文/李紅寶

應(yīng)對(duì)氣候變化刻不容緩——據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)2022 年的報(bào)告顯示，未來(lái)20 年全球氣溫上升幅度或?qū)⑦_(dá)到或超過1.5℃。隨之而來(lái)的是極端天氣狀況和自然災(zāi)害的增加，從洪水和大風(fēng)到嚴(yán)重的熱浪和干旱。為了解決這一問題，許多生命科學(xué)組織一直在考慮如何使包括制藥行業(yè)在內(nèi)的整個(gè)制造業(yè)的價(jià)值鏈脫碳。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段是采用清潔能源來(lái)替代傳統(tǒng)的化石能源，當(dāng)然減少能源的消耗依然是最根本的問題。制藥行業(yè)作為一個(gè)以人的福祉為中心的行業(yè)，更應(yīng)積極通過節(jié)能減耗來(lái)抵御氣候變化。對(duì)此，本文介紹了智能潔凈室控制系統(tǒng)的概念，其有望在合規(guī)且不發(fā)生污染的情況下，有效降低HVAC（供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）系統(tǒng)的能源消耗。

1.智能潔凈室控制系統(tǒng)的概念

潔凈室對(duì)制藥生產(chǎn)至關(guān)重要——控制關(guān)鍵因素的能力對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量、合規(guī)的產(chǎn)品至關(guān)重要，GMP 對(duì)潔凈室的凈化等級(jí)是按照檢測(cè)到的粒子數(shù)來(lái)定義的（如表1所示）。但在維護(hù)受控環(huán)境（如潔凈室）時(shí)，一個(gè)不幸的現(xiàn)實(shí)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(dá)相同規(guī)模的辦公樓的100 倍。

表1 潔凈等級(jí)與懸浮粒子數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

潔凈室的運(yùn)行參數(shù)傳統(tǒng)上是為最壞的情況設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和運(yùn)行的，這導(dǎo)致了高于必要的換氣次數(shù)和高于必要的能源費(fèi)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(diào)和空氣的移動(dòng)有關(guān)，它們主要的作用是確保在相應(yīng)的潔凈等級(jí)內(nèi)控制污染。因此，在不影響性能的情況下，降低能耗的創(chuàng)新技術(shù)的需求是顯而易見的，并且也是可以實(shí)現(xiàn)的。

于是就有了智能潔凈室控制系統(tǒng)（Intelligent Cleanroom Control System,簡(jiǎn)稱“ICCS”）的概念[1]，其理念是動(dòng)態(tài)控制相關(guān)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，以適應(yīng)基于顆粒濃度而不是僅基于空氣換氣次數(shù)的環(huán)境參數(shù)。智能潔凈室控制系統(tǒng)能對(duì)潔凈室性能進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并以較低的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本保證高質(zhì)量的潔凈環(huán)境。

2.智能潔凈室控制系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 數(shù)字化送風(fēng)口的應(yīng)用

平時(shí)基于運(yùn)行的法規(guī)或指導(dǎo)原則推薦的換氣次數(shù)，送風(fēng)量實(shí)際上處于一個(gè)固定的靜態(tài)運(yùn)行模式。設(shè)計(jì)的時(shí)候是按照最差情況計(jì)算的，也就是說(shuō)一直是在最極端的狀態(tài)下運(yùn)行。因此可以設(shè)想，在實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的實(shí)際污染情況，換氣次數(shù)可以小于最差情況下的數(shù)值，但環(huán)境的粒子數(shù)據(jù)也同樣符合潔凈等級(jí)的要求。

設(shè)想在房間內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粒子的數(shù)量，房間的送風(fēng)并不按照對(duì)應(yīng)凈化級(jí)別的推薦換氣次數(shù)，而是隨著房間實(shí)測(cè)粒子數(shù)量來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，它的上限為對(duì)應(yīng)凈化級(jí)別的推薦換氣次數(shù)。用數(shù)字化送風(fēng)口來(lái)量化房間的送風(fēng)量（即換氣次數(shù)），該送風(fēng)口（如圖1 所示）能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地提供風(fēng)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)量監(jiān)測(cè)及快速反應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線風(fēng)量平衡。如此便可精準(zhǔn)送風(fēng)，實(shí)時(shí)高效，節(jié)省每天浪費(fèi)的能源。通過數(shù)字化手段可以直觀掌握每個(gè)送風(fēng)口的變化，無(wú)需再用風(fēng)量罩人工逐個(gè)檢測(cè)，縮短了調(diào)試時(shí)間，有利于趨勢(shì)分析。它還具有模擬和數(shù)字化的接口，方便與BMS（樓宇控制系統(tǒng)）和EMS（環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）連接。目前該送風(fēng)口國(guó)內(nèi)已經(jīng)有成熟的商品可提供。

圖1 數(shù)字化送風(fēng)口示意圖

2.2 潔凈空調(diào)箱變風(fēng)量的控制

既然房間的風(fēng)量已經(jīng)根據(jù)實(shí)際的需要在動(dòng)態(tài)地變化，那么潔凈空調(diào)箱也需要能夠動(dòng)態(tài)改變風(fēng)量的精確調(diào)節(jié)。目前有效控制風(fēng)量的手段有風(fēng)速控制、動(dòng)壓控制和風(fēng)機(jī)喉部壓差控制（如圖2 所示），其中，風(fēng)機(jī)喉部壓差控制從數(shù)據(jù)上看是最為精確的控制手段[2]。

圖2 風(fēng)機(jī)喉部壓差與風(fēng)量的關(guān)聯(lián)

如果潔凈空調(diào)能夠根據(jù)各房間送風(fēng)量數(shù)據(jù)來(lái)提供動(dòng)態(tài)的風(fēng)量，做到輸出和末端的使用量完全匹配，便能減少無(wú)謂的壓頭損耗、節(jié)省能源。對(duì)此，潔凈空調(diào)箱可以用風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差來(lái)關(guān)聯(lián)送風(fēng)量[2]，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其線性程度也非常高：將風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差和EN 1886 中風(fēng)量的檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，兩者的數(shù)據(jù)對(duì)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(shù)據(jù)，下面一條為風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差方法的數(shù)據(jù)。兩者的線性程度都非常高，而風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差方法的線性更好一些，且它是一條通過原點(diǎn)的直線。

圖3 畢托管與風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差對(duì)比情況

3.結(jié)論

綜上所述，業(yè)內(nèi)平時(shí)采用固定換氣次數(shù)來(lái)保障潔凈等級(jí)，實(shí)際上是假設(shè)在最差的環(huán)境條件下運(yùn)行HAVC 系統(tǒng)，此時(shí)，能耗處于極端不利的狀態(tài)。在既保障合規(guī)不會(huì)導(dǎo)致污染的前提下，我們可以建立智能潔凈室控制系統(tǒng)，根據(jù)房間內(nèi)的實(shí)際粒子數(shù)據(jù)，控制房間的換氣次數(shù)來(lái)達(dá)到潔凈等級(jí)的要求。如此便可避免始終在極端能耗的狀態(tài)下運(yùn)行，極大限度地節(jié)省HVAC 的能源消耗。

智能潔凈室控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的送風(fēng)口，可以根據(jù)房間內(nèi)實(shí)際的粒子數(shù)據(jù)，決定房間的送風(fēng)量（即換氣次數(shù)），并將風(fēng)量數(shù)據(jù)通過BMS 系統(tǒng)輸出指令，傳遞給潔凈空調(diào)箱執(zhí)行。潔凈空調(diào)箱則通過風(fēng)機(jī)喉部的靜壓差，準(zhǔn)確地控制空調(diào)箱的送風(fēng)量來(lái)匹配末端的送風(fēng)口，避免無(wú)謂的壓頭損耗與能源的浪費(fèi)。該系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 HVAC 系統(tǒng)示意圖

據(jù)報(bào)道，在全球300 多個(gè)生命科學(xué)站點(diǎn)中，劍橋制藥設(shè)施（Cambridge Pharma facility）是較為節(jié)能的潔凈室空間之一。劍橋制藥和EECO2 團(tuán)隊(duì)采用了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)調(diào)整換氣次數(shù)以應(yīng)對(duì)污染挑戰(zhàn)，這比傳統(tǒng)的固定換氣次數(shù)更具有合理性。與傳統(tǒng)的生命科學(xué)潔凈室空間相比，其相對(duì)能耗降低幅度可達(dá)80%[3]。

在國(guó)內(nèi)第二版的GMP 指南中已經(jīng)提到了晚間（節(jié)能）的運(yùn)行模式，逐漸地意識(shí)到了節(jié)能與合規(guī)并不是完全沖突的。智能潔凈室控制系統(tǒng)在國(guó)外已有應(yīng)用案例，相信隨著潔凈室能源使用的急劇變化，動(dòng)態(tài)潔凈室控制的意義將是深遠(yuǎn)的。ISPE 的專家Harald Flechl 也曾表示，關(guān)于換氣次數(shù)的建議是幾十年前主觀地制定的，幾乎沒有科學(xué)研究來(lái)支持它們，其運(yùn)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于監(jiān)管合規(guī)性所需的水平[4]。

因此，筆者建議可以先從沒有人員活動(dòng)的房間開始執(zhí)行智能潔凈室控制系統(tǒng)，對(duì)于人員通道的氣閘間由于體量較小，可暫時(shí)排除在智能潔凈室控制系統(tǒng)外。

相信在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)的HVAC 系統(tǒng)也會(huì)采用這種智能潔凈室控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在既保障合規(guī)又不會(huì)導(dǎo)致污染的情況下，有效降低HVAC 系統(tǒng)的能源消耗。