对国内与国际洁净室节能新标准的综合评述

Part1、引言

世界各国达成共识，认定温室气体超量排放是导致全球气候反常、极端天气频繁的元凶，陆续在不同程度上，把节能减排列为国计民生和经济发展的重要方略，并达成和签署了多个国际协议。以主要的温室气体二氧化碳的排放量来看，虽然我国的人均排放量远低于西方工业国家，但排放总量己占据世界第二位。甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也跃居世界前列。尽管我国仍属发展中国家，但从“人类共同体”的理念出发，为世界勇担责任，在2020年9月的第75届联合国大会上，国家主席习近平代表我国做出承诺：中国力争2030年前二氧化碳排放量达到顶峰，努力争取2060年前实现碳中和。处在当前单边主义盛行的复杂国际环境下，此项目标对于正在努力发展经济、提高科技水平并全面迈向小康社会的中国来说，无疑是高标准的。兑现上述承诺的漫长历程肯定是十分艰辛和困难的。各行各业都责无旁贷，只有齐心合力，才有可能达到目标。洁净室及相关受控环境及洁净装备的高能耗是历来存在的难题，似乎是洁净行业科学技术、工程设计及运行管理人员心目中，长久挥之不去的魔障。或许此时正是借此东风，全力促进洁净室行业在节能技术方面有所突破的机会。恰在此刻，为适应形势发展的需要，国内、国际先后分别颁发了针对洁净室节能措施的两个重要标准：GB/T36527-2018《洁净室及相关受控环境节能指南》[1]。ISO14644-16：2019洁净室及相关受控环境-第16部分：《洁净室及隔离设备的能效》[2]。这两个标准从不同角度为洁净室及相关受控环境的节能指明了方向，为洁净行业破除超高能耗的魔障，提供了武器和路径，值得学习与研究。本文将就这两个标准的要点与特色，予此评述。期待与同行一起来探讨，以助力于节能减排举措在洁净行业不断推进。Part2、GB/T36527-2018《洁净室及相关受控环境节能指南》由国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会，于2018-7-13发布，2018-11-01实施的推荐性国家标准《洁净室及相关受控环境节能指南》，是由国内多年从事于电子、宇航、军工及制药等行业洁净室设计、施工及测试的专家们，集几十年的丰富经验编写而成。该指南从理论到实践，从整体到局部都给予了洁净室节能明确的方向。该指南在概述中明确指出，其目标或节能关注点主要是：1）优化净化空调系统及冷热源系统的“热传递过程”。2）合理回收和利用各种品位的余热，充分利用自然环境的热能。3）利用热泵系统。4）采用燃气冷、热、电联供，提高一次能源利用率。此概述开宗明义地表白，该指南的节能着眼点，主要放在洁净室及相关受控环境工程项目的初始阶段，即在工程项目规划、设计过程中予以关注和落实。从该指南所建议的洁净室节能实施路径可见一斑。在该指南的《洁净室节能路径提示》中，主要依照设计工作进程顺序，逐一列出“减少能量消耗路径”如下：2.1洁净室环境参数和布置的合理性《洁净室及相关受控环境节能指南》所给节能路径的首要一步是，“分析生产工艺技术条件，进行参数和布置优化”。尽管该指南并未就这方面内容具体展开，但意图是明确的。虽然生产工艺部门居主导位置，空调净化行业仅处于服务与协作的地位。尤其是绝大多数洁净室从属于电子、宇航、军工及制药等重要部门，不容等闲对待。但从洁净室节能的角度出发，则必需切实关注工艺对洁净级别、级间压差及温湿度等方面的要求和流程的合理性，了解工艺不同部位对环境要求的差异，探求在保障工艺关键部位要求的同时，尽可能推荐采用隧道式、管道式或洁净屏等混合流模式，以缩小高级别、单向流的面积[3]，从根本上减轻空调净化系统的负荷，以达到节能的目标。确实在某些洁净室曾经因为空调净化系统设计欠妥或控制不当，发生过环境参数不达标，以至影响工艺或科研的情况。业主往往因顾忌这种失常状况的发生，因而对环境参数本着就高不就低，甚至层层加码地提升指标。例如，多家药厂的经验表明，无菌制剂冻干车间的收粉、分装洁净室相对湿度全年控制在45%以下，即可防止结块或变质，确保产品质量。但笔者就曾在承接済南某药厂的设计时，碰到业主要求按35%设计的情况，若按业主意向行事，不仅需要改变冷媒参数加大电耗，而且冷耗量也增多20%左右。我方依据其他药业的工程实践、焓湿图处理过程的计算分析，以及空调自动控制方案对室内温湿度参数的保障等多方面，再三予以解说，才算获得业主技术主管的认可[4]。最终该药厂冻干车间洁净室投入运行多年，环境参数稳定，产品质量优良。在洁净室设计送风量上，业主要求增大换气次数的情况更屡见不鲜。笔者在佛山市美、港合资的荣威电子厂、广东英德华侨微电子厂和深圳本鲁克斯电子厂等项工程中都曾碰到类似情况。经与业主技术主管反复交流，既认真了解工艺需求并缓解他们对施工质量、运行管理水平缺乏信心，盲目提升技术条件的想法，最终都达成协议，既留有适当余量，又不过分拔高，以保证运行节能和为今后发展留有余地。2.2空调净化系统的流程与节能GB/T36527指南根据洁净室的实际应用，列举并比较了5种较为典型的空调净化系统的流程。并在附录A中以设定的地域、几种洁净级别、不等的室内显热和新风量为例，给出了一次回风系统、二次回风系统、AHU＋FFU系统、MAU＋FFU＋DC系统等总的夏季冷耗的计算值。通过比较可以明显看出，根据工艺需求合理选择空调净化系统的流程，对洁净室节能的重要性。此外还特别提示，在空调净化系统设计时，从节能角度应予关注的诸多方面。1）合理划分空调净化系统，便于调节与分别控制，以利于运行过程中节能。2）尽可能采用空调与净化风量分离，即热湿处理分家的模式，以便于利用中温冷冻水，有助于提高制冷机能效等。3）消除空气处理过程的冷热抵消现象，避免采用电加热等方式作为调温手段。4）在保证作业人员必要的新风量前提下，通过工艺排风采取密闭围挡、洁净室围护结构提高气密性等措施，尽可能减少新风补给量。5）选用高效节能的风机、水泵等设备，并配置变频措施，以便于节能调控。6）在保证过滤效率要求的前提下，选用低阻、高容尘量的过滤设备。2.3冷热源系统的节能尽管冷热源系统节能是所有工程都需要关注的项目，但GB/T36527-2018《洁净室及相关受控环境节能指南》用较多篇幅、格外突出地予以表述，正是反映了主编该指南的国内专家们，积多年设计洁净室重大工程项目的切身体会和经验总结，认为洁净室节能必须在冷热源系统方面统筹全局、把控源头才能成效显著、事半功倍。该指南提出，设计中要根据空调净化系统、产品生产工艺和公用动力系统供冷、供热的要求，合理确定温度、流量、压力等参数及系统配置和设备选型。应根据所在地区和工程的特点，综合利用低品位热能和可能获得的余热。并列举了在洁净室工程项目中，经常可能获得利用的一些能源。1）冷凝机组冷凝热：洁净厂房一般都设有不同类型、功率极大的冷水机组。充分利用冷水机组在制冷同时产生的冷凝热可节约大量热能。该指南列举了热交換器与冷却塔并联或串联的单冷凝器热回收系统；无冷却塔的单冷凝器热回收系统，以及可提供较高水温的双冷凝器热回收系统等多种应用方式。2）压缩机排热：在电子等类洁净厂房，净化、干燥压缩空气的压缩机排气热常见。冬季时排气热一般也在120℃左右，可直接利用或通过循环冷却水将压缩空气冷却至常温，同时得到30℃~40℃的低温热水。3）环境自然冷却的利用：洁净室通常全年需用冷源。在过渡季、冬季时无需启动制冷机，利用冷却塔的循环冷却水经板式换热器将空调用水降温至需要温度。或采用制冷系统增设储液罐及旁通和电控阀等装置，当冷却水温低于冷冻水温的季节，靠制冷剂的重力流动形成制冷循环，为空调系统供应冷冻水。4）关注各种可能的热源充分利用热泵系统。倡导在天然气供应充足的地区采用燃气冷电联供分布式能源系统。Part3ISO14644-16《洁净室及隔离设备的能效》近十年来，一些科技先进、洁净技术广泛应用的国家，对洁净室节能问题日益关注，结合各自国情陆续出台了引导洁净室节能的相关标准。如早在2008年，美国的IESTRP-CC012《洁净室设计中的考虑》，（Considerationsincleanroomdesign）己从多方面提及节能的问题。此后，德国的VDI2083:2011《洁净室技术-能效》，（Cleanroomtechnology-Energyefficiency）；英国的BS8568:2013《洁净室能量－改善洁净室和空气净化装置能效的实践标准》，（Cleanroomenergy－Codeofpracticeforimprovingenergyefficiencyincleanroomandcleanairdevices）；和俄罗斯的GostR56190：2014《洁净室能效》（CleanroomsEnergyefficiency），都对洁净室的节能方面，给予了高度关注[5]。正因为洁净技术随电子、生物等高科技的发展，应用日益广泛而能耗巨大。多国对出台洁净室节能的国际标准要求迫切。从ISO/TC209技术委员会立项，并成立编制洁净室节能标准的WG-13工作组，众多国家踊跃加盟。成为了截止目前，仅次于ISO14644-1洁净室分级标准之外，参与国最多的课题，中国也在其中。ISO14644-16标准《洁净室及隔离设备的能效》成文过程中，加盟各国的代表依据自身的经验，议论纷纷、各抒己见。从现在所颁发的文本来看，虽未必完美但确实有较大的实用价值。就笔者对该标准特点的初步体会评述如下。3.1节能实施步骤按该标准的说法：“新建洁净室和现有洁净室的改造，尽管起点和数据不同，但节能的步骤相同”。所以该标准给出的“节能的系统化方法-项目流程图”，对于新建和改建项目主要路径是相同的。一则因为广泛应用洁净室的电子、生物等科技发展迅速、设备及工艺更新变化快。再则，与洁净室空调净化相关的设备及产品能效持续提升，某些业主期待改善洁净室的高耗能运行状况，所以洁净室改造与翻新的工程项目一向繁多。ISO14644-16标准把关注改建洁净室与新建洁净室的节能举措，放在同等的重要位置。在上述指导思想下，该标准把洁净室节能作为一项系统工程来看待，相应地给出了实施的方法和路径。所制定的节能路线，既适用于新建的设计项目，又涵盖了改建的各类洁净室的工程。按ISO14644-16标准给出的节能项目流程图，这两大类工程除前期略有所别之外，其余主要节能实施步骤完全一致。或许该标准強调其针对于洁净室和隔离设备的节能，所以把节能的关注点主要集中在空调净化系统。笔者感觉这在一定程度上使其涵盖面受到局限，影响了该标准以更宽的视野探寻节能目标。3.2能源效能比对ISO14644-16标准把所关注项目与参照对象或对比物的能源效能进行比对的方法，列为实施洁净室节能的首要步骤和依据。用比对结果以评估所关注的洁净室的能效状况，为本项目节能探求机会和借鉴途径。比对的参照物或对象，可以是其他工艺、规模、环境等等类似的洁净室，或经过能效调整的过往数据、以前经验计算的结果等等。在该标准的附录D中给出了一些能源效能比对指南，可供参考。通过比对、分析所关注洁净室或洁净设备的能耗与成本，与对照物或参照对象的差异，探寻可能的节能项目并进行筛选。该标准指出，因为采取任何一项节能举措，都难免涉及相关费用等资源。确定节能项目之前必需判定投入和产出是合理的、有价值的。该标准的附录B给出了相应目录，供进行此项工作时参考。3.3审核用户要求和节能项目ISO14644-16标准強调：无论是新建、改建的洁净室或某个隔离装置的节能改造，在项目设计、实施前都必须与业主充分沟通。对用户要求和项目范围进行认真审核。用户需求是洁净室或洁净设备的根本目标，而用户要求的技术指标合理与否，往往直接影响能耗等方方面面。在这方面与GB/T36527指南完全一致。ISO14644-16标准要求，必须与用户共同探求并确定，既满足工艺流程、产品质量和人员安全、舒适等方面的具体技术指标，在考虑符合节能目标的洁净系统型式和各项参数的同时，还要注意空调净化系统保有适当的灵活性，留有一定的裕量，为将来提升产品质量或产量留有余地。在此基础上，与业主共同探求可能采取的节能措施，并分析节能项目可能产生的影响，以及评估节能项目生命周期的成本。在该标准附录B中给出了对节能项目审定的如下路径：可行性－工艺相容性－风险－安全－费用－投资回报－动机（如政府推动）－实施资源－业务连续性。3.4设计阶段的风量预估洁净室的巨大通风量是其空调系统能耗的重要源头，而从来非单向流洁净室都是依据经验换气次数，单向流洁净室依据经验的平均风速来确定风量的。为此ISO14644-16标准用了较多篇幅议论洁净室的污染源强度与通风量，意图通过较为可靠和有所实际依据的方法来确定风量。在其附录A中为所列出的非单向流洁净室送风量通用计算公式，给出了换气效果指数（AEC,airchangeeffectiveness）或去污效果指数（CRE,contaminantremovaleffectiveness）两个参数，以作为该计算式中通风效率的可选替代值。而这两个参数值的获取，都需要通过洁净室空调净化系统的实测，方能得到。也就是说，设计阶段只可能凭经验假设。再者，风量计算的基本依据，室内污染物的发生量也很难统计。随着人工智能技术的发展，多数大型电子和精密制造洁净厂房操作人员很少，而代以各种类型的机器人、传送装置等。而这些不同工艺种类繁多的设备，以及各式各样的操纵装置的产尘量，几乎无资料可查。指望业主提供也是“天方夜谭”。笔者认为，截止目前ISO14644-16标准所给出的非单向流洁净室风量计算方法，可以应用并多少能反映实际的场所有限。例如某些以人员产尘量为主的小型洁净室：仪表装配间、手术室、药品外包间等[6]。ISO14644-16标准的编写人员了解这种实际状况。所以对风量预估计算数值给了一个补偿因素Smf作为计算数据不确定性的“冗余量”。从该标准附录A所给计算示例来看，补偿因素的数值幅度较大。可见风量预估计算很不靠谱。该标准在强调“因为通风换气数不能说明污染粒子的产生量及其他控制因素，所以不应将其作为洁净室独立的基本验收标准使用。”的同时，也对风量预估计算结果也给出了两点提示：“这些计算数据仅作为指导采纳。…在设计中应充份考虑可调节性。”“计算数据不应取代洁净室业主要求或商定的合约风量或换气次数。”3.5测试阶段的风量调整笔者认为，此项内容是ISO14644-16标准中实施洁净室节能的核心、也是最实际的举措。该标准明确指出，此项测试有别于ISO14644系列标准中-1、-2、-3和-4等部分标准所规范的风量测试的目的，而是在这些测试以外的，一项额外的风量测试项目。其目的是确定所设计风量与工艺的适合性。也就是说洁净室设计时，因为种种不确定性，不得不层层加码而留有相当的裕量。只有在洁净室建成或翻新改造完成后，才有可能通过实际测量以确定，在滿足工艺需求前提下，有无减少风量或调低风速，以实现节能的目标。ISO14644-16标准给出的设计－测试－运行，并最终确定洁净室送风量的步骤顺序如图1所示。图1确定风量的步骤顺序ISO14644-16标准给出的上述确定实际运行风量的步骤，就是要求在洁净室正式投入运行之前，对所设计的通风量进行实际考核。确认在满足工艺需求条件下，达到调低风量或风速，以提高洁净室能效的目标。Part4、结语西方某些国家极力推行单边主义，意图在经济、科技与国防等各方面限制中国的进步。在这种复杂的国际环境下，为配合国家建设与发展的需要，中国洁净技术行业必将迎来更大的发展、承担更多的任务和职责，节能减排的重任不容推卸。落实、用好国内、国际所推出的这两个洁净室节能新标准，将有助于洁净行业适应新形势，在科技水准方面更上一层楼。笔者结合这两个标准的实施有如下认识与建议。4.1节能产品的研发与推广国内、国际的这两个洁净室节能新标准都一致强调，洁净室实现节约能耗、提升能效都离不开节能设备和产品的持续研发与推广。在当前的国际环境下，无容质疑强化高效节能产品的研发尤为重要。但从前些年的实况来看，国内研发投入的资金贫乏，持续深入进行的科研课题稀缺，自主研发创新的成果少见，坚持在研发岗位的人员稀少。长此以往，国内洁净行业的水准与国际水平将不断拉大。高能耗的洁净室可能会成为科技进步的绊脚石。加强洁净行业内节约能耗方面的宣传与培训，让从业人员重视节约能耗，关注高能效的产品和设备，总结并交流在洁净室节能方面的经验，促进全行业的节能意识。另方而也需要在能耗方面规范市场，加强洁净行业内节约能耗的宣传与培训。阻止某些急功近利、粗略仿制的产品、高能耗的设备在市场泛滥，这种状况必须有所控制，不能再让前几年在华南地区，仅千元左右的FFU畅销，而节能优质的产品反被竞标排挤出市场的状况出现。4.2重视新技术的应用ISO14644-16标准推荐在洁净室通风设计中，采用计算流体力学（CFD－ComputationalFluidDynamics）预测通风效果，为节能提供依据。传热与流体流动问题的研究主要采用实验和理论计算两种方法。实验所得资料相对可靠，但其成本高也不能用于预测。而理论计算不仅效率高、成本低而且可获取的信息和资料更多。同时该标准还推荐采用示踪气体的方法来判断换气与去污的效果，并特别提到洁净行业熟知的英国专家怀特及其团队，通过实验证明可用尘粒计数器测定粒子浓度替代示踪气体，在洁净室使用更为方便[7]。这些技术和手段，有助于设计时节能方案的选定，有助于节能措施在现场的调整，值得国内洁净室设计、施工和运行单位关注。宜尽快添置必要的设备、软件，增设专门的部门或添加人手，熟悉掌握这些有助于洁净室节能方案选定的技术。在利用这些先进技术手段的同时，依旧要重视现有洁净室通风空调系统的运行经验、从中分析归纳节能的方法和途径，