智能潔凈室控制系統應用探討

文/李紅寶

應對氣候變化刻不容緩——據聯合國政府間氣候變化專門委員會2022 年的報告顯示，未來20 年全球氣溫上升幅度或將達到或超過1.5℃。隨之而來的是極端天氣狀況和自然災害的增加，從洪水和大風到嚴重的熱浪和干旱。為了解決這一問題，許多生命科學組織一直在考慮如何使包括制藥行業在內的整個制造業的價值鏈脫碳。實現這一目標的主要手段是采用清潔能源來替代傳統的化石能源，當然減少能源的消耗依然是最根本的問題。制藥行業作為一個以人的福祉為中心的行業，更應積極通過節能減耗來抵御氣候變化。對此，本文介紹了智能潔凈室控制系統的概念，其有望在合規且不發生污染的情況下，有效降低HVAC（供熱通風與空氣調節）系統的能源消耗。

1.智能潔凈室控制系統的概念

潔凈室對制藥生產至關重要——控制關鍵因素的能力對于生產高質量、合規的產品至關重要，GMP 對潔凈室的凈化等級是按照檢測到的粒子數來定義的（如表1所示）。但在維護受控環境（如潔凈室）時，一個不幸的現實是，它們是令人難以置信的能源密集型空間，以至于它們的能源消耗量可高達相同規模的辦公樓的100 倍。

表1 潔凈等級與懸浮粒子數的對應關系

潔凈室的運行參數傳統上是為最壞的情況設計、建造、調試和運行的，這導致了高于必要的換氣次數和高于必要的能源費用。潔凈室能源消耗占潔凈室生命周期成本的65%～75%，其中大部分與空調和空氣的移動有關，它們主要的作用是確保在相應的潔凈等級內控制污染。因此，在不影響性能的情況下，降低能耗的創新技術的需求是顯而易見的，并且也是可以實現的。

于是就有了智能潔凈室控制系統（Intelligent Cleanroom Control System,簡稱“ICCS”）的概念[1]，其理念是動態控制相關的暖通空調系統，以適應基于顆粒濃度而不是僅基于空氣換氣次數的環境參數。智能潔凈室控制系統能對潔凈室性能進行持續監測，并以較低的經濟和環境成本保證高質量的潔凈環境。

2.智能潔凈室控制系統的實施

2.1 數字化送風口的應用

平時基于運行的法規或指導原則推薦的換氣次數，送風量實際上處于一個固定的靜態運行模式。設計的時候是按照最差情況計算的，也就是說一直是在最極端的狀態下運行。因此可以設想，在實際運行過程中，根據區域內的實際污染情況，換氣次數可以小于最差情況下的數值，但環境的粒子數據也同樣符合潔凈等級的要求。

設想在房間內實時監測粒子的數量，房間的送風并不按照對應凈化級別的推薦換氣次數，而是隨著房間實測粒子數量來進行動態控制，它的上限為對應凈化級別的推薦換氣次數。用數字化送風口來量化房間的送風量（即換氣次數），該送風口（如圖1 所示）能夠實時準確地提供風量數據，并進行實時風量監測及快速反應調節，實現系統在線風量平衡。如此便可精準送風，實時高效，節省每天浪費的能源。通過數字化手段可以直觀掌握每個送風口的變化，無需再用風量罩人工逐個檢測，縮短了調試時間，有利于趨勢分析。它還具有模擬和數字化的接口，方便與BMS（樓宇控制系統）和EMS（環境監測系統）連接。目前該送風口國內已經有成熟的商品可提供。

圖1 數字化送風口示意圖

2.2 潔凈空調箱變風量的控制

既然房間的風量已經根據實際的需要在動態地變化，那么潔凈空調箱也需要能夠動態改變風量的精確調節。目前有效控制風量的手段有風速控制、動壓控制和風機喉部壓差控制（如圖2 所示），其中，風機喉部壓差控制從數據上看是最為精確的控制手段[2]。

圖2 風機喉部壓差與風量的關聯

如果潔凈空調能夠根據各房間送風量數據來提供動態的風量，做到輸出和末端的使用量完全匹配，便能減少無謂的壓頭損耗、節省能源。對此，潔凈空調箱可以用風機喉部的靜壓差來關聯送風量[2]，有實驗數據表明其線性程度也非常高：將風機喉部的靜壓差和EN 1886 中風量的檢測方法進行對比，兩者的數據對比作圖，如圖3 所示[2]。其中上面一條為EN 1886 中畢托管方法的數據，下面一條為風機喉部的靜壓差方法的數據。兩者的線性程度都非常高，而風機喉部的靜壓差方法的線性更好一些，且它是一條通過原點的直線。

圖3 畢托管與風機喉部的靜壓差對比情況

3.結論

綜上所述，業內平時采用固定換氣次數來保障潔凈等級，實際上是假設在最差的環境條件下運行HAVC 系統，此時，能耗處于極端不利的狀態。在既保障合規不會導致污染的前提下，我們可以建立智能潔凈室控制系統，根據房間內的實際粒子數據，控制房間的換氣次數來達到潔凈等級的要求。如此便可避免始終在極端能耗的狀態下運行，極大限度地節省HVAC 的能源消耗。

智能潔凈室控制系統采用數字化的送風口，可以根據房間內實際的粒子數據，決定房間的送風量（即換氣次數），并將風量數據通過BMS 系統輸出指令，傳遞給潔凈空調箱執行。潔凈空調箱則通過風機喉部的靜壓差，準確地控制空調箱的送風量來匹配末端的送風口，避免無謂的壓頭損耗與能源的浪費。該系統示意圖如圖4 所示。

圖4 HVAC 系統示意圖

據報道，在全球300 多個生命科學站點中，劍橋制藥設施（Cambridge Pharma facility）是較為節能的潔凈室空間之一。劍橋制藥和EECO2 團隊采用了動態系統調整換氣次數以應對污染挑戰，這比傳統的固定換氣次數更具有合理性。與傳統的生命科學潔凈室空間相比，其相對能耗降低幅度可達80%[3]。

在國內第二版的GMP 指南中已經提到了晚間（節能）的運行模式，逐漸地意識到了節能與合規并不是完全沖突的。智能潔凈室控制系統在國外已有應用案例，相信隨著潔凈室能源使用的急劇變化，動態潔凈室控制的意義將是深遠的。ISPE 的專家Harald Flechl 也曾表示，關于換氣次數的建議是幾十年前主觀地制定的，幾乎沒有科學研究來支持它們，其運行遠遠高于監管合規性所需的水平[4]。

因此，筆者建議可以先從沒有人員活動的房間開始執行智能潔凈室控制系統，對于人員通道的氣閘間由于體量較小，可暫時排除在智能潔凈室控制系統外。

相信在不久的將來，國內企業的HVAC 系統也會采用這種智能潔凈室控制系統，從而實現在既保障合規又不會導致污染的情況下，有效降低HVAC 系統的能源消耗。