科環(huán)能科技有限公司 張彥國

0 引言

2030年前“碳達峰”和2060年前“碳中和”戰(zhàn)略背景下，在各個可能的行業(yè)和環(huán)節(jié)全力推進節(jié)能減排，每位從業(yè)者都責(zé)無旁貸。

得益于生命科學(xué)、微電子、航空航天等高新技術(shù)的快速發(fā)展，潔凈室的建設(shè)速度和規(guī)模也達到了前所未有的程度。潔凈室的能耗比同等規(guī)模辦公建筑高10倍以上[1]，而且長久以來，由于潔凈室參數(shù)對工藝影響極大，通常是不惜代價保證功能，對潔凈室能耗方面關(guān)注很少，潔凈室工程節(jié)能潛力非常可觀。2019年5月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布ISO 14644系列標(biāo)準(zhǔn)《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》，對潔凈室相關(guān)能效方面作出了規(guī)定，為優(yōu)化潔凈室的設(shè)計、建造和使用，提高能源使用效率提供指導(dǎo)和建議。

1 背景

國內(nèi)在潔凈室節(jié)能方面的工作近些年剛剛起步，2018年7月，由全國潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會編制發(fā)布了GB/T 36527—2018《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境 節(jié)能指南》。一些發(fā)達國家關(guān)注較早，并已頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如德國的VDI 2083：2011《Cleanroom technology—Energy efficiency》，英國的BS 8568：2013《Cleanroom energy—Code of practice for improving energy efficiency in cleanrooms and clean air devices》，俄羅斯的GOST R 56190：2014《Cleanrooms energy efficiency》等，美國的IEST-RP-CC 012.3《Considerations in cleanroom design》也包含了能耗方面的內(nèi)容。ISO/TC 209-WG13工作組(其中包括中國代表)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年的協(xié)商交流，形成最終文本。此外，ISO 14644-16的編制參考了ISO 50001《能源管理系統(tǒng)——使用指南》中的術(shù)語、原則和基本要求等。

2 正文內(nèi)容簡介

ISO 14644-16正文包括15章，涵蓋潔凈室的全壽命周期。

首先是前言和內(nèi)容簡介，其次是第1章“范圍”(Scope)、第2章“引用標(biāo)準(zhǔn)”(Normative references)、第3章“術(shù)語和定義”(Terms and definitions)、第4章“節(jié)能評估和實施過程”(Energy reduction evaluation and implementation process)、第5章“用戶需求對能耗的影響”(Impact of user requirement specification on energy consumption)、第6章“風(fēng)量和修正系數(shù)”(Airflow volume and compensating factors)、第7章“電源管理：調(diào)低、關(guān)閉和恢復(fù)”(Power management: Turn-down, turn-off and recovery)、第8章“自適應(yīng)控制”(Adaptive control)、第9章“熱負(fù)荷和冷負(fù)荷”(Heating and cooling loads)、第10章“風(fēng)機和過濾器的選擇”(Fan and filter selection)、第11章“照明水平”(Lighting levels)、第12章“培訓(xùn)”(Training)、第13章“運行”(Operation)、第14章“維護”(Maintenance)、第15章“停用”(Decommissioning)。

前言中簡單介紹了ISO組織、ISO 14644-16編制依據(jù)的規(guī)則、技術(shù)委員會等。

內(nèi)容簡介中介紹了潔凈室能耗的特點、ISO 14644-16編制的意義、應(yīng)用范圍等。有幾個重點：1) 潔凈室能耗很高，尤其是為保證風(fēng)量和風(fēng)壓所消耗的空氣系統(tǒng)能源。2) 新建潔凈室的精心設(shè)計、既有潔凈室的改進和升級，都能得到巨大的節(jié)能效果。3)潔凈室全壽命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)都有優(yōu)化和節(jié)能機會，前期的設(shè)計非常重要，再有是加強運行監(jiān)測分析和調(diào)試。

第1章“范圍”里簡述ISO 14644-16標(biāo)準(zhǔn)的目的、適用范圍。

第2章“引用標(biāo)準(zhǔn)”中提到ISO 50001《能源管理系統(tǒng)使用指南》，是本標(biāo)準(zhǔn)的上位標(biāo)準(zhǔn)。

第3章“術(shù)語和定義”，分為“一般條文”“與安裝相關(guān)的術(shù)語”“與能效相關(guān)的術(shù)語”“縮略語”4個小結(jié)，介紹了22個術(shù)語、9個縮略語。有幾個重點：1) 污染物去除效率(contaminant removal effectiveness，CRE)——忽略從過濾后的送風(fēng)中進入室內(nèi)的顆粒物時，排風(fēng)/回風(fēng)中測量到的顆粒物濃度與室內(nèi)顆粒物濃度的平均值之比；2) 換氣效率(air change effectiveness，ACE)——污染事件后，潔凈室一個或多個位置的恢復(fù)率(recovery rate)與潔凈室總恢復(fù)率的比值；3) 調(diào)低(turn-down)——控制單向流潔凈室及潔凈空氣裝置的氣流速度或非單向流潔凈室的風(fēng)量，以便在潔凈室不運行時節(jié)約能源；4) 用戶需求(URS)，對潔凈室節(jié)能非常重要，標(biāo)準(zhǔn)中專門用第5章來分析URS對能耗的影響。

第4章“節(jié)能評估和實施過程”共分13節(jié)，描述實施潔凈室節(jié)能項目的流程，以及流程節(jié)點上要重點關(guān)注的問題和細(xì)節(jié)措施。潔凈室節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，必須要有科學(xué)的方法和流程，第4章中用一個流程圖把各個環(huán)節(jié)有機串聯(lián)起來，如圖1所示，這個流程圖是進行潔凈室節(jié)能工作的總框架。第4章中有幾個重點：1) 在4.3.1節(jié)中，提到確定潔凈室“主要能源使用”(significant energy use，SEU)的重要性。節(jié)能需要成本，只有確定了潔凈室“主要能源使用”，即節(jié)能工作的目標(biāo)主體，才能有效證明投入和產(chǎn)出是否合理、有效。在中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會新編制的《潔凈室節(jié)能評價技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，將“潔凈室主要能源使用(significant energy use of cleanroom)”定義為“潔凈室為控制懸浮粒子濃度、壓差、氣載分子污染物、溫度、濕度等關(guān)鍵參數(shù)的能源消耗”，與生產(chǎn)工藝等相關(guān)的能耗不在標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注和討論的范圍內(nèi)。2) 用以對比的樣本或基準(zhǔn)的選擇也十分關(guān)鍵，實際實施中會發(fā)現(xiàn)，沒有一個條件相同的標(biāo)準(zhǔn)樣本或理想狀態(tài)，可以進行同類比較或前后比較，因此，“比對樣本可以是另一個相似的潔凈室設(shè)施、以前經(jīng)過優(yōu)化的能源性能調(diào)試數(shù)據(jù)或基于以前經(jīng)驗的計算比對樣本”等。不同的基準(zhǔn)選擇會得出不同的節(jié)能效果評價。

圖1 節(jié)能的系統(tǒng)化方法——項目工作流程

第5章“用戶需求對能耗的影響”，內(nèi)容不多，但強調(diào)了用戶需求的重要性，以及潔凈室內(nèi)人員著裝水平對潔凈度和能耗的影響。人員是潔凈室內(nèi)重要污染源，專業(yè)的潔凈服可以抑制人員產(chǎn)塵，進而可以降低潔凈室風(fēng)量，實現(xiàn)節(jié)能。

第6章“風(fēng)量和修正系數(shù)”，這一章強調(diào)了控制風(fēng)量和風(fēng)速對于降低非單向流和單向流潔凈室能耗的重要作用，并給出了風(fēng)量的計算方法和估算程序。幾個重點：1) 將換氣次數(shù)(air change rate，ACR)和潔凈室級別脫鉤，即潔凈室風(fēng)量和潔凈室體積無關(guān)，而取決于潔凈室內(nèi)活動的性質(zhì)及送風(fēng)分配系統(tǒng)的設(shè)計。按照國內(nèi)傳統(tǒng)的潔凈室風(fēng)量設(shè)計方法，不同級別的潔凈室按照不同的換氣次數(shù)計算風(fēng)量，這種傳統(tǒng)計算方法的出發(fā)點是認(rèn)為潔凈室內(nèi)塵源主要是圍護結(jié)構(gòu)，潔凈室產(chǎn)生的污染和潔凈室表面積、體積相關(guān)。目前觀點認(rèn)為潔凈室內(nèi)的塵源主要來自于人員和操作，因此對于同樣操作和相同人數(shù)的潔凈室，房間體積即便相差很大，仍只需同樣的風(fēng)量。2) 計算風(fēng)量時應(yīng)計算潔凈室的污染物去除效率(CRE)或換氣效率(ACE)，這其實是2種不同的計算方法，目前存在不同的意見。3)風(fēng)量修正系數(shù)關(guān)系到風(fēng)量冗余度的設(shè)置，應(yīng)從不同的潔凈度報警限值和預(yù)測的CRE或ACE進行評估考慮。4)通常在設(shè)計階段，通過考慮發(fā)塵量、潔凈度報警限值、修正系數(shù)等來確定設(shè)計風(fēng)量Q1(考慮冗余度)。在調(diào)試階段，根據(jù)實際運行效果，確定運行風(fēng)量Q2，Q2

第7章“電源管理：調(diào)低、關(guān)閉和恢復(fù)”。藥品生產(chǎn)必須遵守《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》(GMP)，GMP中對生產(chǎn)車間的狀態(tài)作出了明確規(guī)定，在藥品生產(chǎn)過程中狀態(tài)要持續(xù)保持，一旦車間的運行狀態(tài)發(fā)生改變，需要重新進行驗證。因此生產(chǎn)藥品的潔凈室通常連續(xù)不間斷地保持同一狀態(tài)運行，即便是在不生產(chǎn)的時候，整個潔凈室也要“空轉(zhuǎn)”，因為GMP車間的驗證是非常復(fù)雜的。但隨著監(jiān)測和調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，該觀點也應(yīng)有所改變，ISO 14644-16中反復(fù)提到的調(diào)低(turn-down)就是這個目的。筆者認(rèn)為，潔凈室保持同一運行狀態(tài)的目的，是為了確保潔凈室運行參數(shù)持續(xù)保持符合藥品生產(chǎn)的質(zhì)量要求，如果能夠提供充足證據(jù)，例如利用最新的監(jiān)測技術(shù)及完善的事先工況驗證等，確保潔凈室在生產(chǎn)時能符合要求的狀態(tài)，在這種情況下，可以在不生產(chǎn)時“調(diào)低”甚至“關(guān)閉”(turn-off)。調(diào)低或關(guān)閉時應(yīng)注意，要通過設(shè)置物理屏障、保證壓差、控制通道和入口、加強人員培訓(xùn)等，盡可能防止室內(nèi)污染，縮短自凈時間。

第8章“自適應(yīng)控制”，明確提出通過潔凈室內(nèi)的傳感器和分析儀器的反饋來進行風(fēng)量的主動控制，是一種最節(jié)能的控制方案。

第9章“熱負(fù)荷和冷負(fù)荷”比較簡單，認(rèn)為如果沒有特殊要求，溫濕度的控制范圍應(yīng)該可以寬一些。

第10章“風(fēng)機和過濾器的選擇”，潔凈室和一般建筑的重要區(qū)別，就是系統(tǒng)風(fēng)量大、阻力高，因此選擇高效風(fēng)機和低阻過濾器是潔凈室節(jié)能的重要途徑。在選擇風(fēng)機時，盡可能選擇電動機直接驅(qū)動，并配備變頻控制器。選擇過濾器時，應(yīng)盡可能選擇額定風(fēng)量大的過濾器以降低阻力，同時設(shè)置預(yù)過濾器以防止末端過濾器的頻繁更換和容塵量超負(fù)荷。

第11章“照明水平”，非常簡單，只有幾句話，強調(diào)照明應(yīng)可控并及時關(guān)閉，使用局部LED照明以降低背景照明。

第12章“培訓(xùn)”，對于潔凈室的運行狀況和節(jié)能計劃的實施，員工的意識、素質(zhì)、業(yè)務(wù)知識水平等，無疑是非常重要的，必須有計劃地進行員工培訓(xùn)。

第13章“運行”，明確在運行過程中，應(yīng)重點執(zhí)行的操作規(guī)程和關(guān)注的重點，以及當(dāng)出現(xiàn)含塵濃度升高時采取的措施。

第14章“維護”，簡單提出維修維護的原則要求及關(guān)注的幾個重點。

第15章“停用”，非常簡單，提示停用時要評估是否會對相鄰房間產(chǎn)生影響。

3 資料性附錄簡介

ISO 14644-16中有6個附錄，都是資料性的，附錄A“源強度：送風(fēng)量及計算實例”(Source strength: Air volume and worked example)、附錄B“節(jié)能措施”(Energy saving opportunities)、附錄C“影響評估”(Impact assessment)、附錄D“基準(zhǔn)化分析法：潔凈室的能源性能指標(biāo)”(Benchmarking: Energy performance indicators for cleanrooms)、附錄E“減少過多的冷熱損失或獲得的有效措施”(Useful measures to minimize excess heating and cooling losses or gains)、附錄F“減小關(guān)鍵區(qū)域面積的示例”(Critical area reduction example)。6個附錄雖然是資料性的，但內(nèi)容很豐富也很重要，篇幅和15章正文接近。

附錄A“源強度：送風(fēng)量及計算實例”篇幅很長，分為5個小節(jié)。A.1小節(jié)“非單向流潔凈室送風(fēng)量的計算”提出通過下式計算潔凈室風(fēng)量：

(1)

式中Q為送風(fēng)量，m3/s；D為潔凈室(人員和設(shè)備)總顆粒物散發(fā)率，粒/s；ε為通風(fēng)效率指數(shù)(量綱一)；C為計算區(qū)域所需的氣溶膠顆粒物濃度，粒/m3。

A.2小節(jié)“通風(fēng)效率”，詳細(xì)描述了通風(fēng)效率指數(shù)ε，即換氣效率(ACE)和污染物去除效率(CRE)的定義、特點和計算公式等。換氣效率采用式(2)計算，污染物去除效率采用式(3)計算。

(2)

式中EAC為換氣效率；Rm為測量位置周邊潔凈室空氣的每小時換氣率；Rtot為房間所有潔凈室空氣的每小時換氣率。

(3)

式中ECR為污染物去除效率；C′為潔凈室排(回)風(fēng)管道處每m3空氣中粒徑≥0.5 μm微粒總數(shù)；Cavg為潔凈室內(nèi)每m3空氣中粒徑≥0.5 μm微粒平均數(shù)。

如果潔凈室的空氣混合非常好，則ACE指數(shù)將為1，如果少于平均值的潔凈空氣到達測量位置，則ACE指數(shù)將低于1，如果更多空氣到達測量位置，則高于1。ACE指數(shù)可能介于0.7～1.3之間，CRE指數(shù)通常的范圍設(shè)定在0.3～1.0之間。

A.3小節(jié)“潔凈室顆粒物散發(fā)率”，簡述如何計算式(1)中的“D”值，需要將人員和設(shè)備的顆粒物散發(fā)率加在一起。A.4小節(jié)“計算非單向流潔凈室送風(fēng)量的實例”，包括如何根據(jù)潔凈室級別要求和修正系數(shù)的設(shè)定，確定式(1)中的C值，最終計算出風(fēng)量。A.5小節(jié)“單向流潔凈室風(fēng)速的計算”，雖然風(fēng)速越高，空氣中的污染物越低，但綜合考慮各種變量后，建議在很少或沒有活動的時間，風(fēng)速可以降低到0.2～0.3 m/s之間，但是需要事先征得產(chǎn)品質(zhì)量部對于降低氣流速度的同意。

附錄B“節(jié)能措施”，筆者認(rèn)為也是ISO 14644-16中的一個重點內(nèi)容，通過一個很詳細(xì)的表格列舉出所有潔凈室節(jié)能的機會，表格中將潔凈室整個壽命周期分為6個階段、31個要素：第1個階段是污染物源強度的評價階段；第2個階段是用戶需求(URS)階段，這個階段又分為7個要素，包括“性能需求、設(shè)施規(guī)模、人員數(shù)量、著裝要求、工藝設(shè)備負(fù)荷、工藝設(shè)備的適應(yīng)性、隔離屏障技術(shù)的應(yīng)用”；第3個階段是設(shè)計、翻修和建造階段，這個階段要關(guān)注13個要素，包括“單向流風(fēng)速、非單向流風(fēng)量、新風(fēng)、排風(fēng)、照明、系統(tǒng)選擇(集中的AHU還是分散的FFU)、調(diào)低的能力、空氣處理裝置和暖通空調(diào)設(shè)備、空氣過濾器、空調(diào)通風(fēng)輸配系統(tǒng)、建筑管理系統(tǒng)(BMS)、環(huán)境管理系統(tǒng)(EMS、PMS、MMS)”；第4個階段是測試階段，包括調(diào)試驗證和定期測試2個要素；第5個階段是運行和維護階段，包括7個要素，分別為“操作能力培訓(xùn)、監(jiān)控、調(diào)低程序、關(guān)閉系統(tǒng)、潔凈室漏氣量、維修程序、清潔和保潔管理”；第6個階段，也是潔凈室的最終階段，即潔凈室的關(guān)停和報廢。在對每個要素的分析上，從“機會措施、重點考慮、可能的負(fù)面影響、風(fēng)險管控的策略和工具”4個方面逐一進行要點分析。這個表基本上列出了潔凈室節(jié)能的各個環(huán)節(jié)，具有重要的參考作用。在ISO 14644-16編制中，強調(diào)潔凈室的針對性，因此對于動力站(冷熱源)方面并不涉及，筆者認(rèn)為，潔凈室的冷熱源也非常有特點，例如潔凈室都是在內(nèi)區(qū)，所以在圍護結(jié)構(gòu)方面沒有任何節(jié)能潛力，潔凈室的供冷周期非常長，甚至有些潔凈室需要全年供冷，因此冷熱源方面也可列入節(jié)能的要素。

附錄C“影響評估”，比較簡單，強調(diào)在能源優(yōu)化時，要充分評估對潔凈室性能的影響。

附錄D“基準(zhǔn)化分析法：潔凈室的能源性能指標(biāo)”，筆者認(rèn)為也是ISO 14644-16的重點之一。用哪些指標(biāo)來評估潔凈室的節(jié)能效果非常重要，指標(biāo)要能代表潔凈室的特點。ISO 14644-16中列出的能效評估指標(biāo)有“潔凈功率密度(PICR)”“潔凈用能密度(EICR)”“設(shè)施用能密度(EI)”，附錄D中，用3個小節(jié)詳細(xì)描述了3個指標(biāo)的計算方法、特點等。PICR定義為“用于去除潔凈室空氣中污染物的風(fēng)機功率與凈化區(qū)域總面積的比值，即潔凈室單位面積風(fēng)機功率，單位為W/m2”。EICR定義為“用于去除潔凈室內(nèi)空氣中污染物的風(fēng)機全年用電量與凈化區(qū)域總面積的比值，即潔凈室單位面積每年的風(fēng)機能耗，單位為kW·h/(m2·a)”。EI定義為“潔凈室全年綜合用能與凈化區(qū)域總面積的比值，單位為kW·h/(m2·a)”。PICR可以用來評價潔凈室通過提高風(fēng)機效率、降低系統(tǒng)阻力、降低風(fēng)量而產(chǎn)生的節(jié)能效果，與運行時間無關(guān)。EICR在PICR基礎(chǔ)上，還評價潔凈室通過值班工況、間歇運行、變頻調(diào)節(jié)等改變運行方式而產(chǎn)生的節(jié)能效果，全年運行工況有變化。EI是一年的潔凈室綜合用能，還包括空氣系統(tǒng)之外的其他能耗。筆者認(rèn)為，3個指標(biāo)略顯不足，關(guān)于潔凈室節(jié)能評價指標(biāo)，在《潔凈室節(jié)能評價技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，補充了更多的指標(biāo)，此部分內(nèi)容可單獨成篇進行討論，本文篇幅所限，不再贅述。

附錄E“減少過多的冷熱損失或獲得的有效措施”，分供熱和制冷2節(jié)，分別描述如何降低冷熱負(fù)荷，提高供熱和制冷效率。

附錄F“減小關(guān)鍵區(qū)域面積的示例”，通過采用隔離設(shè)備等，把潔凈室關(guān)鍵區(qū)域的面積控制在一定范圍內(nèi)，可有效降低潔凈風(fēng)量，進而節(jié)能。

4 結(jié)論和建議

ISO 14644-16由ISO/TC 209國際標(biāo)準(zhǔn)化組織“潔凈室及相關(guān)受控化境”技術(shù)委員會負(fù)責(zé)，該委員會成立于1993年，秘書處設(shè)在美國ANSI(American National Standards Institute，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會)，會員24個，包括中國及美國、英國、德國、法國、日本、俄羅斯、巴西、澳大利亞等發(fā)達國家，觀察員國家21個。ISO/TC 209已經(jīng)發(fā)布了17個潔凈室和相關(guān)受控環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，包括14個潔凈室相關(guān)的ISO 14644系列標(biāo)準(zhǔn)，以及3個ISO 14698標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)在國際上有權(quán)威地位。在潔凈室節(jié)能相關(guān)領(lǐng)域，中國應(yīng)和國際社會同步，充分吸收國際上已經(jīng)達成共識的最新的技術(shù)要求和方法措施，在推進我國潔凈室節(jié)能的各項工作中應(yīng)用。ISO 14644-16中重要新內(nèi)容包括：1) 明確編制用戶需求(URS)的重要性；2) 不再按照潔凈室級別和體積計算風(fēng)量，給出根據(jù)塵源強度等計算風(fēng)量的方法；3) 梳理挖掘潔凈室節(jié)能的各個環(huán)節(jié)；4) 給出3個節(jié)能評價指標(biāo)PICR、EICR和EI。標(biāo)準(zhǔn)給出了標(biāo)準(zhǔn)化、綱領(lǐng)性和指導(dǎo)性的建議，在推動潔凈室節(jié)能方面起到了重要作用，如何在國內(nèi)具體項目上實施應(yīng)用，還需要結(jié)合項目特點，進一步仔細(xì)研究探討。