2024第九届
上海国际空气与新风展览会

AIRVENTEC CHINA (SHANGHAI) 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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洁净空间送风末端的创新

0. 引 言
 
为了满足工艺过程的环境控制要求,或为了保证产品良率(如芯片生产),或遵循相关法规(如制药GMP),常常需要设置特定的洁净空间,满足环境控制的各项参数。所配备的净化空调系统除热湿处理装置外,还需要多道空气过滤甚至吸附装置,以保证工艺环境、并为室内人员提供舒适的工作环境。
 
如中国《药品生产质量管理规范(2010 年修订)》(以下简称 现行GMP)中第四十八条规定:“应当根据药品品种、生产操作要求及外部环境状况等配置空调净化系统,使生产区有效通风,并有温度、湿度控制和空气净化过滤,保证药品的生产环境符合要求”。并要求保持洁净区与非洁净区、不同级别洁净洁净区之间压差不低于10Pa,必要时,相同洁净级别不同功能区域之间保持适当的压力梯度。
 
洁净空间的净化空调系统的末端是高效送风口,是承担空气净化的最后一道关口。高效送风口成为洁净空间的关键部件,其风口的布风功能、空气过滤器的过滤性能及安装水平,都关乎着所在洁净空间的换气量、气流洁净度及均匀分布程度。
 
普通高效送风口由静压箱,高效过滤器、散流板三部分组成。与风管的连接有顶接和侧接两种形式。在送风侧设置调节风阀或密闭阀。为了满足周期监测或验证要求(如GMP),就须在高效送风口内高效过滤器上游配置发尘环与采样孔,发尘环连接发生气溶胶PAO的接口。
 
1.洁净空间普通高效送风口的痛点与难点
 
高效送风口在洁净空间应用很广。设置高效送风口多的场合,往往是大面积的非单向流的洁净空间。如药厂的C、D级的洁净生产车间,B级的洁净生产车间则须较密设置高效送风口,这需要在其技术夹层内布置庞大而复杂的送风管路系统。技术夹层内常常还需各种水、气、电以及消防等管路布置,互相交叉。为了保证洁净空间内各高效送风口的送风量达到设计风量,常常要在系统中配置调节阀、密闭阀、单向阀等,使得管路系统更为复杂(见图1),加大了设计和施工的工作量。
 
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图1 洁净空间技术夹层内复杂的管路系统
 
一般而言,高效送风口要求在洁净空间上方均匀布置,各送风口的设计风量相同。通常为各送风口配置的调节阀。在系统调试时,如要调节高效送风口的送风量,必须要人爬入技术夹层,另一人在风口下测风量。靠人逐一、反复调节高效送风口旁设置风阀。由于一般调节风阀是压力相关型,当改变一个高效送风口风量就会影响到其他高效送风口的风量,调试工作量很大,难以使非单向流洁净空间各送风口达到设计风量,因而空间内气流难以均匀分布。
 
净化空调系统长期运行过程中因高效过滤器积尘等原因,洁净空间会发生动态变化,又需要逐一调试和设定。在运行期间如管路系统配置的风阀万一出现了问题,又需人爬入技术夹层进行维修,还得再调试。为此,GMP要求对每个送风口进行周期监测或验证。
 
普通高效送风口更难以满足生产环境实现运行、值班、消毒状态的多模式工况的转换。
 
可见普通的高效送风口给施工、调试以及日后运行维护带来了很大的工作量。
 
为了维持洁净室内各风口的风量稳定与系统平衡,设计人员不得不为每个高效送风口配置一个压力无关型的定(变)风量阀,并按照该定(变)风量阀要求配置一定长度的进出风管(见图2),以保证定(变)风量阀的调节性能,从而加大了设计工作量。另外,进风管长度通常不小于定风量阀管径B的1.5倍,而出风管长度不小于定风量阀管径B的0.5倍,再接上普通高效送风口(见图3),整个接管高度不小,这就要求技术夹层一般不宜低于1.6m。因此,普通高效送风口难以适用于技术夹层低的洁净空间。
 
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图2 定风量阀对进出风管长度要求
 
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图3 高效送风口标准接管图
 
针对上述普通高效送风口的种种痛点,急需研发一种特殊性能的新型高效过滤送风口装置。
 
2. 新型高效送风口的研发思路
 
要破解普通高效送风口以上种种痛点与难点,认为关键因素是要将高效送风口、定风量阀与相应调控一体化,才有可能缩小高效送风口及附件的体积,降低对安装空间要求,简化管路布置,降低设计、安装、调试与维护工作量。
 
研发工作主要从以下几方面入手:
 
1)将高效送风口外置的压力无关型定风量阀变为内置在送风口内,合为一体。内置定风量装置只需满足进风管路要求,出风无接管,缩小了体积;
 
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1.进风口2.定风量阀3.高效过滤器4.压块5.吊顶6.吊耳7.控制线8.电控板9.扩散板
 
图4 智慧高效送风口结构
 
2)选择合适的定风量阀、选用无易损件(如气囊、弹簧件)、不易堵塞(如毕托管)、易维护的压力无关型定风量装置;
 
3)定风量装置具有通讯接口,可与有线或无线通讯连接,且能数字化传输;
 
4)开发控制面板可按需发送有线或无线信号对所在空间内高效送风口进行远程设定、调控与就地群控,通过程序设置便于生产环境实现运行、值班、消毒工况转换。
 
5)高效送风口的高效过滤器的拆装方式简便,不渗漏,万一定风量阀出现问题,便于在室内对定风量阀维修与更换,无需进入技术夹层;
 
针对所开发的新型高效送风口的性能与特点,我们称之为“智慧高效送风口”。
 
研发智慧高效送风口,除了其机械结构设计功能性、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等基本要求外,更注重能同时满足高效送风口、定风量阀与调控的性能需求,还要满足其一体化要求,这涉及到内置定风量阀与高效过滤器的相对位置,及均流板的设置等内部结构设计问题。通过了CFD反复模拟,删除均流板,使内部气流流动顺畅、减少湍流(见图5),以保证定风量阀调节精度,及送风口风速均匀,实现了产品外形与内部结构最优化(见图6)。并根据洁净空间设计要求,开发出几种不同型号、不同额定风量、不同接口的智慧高效送风口。
 
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图5 送风口内置均流板干扰气流
 
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图6 智慧高效送风口气流最佳化
 
3.智慧高效送风口性能验证
 
为了验证所研发的智慧高效送风口性能,建立如图7所示的检测装置。设有检测台的风道、前用接管连接智慧高效送风口,其出风面再用便携式风量罩检测。理论上整个检测台是以同一风量通过,但整个检测台配有的风道喷嘴差压式流量计、智慧高效送风口风量计以及风量罩风量计,这三处的风量计的检测原理、类型、精度不同,三者检测值会有所不同,或者说有偏差。
 
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1.风道喷嘴流量计表,2.检测风道,3.变径管,4.智慧送风口风量显示器,5.直管段,6.智慧送风口,7.风量罩,8风量罩风量显示器
 
图7 智慧高效送风口性能检测台
 
检测台分别对额定风量为500m3/h、1000m3/h、1500m3/h以及2000m3/h四种智慧高效送风口进行检测,针对这三处检测风量值不同代表值及如下思路对检测数据进行数理统计:
 
1)检测台的风道中设置的喷嘴差压式流量计,标准化程度高,计量数据真实可信,作为标定的计量用表。以其检测风量值作为检测台的基准值;
 
2)智慧高效送风口的风量显示值,表明送风口调节与定风量的性能;
 
3)便携式风量罩风量计(PDA)显示的检测值,看作现场检测的基准值。
 
4)设置不同比例额定风量下,风道喷嘴流量计检测值与智慧送风口显示值的绝对偏差,与相应内置的定风量装置自身性能比较。
 
5)风道喷嘴流量计检测值与智慧高效送风口显示值的相对偏差,可以作为产品的性能评价与标定偏差;
 
6)风量罩现场检测值与智慧高效送风口显示值的相对偏差,可以认为现场检测值的偏差值。
 
7)以“相对偏差 = [(送风口风量显示值-基准值)/基准值]×100%”统计检测数据。
 
表1 智慧高效送风口设定100%风量的检测数据
 
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表2 智慧高效送风口设定80%额定风量的检测数据
 
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表3 智慧高效送风口设定70%额定风量的检测数据
 
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表4 智慧高效送风口设定50%额定风量的检测数据
 
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检测结果表明:在不同比例额定风量设置下,风道喷嘴流量计检测值与智慧送风口显示值的绝对偏差,分别与相应内置的定风量装置自身性能比较,处在同一偏差水平,说明智慧高效送风口的结构设计成功,没有影响到内置定风量阀的性能与控制精度。
 
从表1-4分析可以得出:不同比例额定风量设置下,风道喷嘴差压式流量计检测值与智慧高效送风口显示值的相对偏差小于厂标的限定值(不大于±5%),表明研发产品性能合格。另外,显示出风量罩检测值与智慧高效送风口显示值的相对偏差(可以认为现场检测值的偏差值)不大于±5%,表明现场检测相对偏差值符合GMP要求,可以认定智慧高效送风口显示值是可信的,可作为现场验收或确认值。只要便携式风量罩性能达标,且在标定期内,与风道喷嘴差压式流量计检测值的偏差值均处于一个等级。
 
洁净空间,如药品的生产环境中推荐高效送风口按额定风量70%选用,在C级及D级区域高效送风口可以按额定风量80%选用。由检测结果可知在额定风量的70%-80%内智慧高效送风口与基准值的偏差更小。
 
4.智慧高效送风口在洁净空间的应用
 
要实现工艺过程所需的环境,必须达到合规的换气次数,合适的过滤系统,以及合理的气流组织,其中稳定的换气量是必要条件。由于净化空调系统长期运行过程中因高效过滤器积尘,以及工艺环境会发生动态变化等原因,要求动态维持室内各风量稳定与平衡控制,以维持稳定的压差控制。对此,洁净空间内高效送风口性能至关重要。
 
智慧高效送风口相比于普通高效送风口及附件,由于结构紧凑、体积缩小,简化了技术夹层内的管路布置,降低对安装空间要求。使得智慧送风口特别适用于技术夹层较低、管路多且密度大的场合,如食品、生物、医疗、实验室、实验动物房的洁净空间,也能保证这些场合的非单向流洁净空间的实需换气量和均匀的气流分布,减少了涡流和回流,提高了稀释作用,达到更好的净化效果。
 
由于智慧高效送风口工厂化批量生产,质量可控,相比于普通高效送风口及附件组合的性价比更高。采用智慧高效送风口使得净化空调系统的设计、安装、调试与维护最简化,大大减少了工作量,加快了工程设计、施工安装与调试的进程,也降低了相应工程费用。
 
为了便于系统调试、验证、运营、周期监测以及多模式运行工况(运行、值班、消毒)转换,配置触摸屏控制器与智慧高效送风口有线或无线通讯。
 
智慧高效送风口自带RS485通讯接口,触摸屏控制器采用MODBUS-RTU协议与送风口有线通讯(图8),多台智慧送风口控制可以通过增加以太交换机和协议转换器来进行群控。触摸屏可以显示送风口实时风量、阀门开合角度、高效过滤器阻力等参数,也可以通过界面设定送风口所需风量,可实现单控及分组群控的功能。
 
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图8 智慧高效送风口有线通讯
 
智慧高效送风口也可通过RS485接口连接到4G数传终端,数传终端接收来自送风口传输过来的数据,然后通过LTE无线网络,把数据送到监控中心后台服务器,同样也接收来自监控中心服务器的各种数据和控制指令,发送到送风口实现无线控制(见图9)。
 
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图9 智慧高效送风口无线通讯
 
由于智慧送风口可以远程控制,洁净空间内任一智慧高效送风口可由控制面板发送有线或无线数字信号精确设定其送风量,全程监测风量,自动恒定送风量。在需要调整洁净空间送风量也可以对任一高效送风口再设定,或者说随时按需来控制送风量。在调节或再设定不会影响到同一净化空调系统的其他送风口的送风量。更不需要爬入技术夹层,靠人工逐一、反复调节风阀,大大减少调试时间及相应的人工费用。
 
另一方面,控制面板不仅可显示智慧高效送风口内高效过滤器的实时阻力,而且也可方便实时显示所在空间的换气量、温度、湿度、压差等参数,使运行维护工作更加方便、有效。
 
上述检测表明,智慧高效送风口在控制屏显示的实时风量与检测风量的误差在GMP允许范围,可以替代再确认与再验证的大量检测量,送风量稳定,风量数据可存储、可追溯,有效保障了药品生产GMP的要求。
 
对于洁净空间而言,为保证生产环境处于受控状态,在动态污染干扰下,为能维持洁净度级别所需的“恢复时间”,常常采用冗余设置。因此能安全有效地管理洁净空气,提高稀释与自净能力,降低设施冗余运行,精确控制实需送风量,维持稳定的压差就是最大效益。实现了从规划设计、施工安装、运行维护全过程的节能降耗。
 
5.结语
 
针对普通高效送风口的痛点与难点,研发了智慧高效送风口。智慧高效送风口的关键创新点在于实现了高效送风口过滤与分布、定风量与调控功能于一体。配置合适的定风量装置、远程调控与就地群控,简化了净化空调系统的设计、安装和调试,可方便转换多模式运行工况(正常运行、值班和消毒模式),使工艺生产环境控制更为有效。精确控制实需换气次数,提高稀释与自净能力,降低运行冗余度,维持洁净度,稳定压差就是最大的节能。可以说,智慧高效送风口是一种创新,成为洁净空间有效控制的信息化、数字化、智能化的终端。
 
研发的智慧高效送风口经检测表明其结构设计成功,风口显示值与基准值偏差均不大于±5%,产品性能合格。用于洁净空间的智慧高效送风口显示值是可信的,可作为现场验收或确认值。满足了设计要求,达到了研发的预期效果。目前产品已经定型,批量生产,推向了市场。广泛应用于电子、制药、生物、食品、医疗、实验室、实验动物房等洁净室,解决了普通高效送风口存在的痛点与难点,更有效地保障洁净空间的控制,实现了从规划设计、施工安装、运行维护全过程的节能。特别适用于洁净空间的技术夹层较低、管路多、密度大的场合。正因为智慧高效送风口具有以上的特点,智慧高效过滤器将在洁净空间有着非常广阔的应用前景。
 
(文章来源: 净化空调网)

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