潔凈空間送風末端的創新

       0. 引 言
 
       為了滿足工藝過程的環境控制要求，或為了保證產品良率（如芯片生產），或遵循相關法規（如制藥GMP），常常需要設置特定的潔凈空間，滿足環境控制的各項參數。所配備的凈化空調系統除熱濕處理裝置外，還需要多道空氣過濾甚至吸附裝置，以保證工藝環境、并為室內人員提供舒適的工作環境。
 
       如中國《藥品生產質量管理規范（2010 年修訂）》（以下簡稱 現行GMP）中第四十八條規定：“應當根據藥品品種、生產操作要求及外部環境狀況等配置空調凈化系統，使生產區有效通風，并有溫度、濕度控制和空氣凈化過濾，保證藥品的生產環境符合要求”。并要求保持潔凈區與非潔凈區、不同級別潔凈潔凈區之間壓差不低于10Pa，必要時，相同潔凈級別不同功能區域之間保持適當的壓力梯度。
 
       潔凈空間的凈化空調系統的末端是高效送風口，是承擔空氣凈化的最后一道關口。高效送風口成為潔凈空間的關鍵部件，其風口的布風功能、空氣過濾器的過濾性能及安裝水平，都關乎著所在潔凈空間的換氣量、氣流潔凈度及均勻分布程度。
 
       普通高效送風口由靜壓箱，高效過濾器、散流板三部分組成。與風管的連接有頂接和側接兩種形式。在送風側設置調節風閥或密閉閥。為了滿足周期監測或驗證要求（如GMP），就須在高效送風口內高效過濾器上游配置發塵環與采樣孔，發塵環連接發生氣溶膠PAO的接口。
 
       1．潔凈空間普通高效送風口的痛點與難點
 
       高效送風口在潔凈空間應用很廣。設置高效送風口多的場合，往往是大面積的非單向流的潔凈空間。如藥廠的C、D級的潔凈生產車間，B級的潔凈生產車間則須較密設置高效送風口，這需要在其技術夾層內布置龐大而復雜的送風管路系統。技術夾層內常常還需各種水、氣、電以及消防等管路布置，互相交叉。為了保證潔凈空間內各高效送風口的送風量達到設計風量，常常要在系統中配置調節閥、密閉閥、單向閥等，使得管路系統更為復雜（見圖1），加大了設計和施工的工作量。
 

 
       圖1 潔凈空間技術夾層內復雜的管路系統
 
       一般而言，高效送風口要求在潔凈空間上方均勻布置，各送風口的設計風量相同。通常為各送風口配置的調節閥。在系統調試時，如要調節高效送風口的送風量，必須要人爬入技術夾層，另一人在風口下測風量?？咳酥鹨?、反復調節高效送風口旁設置風閥。由于一般調節風閥是壓力相關型，當改變一個高效送風口風量就會影響到其他高效送風口的風量，調試工作量很大，難以使非單向流潔凈空間各送風口達到設計風量，因而空間內氣流難以均勻分布。
 
       凈化空調系統長期運行過程中因高效過濾器積塵等原因，潔凈空間會發生動態變化，又需要逐一調試和設定。在運行期間如管路系統配置的風閥萬一出現了問題，又需人爬入技術夾層進行維修，還得再調試。為此，GMP要求對每個送風口進行周期監測或驗證。
 
       普通高效送風口更難以滿足生產環境實現運行、值班、消毒狀態的多模式工況的轉換。
 
       可見普通的高效送風口給施工、調試以及日后運行維護帶來了很大的工作量。
 
       為了維持潔凈室內各風口的風量穩定與系統平衡，設計人員不得不為每個高效送風口配置一個壓力無關型的定（變）風量閥，并按照該定（變）風量閥要求配置一定長度的進出風管（見圖2），以保證定（變）風量閥的調節性能，從而加大了設計工作量。另外，進風管長度通常不小于定風量閥管徑B的1.5倍，而出風管長度不小于定風量閥管徑B的0.5倍，再接上普通高效送風口（見圖3），整個接管高度不小，這就要求技術夾層一般不宜低于1.6m。因此，普通高效送風口難以適用于技術夾層低的潔凈空間。
 
       針對上述普通高效送風口的種種痛點，急需研發一種特殊性能的新型高效過濾送風口裝置。
 
       2. 新型高效送風口的研發思路
 
       要破解普通高效送風口以上種種痛點與難點，認為關鍵因素是要將高效送風口、定風量閥與相應調控一體化，才有可能縮小高效送風口及附件的體積，降低對安裝空間要求，簡化管路布置，降低設計、安裝、調試與維護工作量。
 
       研發工作主要從以下幾方面入手：
 
       1）將高效送風口外置的壓力無關型定風量閥變為內置在送風口內，合為一體。內置定風量裝置只需滿足進風管路要求，出風無接管，縮小了體積；
        
 
       2）選擇合適的定風量閥、選用無易損件（如氣囊、彈簧件）、不易堵塞（如畢托管）、易維護的壓力無關型定風量裝置；
 
       3）定風量裝置具有通訊接口，可與有線或無線通訊連接，且能數字化傳輸；
 
       4）開發控制面板可按需發送有線或無線信號對所在空間內高效送風口進行遠程設定、調控與就地群控，通過程序設置便于生產環境實現運行、值班、消毒工況轉換。
 
       5）高效送風口的高效過濾器的拆裝方式簡便，不滲漏，萬一定風量閥出現問題，便于在室內對定風量閥維修與更換，無需進入技術夾層；
 
       針對所開發的新型高效送風口的性能與特點，我們稱之為“智慧高效送風口”。
 
       研發智慧高效送風口，除了其機械結構設計功能性、可靠性、工藝性、經濟性和外觀造型等基本要求外，更注重能同時滿足高效送風口、定風量閥與調控的性能需求，還要滿足其一體化要求，這涉及到內置定風量閥與高效過濾器的相對位置，及均流板的設置等內部結構設計問題。通過了CFD反復模擬，刪除均流板，使內部氣流流動順暢、減少湍流（見圖5），以保證定風量閥調節精度，及送風口風速均勻，實現了產品外形與內部結構最優化（見圖6）。并根據潔凈空間設計要求，開發出幾種不同型號、不同額定風量、不同接口的智慧高效送風口。
 
 
       3.智慧高效送風口性能驗證
 
       為了驗證所研發的智慧高效送風口性能，建立如圖7所示的檢測裝置。設有檢測臺的風道、前用接管連接智慧高效送風口，其出風面再用便攜式風量罩檢測。理論上整個檢測臺是以同一風量通過，但整個檢測臺配有的風道噴嘴差壓式流量計、智慧高效送風口風量計以及風量罩風量計，這三處的風量計的檢測原理、類型、精度不同，三者檢測值會有所不同，或者說有偏差。
 
       檢測臺分別對額定風量為500m3/h、1000m3/h、1500m3/h以及2000m3/h四種智慧高效送風口進行檢測，針對這三處檢測風量值不同代表值及如下思路對檢測數據進行數理統計：
 
       1)檢測臺的風道中設置的噴嘴差壓式流量計，標準化程度高，計量數據真實可信，作為標定的計量用表。以其檢測風量值作為檢測臺的基準值；
 
       2)智慧高效送風口的風量顯示值，表明送風口調節與定風量的性能；
 
       3)便攜式風量罩風量計（PDA）顯示的檢測值，看作現場檢測的基準值。
 
       4)設置不同比例額定風量下，風道噴嘴流量計檢測值與智慧送風口顯示值的絕對偏差，與相應內置的定風量裝置自身性能比較。
 
       5)風道噴嘴流量計檢測值與智慧高效送風口顯示值的相對偏差，可以作為產品的性能評價與標定偏差；
 
       6)風量罩現場檢測值與智慧高效送風口顯示值的相對偏差，可以認為現場檢測值的偏差值。
 
       7)以“相對偏差 = [（送風口風量顯示值－基準值）/基準值]×100%”統計檢測數據。
 
       從表1-4分析可以得出：不同比例額定風量設置下，風道噴嘴差壓式流量計檢測值與智慧高效送風口顯示值的相對偏差小于廠標的限定值（不大于±5%），表明研發產品性能合格。另外，顯示出風量罩檢測值與智慧高效送風口顯示值的相對偏差（可以認為現場檢測值的偏差值）不大于±5%，表明現場檢測相對偏差值符合GMP要求，可以認定智慧高效送風口顯示值是可信的，可作為現場驗收或確認值。只要便攜式風量罩性能達標，且在標定期內，與風道噴嘴差壓式流量計檢測值的偏差值均處于一個等級。
        
       潔凈空間，如藥品的生產環境中推薦高效送風口按額定風量70%選用，在C級及D級區域高效送風口可以按額定風量80%選用。由檢測結果可知在額定風量的70%-80%內智慧高效送風口與基準值的偏差更小。
 
       4.智慧高效送風口在潔凈空間的應用
 
       要實現工藝過程所需的環境，必須達到合規的換氣次數，合適的過濾系統，以及合理的氣流組織，其中穩定的換氣量是必要條件。由于凈化空調系統長期運行過程中因高效過濾器積塵，以及工藝環境會發生動態變化等原因，要求動態維持室內各風量穩定與平衡控制，以維持穩定的壓差控制。對此，潔凈空間內高效送風口性能至關重要。
 
       智慧高效送風口相比于普通高效送風口及附件，由于結構緊湊、體積縮小，簡化了技術夾層內的管路布置，降低對安裝空間要求。使得智慧送風口特別適用于技術夾層較低、管路多且密度大的場合，如食品、生物、醫療、實驗室、實驗動物房的潔凈空間，也能保證這些場合的非單向流潔凈空間的實需換氣量和均勻的氣流分布，減少了渦流和回流，提高了稀釋作用，達到更好的凈化效果。
 
       由于智慧高效送風口工廠化批量生產，質量可控，相比于普通高效送風口及附件組合的性價比更高。采用智慧高效送風口使得凈化空調系統的設計、安裝、調試與維護最簡化，大大減少了工作量，加快了工程設計、施工安裝與調試的進程，也降低了相應工程費用。
 
       為了便于系統調試、驗證、運營、周期監測以及多模式運行工況（運行、值班、消毒）轉換，配置觸摸屏控制器與智慧高效送風口有線或無線通訊。
 
       智慧高效送風口自帶RS485通訊接口，觸摸屏控制器采用MODBUS-RTU協議與送風口有線通訊（圖8），多臺智慧送風口控制可以通過增加以太交換機和協議轉換器來進行群控。觸摸屏可以顯示送風口實時風量、閥門開合角度、高效過濾器阻力等參數，也可以通過界面設定送風口所需風量，可實現單控及分組群控的功能。
 
       智慧高效送風口也可通過RS485接口連接到4G數傳終端，數傳終端接收來自送風口傳輸過來的數據，然后通過LTE無線網絡，把數據送到監控中心后臺服務器，同樣也接收來自監控中心服務器的各種數據和控制指令，發送到送風口實現無線控制（見圖9）。
 
 
       由于智慧送風口可以遠程控制，潔凈空間內任一智慧高效送風口可由控制面板發送有線或無線數字信號精確設定其送風量，全程監測風量，自動恒定送風量。在需要調整潔凈空間送風量也可以對任一高效送風口再設定，或者說隨時按需來控制送風量。在調節或再設定不會影響到同一凈化空調系統的其他送風口的送風量。更不需要爬入技術夾層，靠人工逐一、反復調節風閥，大大減少調試時間及相應的人工費用。
 
       另一方面，控制面板不僅可顯示智慧高效送風口內高效過濾器的實時阻力，而且也可方便實時顯示所在空間的換氣量、溫度、濕度、壓差等參數，使運行維護工作更加方便、有效。
 
       上述檢測表明，智慧高效送風口在控制屏顯示的實時風量與檢測風量的誤差在GMP允許范圍，可以替代再確認與再驗證的大量檢測量，送風量穩定，風量數據可存儲、可追溯，有效保障了藥品生產GMP的要求。
 
       對于潔凈空間而言，為保證生產環境處于受控狀態，在動態污染干擾下，為能維持潔凈度級別所需的“恢復時間”，常常采用冗余設置。因此能安全有效地管理潔凈空氣，提高稀釋與自凈能力，降低設施冗余運行，精確控制實需送風量，維持穩定的壓差就是最大效益。實現了從規劃設計、施工安裝、運行維護全過程的節能降耗。
 
       5.結語
 
       針對普通高效送風口的痛點與難點，研發了智慧高效送風口。智慧高效送風口的關鍵創新點在于實現了高效送風口過濾與分布、定風量與調控功能于一體。配置合適的定風量裝置、遠程調控與就地群控，簡化了凈化空調系統的設計、安裝和調試，可方便轉換多模式運行工況（正常運行、值班和消毒模式），使工藝生產環境控制更為有效。精確控制實需換氣次數，提高稀釋與自凈能力，降低運行冗余度，維持潔凈度，穩定壓差就是最大的節能?？梢哉f，智慧高效送風口是一種創新，成為潔凈空間有效控制的信息化、數字化、智能化的終端。
 
       研發的智慧高效送風口經檢測表明其結構設計成功，風口顯示值與基準值偏差均不大于±5%，產品性能合格。用于潔凈空間的智慧高效送風口顯示值是可信的，可作為現場驗收或確認值。滿足了設計要求，達到了研發的預期效果。目前產品已經定型，批量生產，推向了市場。廣泛應用于電子、制藥、生物、食品、醫療、實驗室、實驗動物房等潔凈室，解決了普通高效送風口存在的痛點與難點，更有效地保障潔凈空間的控制，實現了從規劃設計、施工安裝、運行維護全過程的節能。特別適用于潔凈空間的技術夾層較低、管路多、密度大的場合。正因為智慧高效送風口具有以上的特點，智慧高效過濾器將在潔凈空間有著非常廣闊的應用前景。