ISO 14644-16：2019《潔凈室及相關受控環境
——第16部分：潔凈室和隔離設備的能效》簡介*

中國建筑科學研究院有限公司 建科環能科技有限公司 張彥國

0 引言

2030年前“碳達峰”和2060年前“碳中和”戰略背景下，在各個可能的行業和環節全力推進節能減排，每位從業者都責無旁貸。

得益于生命科學、微電子、航空航天等高新技術的快速發展，潔凈室的建設速度和規模也達到了前所未有的程度。潔凈室的能耗比同等規模辦公建筑高10倍以上[1]，而且長久以來，由于潔凈室參數對工藝影響極大，通常是不惜代價保證功能，對潔凈室能耗方面關注很少，潔凈室工程節能潛力非?？捎^。2019年5月，國際標準化組織(ISO)發布ISO 14644系列標準《潔凈室及相關受控環境》第16部分《潔凈室和隔離設備的能效》，對潔凈室相關能效方面作出了規定，為優化潔凈室的設計、建造和使用，提高能源使用效率提供指導和建議。

1 背景

國內在潔凈室節能方面的工作近些年剛剛起步，2018年7月，由全國潔凈室及相關受控環境標準化技術委員會編制發布了GB/T 36527—2018《潔凈室及相關受控環境 節能指南》。一些發達國家關注較早，并已頒布相關標準，例如德國的VDI 2083：2011《Cleanroom technology—Energy efficiency》，英國的BS 8568：2013《Cleanroom energy—Code of practice for improving energy efficiency in cleanrooms and clean air devices》，俄羅斯的GOST R 56190：2014《Cleanrooms energy efficiency》等，美國的IEST-RP-CC 012.3《Considerations in cleanroom design》也包含了能耗方面的內容。ISO/TC 209-WG13工作組(其中包括中國代表)在相關標準的基礎上，經過多年的協商交流，形成最終文本。此外，ISO 14644-16的編制參考了ISO 50001《能源管理系統——使用指南》中的術語、原則和基本要求等。

2 正文內容簡介

ISO 14644-16正文包括15章，涵蓋潔凈室的全壽命周期。

首先是前言和內容簡介，其次是第1章“范圍”(Scope)、第2章“引用標準”(Normative references)、第3章“術語和定義”(Terms and definitions)、第4章“節能評估和實施過程”(Energy reduction evaluation and implementation process)、第5章“用戶需求對能耗的影響”(Impact of user requirement specification on energy consumption)、第6章“風量和修正系數”(Airflow volume and compensating factors)、第7章“電源管理：調低、關閉和恢復”(Power management: Turn-down, turn-off and recovery)、第8章“自適應控制”(Adaptive control)、第9章“熱負荷和冷負荷”(Heating and cooling loads)、第10章“風機和過濾器的選擇”(Fan and filter selection)、第11章“照明水平”(Lighting levels)、第12章“培訓”(Training)、第13章“運行”(Operation)、第14章“維護”(Maintenance)、第15章“停用”(Decommissioning)。

前言中簡單介紹了ISO組織、ISO 14644-16編制依據的規則、技術委員會等。

內容簡介中介紹了潔凈室能耗的特點、ISO 14644-16編制的意義、應用范圍等。有幾個重點：1) 潔凈室能耗很高，尤其是為保證風量和風壓所消耗的空氣系統能源。2) 新建潔凈室的精心設計、既有潔凈室的改進和升級，都能得到巨大的節能效果。3)潔凈室全壽命周期內的各個環節都有優化和節能機會，前期的設計非常重要，再有是加強運行監測分析和調試。

第1章“范圍”里簡述ISO 14644-16標準的目的、適用范圍。

第2章“引用標準”中提到ISO 50001《能源管理系統使用指南》，是本標準的上位標準。

第3章“術語和定義”，分為“一般條文”“與安裝相關的術語”“與能效相關的術語”“縮略語”4個小結，介紹了22個術語、9個縮略語。有幾個重點：1) 污染物去除效率(contaminant removal effectiveness，CRE)——忽略從過濾后的送風中進入室內的顆粒物時，排風/回風中測量到的顆粒物濃度與室內顆粒物濃度的平均值之比；2) 換氣效率(air change effectiveness，ACE)——污染事件后，潔凈室一個或多個位置的恢復率(recovery rate)與潔凈室總恢復率的比值；3) 調低(turn-down)——控制單向流潔凈室及潔凈空氣裝置的氣流速度或非單向流潔凈室的風量，以便在潔凈室不運行時節約能源；4) 用戶需求(URS)，對潔凈室節能非常重要，標準中專門用第5章來分析URS對能耗的影響。

第4章“節能評估和實施過程”共分13節，描述實施潔凈室節能項目的流程，以及流程節點上要重點關注的問題和細節措施。潔凈室節能是一個系統工程，必須要有科學的方法和流程，第4章中用一個流程圖把各個環節有機串聯起來，如圖1所示，這個流程圖是進行潔凈室節能工作的總框架。第4章中有幾個重點：1) 在4.3.1節中，提到確定潔凈室“主要能源使用”(significant energy use，SEU)的重要性。節能需要成本，只有確定了潔凈室“主要能源使用”，即節能工作的目標主體，才能有效證明投入和產出是否合理、有效。在中國工程建設標準化協會新編制的《潔凈室節能評價技術標準》中，將“潔凈室主要能源使用(significant energy use of cleanroom)”定義為“潔凈室為控制懸浮粒子濃度、壓差、氣載分子污染物、溫度、濕度等關鍵參數的能源消耗”，與生產工藝等相關的能耗不在標準關注和討論的范圍內。2) 用以對比的樣本或基準的選擇也十分關鍵，實際實施中會發現，沒有一個條件相同的標準樣本或理想狀態，可以進行同類比較或前后比較，因此，“比對樣本可以是另一個相似的潔凈室設施、以前經過優化的能源性能調試數據或基于以前經驗的計算比對樣本”等。不同的基準選擇會得出不同的節能效果評價。

圖1 節能的系統化方法——項目工作流程

第5章“用戶需求對能耗的影響”，內容不多，但強調了用戶需求的重要性，以及潔凈室內人員著裝水平對潔凈度和能耗的影響。人員是潔凈室內重要污染源，專業的潔凈服可以抑制人員產塵，進而可以降低潔凈室風量，實現節能。

第6章“風量和修正系數”，這一章強調了控制風量和風速對于降低非單向流和單向流潔凈室能耗的重要作用，并給出了風量的計算方法和估算程序。幾個重點：1) 將換氣次數(air change rate，ACR)和潔凈室級別脫鉤，即潔凈室風量和潔凈室體積無關，而取決于潔凈室內活動的性質及送風分配系統的設計。按照國內傳統的潔凈室風量設計方法，不同級別的潔凈室按照不同的換氣次數計算風量，這種傳統計算方法的出發點是認為潔凈室內塵源主要是圍護結構，潔凈室產生的污染和潔凈室表面積、體積相關。目前觀點認為潔凈室內的塵源主要來自于人員和操作，因此對于同樣操作和相同人數的潔凈室，房間體積即便相差很大，仍只需同樣的風量。2) 計算風量時應計算潔凈室的污染物去除效率(CRE)或換氣效率(ACE)，這其實是2種不同的計算方法，目前存在不同的意見。3)風量修正系數關系到風量冗余度的設置，應從不同的潔凈度報警限值和預測的CRE或ACE進行評估考慮。4)通常在設計階段，通過考慮發塵量、潔凈度報警限值、修正系數等來確定設計風量Q1(考慮冗余度)。在調試階段，根據實際運行效果，確定運行風量Q2，Q2

第7章“電源管理：調低、關閉和恢復”。藥品生產必須遵守《藥品生產質量管理規范》(GMP)，GMP中對生產車間的狀態作出了明確規定，在藥品生產過程中狀態要持續保持，一旦車間的運行狀態發生改變，需要重新進行驗證。因此生產藥品的潔凈室通常連續不間斷地保持同一狀態運行，即便是在不生產的時候，整個潔凈室也要“空轉”，因為GMP車間的驗證是非常復雜的。但隨著監測和調控技術的發展，該觀點也應有所改變，ISO 14644-16中反復提到的調低(turn-down)就是這個目的。筆者認為，潔凈室保持同一運行狀態的目的，是為了確保潔凈室運行參數持續保持符合藥品生產的質量要求，如果能夠提供充足證據，例如利用最新的監測技術及完善的事先工況驗證等，確保潔凈室在生產時能符合要求的狀態，在這種情況下，可以在不生產時“調低”甚至“關閉”(turn-off)。調低或關閉時應注意，要通過設置物理屏障、保證壓差、控制通道和入口、加強人員培訓等，盡可能防止室內污染，縮短自凈時間。

第8章“自適應控制”，明確提出通過潔凈室內的傳感器和分析儀器的反饋來進行風量的主動控制，是一種最節能的控制方案。

第9章“熱負荷和冷負荷”比較簡單，認為如果沒有特殊要求，溫濕度的控制范圍應該可以寬一些。

第10章“風機和過濾器的選擇”，潔凈室和一般建筑的重要區別，就是系統風量大、阻力高，因此選擇高效風機和低阻過濾器是潔凈室節能的重要途徑。在選擇風機時，盡可能選擇電動機直接驅動，并配備變頻控制器。選擇過濾器時，應盡可能選擇額定風量大的過濾器以降低阻力，同時設置預過濾器以防止末端過濾器的頻繁更換和容塵量超負荷。

第11章“照明水平”，非常簡單，只有幾句話，強調照明應可控并及時關閉，使用局部LED照明以降低背景照明。

第12章“培訓”，對于潔凈室的運行狀況和節能計劃的實施，員工的意識、素質、業務知識水平等，無疑是非常重要的，必須有計劃地進行員工培訓。

第13章“運行”，明確在運行過程中，應重點執行的操作規程和關注的重點，以及當出現含塵濃度升高時采取的措施。

第14章“維護”，簡單提出維修維護的原則要求及關注的幾個重點。

第15章“停用”，非常簡單，提示停用時要評估是否會對相鄰房間產生影響。

3 資料性附錄簡介

ISO 14644-16中有6個附錄，都是資料性的，附錄A“源強度：送風量及計算實例”(Source strength: Air volume and worked example)、附錄B“節能措施”(Energy saving opportunities)、附錄C“影響評估”(Impact assessment)、附錄D“基準化分析法：潔凈室的能源性能指標”(Benchmarking: Energy performance indicators for cleanrooms)、附錄E“減少過多的冷熱損失或獲得的有效措施”(Useful measures to minimize excess heating and cooling losses or gains)、附錄F“減小關鍵區域面積的示例”(Critical area reduction example)。6個附錄雖然是資料性的，但內容很豐富也很重要，篇幅和15章正文接近。

附錄A“源強度：送風量及計算實例”篇幅很長，分為5個小節。A.1小節“非單向流潔凈室送風量的計算”提出通過下式計算潔凈室風量：

(1)

式中Q為送風量，m3/s；D為潔凈室(人員和設備)總顆粒物散發率，粒/s；ε為通風效率指數(量綱一)；C為計算區域所需的氣溶膠顆粒物濃度，粒/m3。

A.2小節“通風效率”，詳細描述了通風效率指數ε，即換氣效率(ACE)和污染物去除效率(CRE)的定義、特點和計算公式等。換氣效率采用式(2)計算，污染物去除效率采用式(3)計算。

(2)

式中EAC為換氣效率；Rm為測量位置周邊潔凈室空氣的每小時換氣率；Rtot為房間所有潔凈室空氣的每小時換氣率。

(3)

式中ECR為污染物去除效率；C′為潔凈室排(回)風管道處每m3空氣中粒徑≥0.5 μm微?？倲?；Cavg為潔凈室內每m3空氣中粒徑≥0.5 μm微粒平均數。

如果潔凈室的空氣混合非常好，則ACE指數將為1，如果少于平均值的潔凈空氣到達測量位置，則ACE指數將低于1，如果更多空氣到達測量位置，則高于1。ACE指數可能介于0.7～1.3之間，CRE指數通常的范圍設定在0.3～1.0之間。

A.3小節“潔凈室顆粒物散發率”，簡述如何計算式(1)中的“D”值，需要將人員和設備的顆粒物散發率加在一起。A.4小節“計算非單向流潔凈室送風量的實例”，包括如何根據潔凈室級別要求和修正系數的設定，確定式(1)中的C值，最終計算出風量。A.5小節“單向流潔凈室風速的計算”，雖然風速越高，空氣中的污染物越低，但綜合考慮各種變量后，建議在很少或沒有活動的時間，風速可以降低到0.2～0.3 m/s之間，但是需要事先征得產品質量部對于降低氣流速度的同意。

附錄B“節能措施”，筆者認為也是ISO 14644-16中的一個重點內容，通過一個很詳細的表格列舉出所有潔凈室節能的機會，表格中將潔凈室整個壽命周期分為6個階段、31個要素：第1個階段是污染物源強度的評價階段；第2個階段是用戶需求(URS)階段，這個階段又分為7個要素，包括“性能需求、設施規模、人員數量、著裝要求、工藝設備負荷、工藝設備的適應性、隔離屏障技術的應用”；第3個階段是設計、翻修和建造階段，這個階段要關注13個要素，包括“單向流風速、非單向流風量、新風、排風、照明、系統選擇(集中的AHU還是分散的FFU)、調低的能力、空氣處理裝置和暖通空調設備、空氣過濾器、空調通風輸配系統、建筑管理系統(BMS)、環境管理系統(EMS、PMS、MMS)”；第4個階段是測試階段，包括調試驗證和定期測試2個要素；第5個階段是運行和維護階段，包括7個要素，分別為“操作能力培訓、監控、調低程序、關閉系統、潔凈室漏氣量、維修程序、清潔和保潔管理”；第6個階段，也是潔凈室的最終階段，即潔凈室的關停和報廢。在對每個要素的分析上，從“機會措施、重點考慮、可能的負面影響、風險管控的策略和工具”4個方面逐一進行要點分析。這個表基本上列出了潔凈室節能的各個環節，具有重要的參考作用。在ISO 14644-16編制中，強調潔凈室的針對性，因此對于動力站(冷熱源)方面并不涉及，筆者認為，潔凈室的冷熱源也非常有特點，例如潔凈室都是在內區，所以在圍護結構方面沒有任何節能潛力，潔凈室的供冷周期非常長，甚至有些潔凈室需要全年供冷，因此冷熱源方面也可列入節能的要素。

附錄C“影響評估”，比較簡單，強調在能源優化時，要充分評估對潔凈室性能的影響。

附錄D“基準化分析法：潔凈室的能源性能指標”，筆者認為也是ISO 14644-16的重點之一。用哪些指標來評估潔凈室的節能效果非常重要，指標要能代表潔凈室的特點。ISO 14644-16中列出的能效評估指標有“潔凈功率密度(PICR)”“潔凈用能密度(EICR)”“設施用能密度(EI)”，附錄D中，用3個小節詳細描述了3個指標的計算方法、特點等。PICR定義為“用于去除潔凈室空氣中污染物的風機功率與凈化區域總面積的比值，即潔凈室單位面積風機功率，單位為W/m2”。EICR定義為“用于去除潔凈室內空氣中污染物的風機全年用電量與凈化區域總面積的比值，即潔凈室單位面積每年的風機能耗，單位為kW·h/(m2·a)”。EI定義為“潔凈室全年綜合用能與凈化區域總面積的比值，單位為kW·h/(m2·a)”。PICR可以用來評價潔凈室通過提高風機效率、降低系統阻力、降低風量而產生的節能效果，與運行時間無關。EICR在PICR基礎上，還評價潔凈室通過值班工況、間歇運行、變頻調節等改變運行方式而產生的節能效果，全年運行工況有變化。EI是一年的潔凈室綜合用能，還包括空氣系統之外的其他能耗。筆者認為，3個指標略顯不足，關于潔凈室節能評價指標，在《潔凈室節能評價技術標準》中，補充了更多的指標，此部分內容可單獨成篇進行討論，本文篇幅所限，不再贅述。

附錄E“減少過多的冷熱損失或獲得的有效措施”，分供熱和制冷2節，分別描述如何降低冷熱負荷，提高供熱和制冷效率。

附錄F“減小關鍵區域面積的示例”，通過采用隔離設備等，把潔凈室關鍵區域的面積控制在一定范圍內，可有效降低潔凈風量，進而節能。

4 結論和建議

ISO 14644-16由ISO/TC 209國際標準化組織“潔凈室及相關受控化境”技術委員會負責，該委員會成立于1993年，秘書處設在美國ANSI(American National Standards Institute，美國國家標準學會)，會員24個，包括中國及美國、英國、德國、法國、日本、俄羅斯、巴西、澳大利亞等發達國家，觀察員國家21個。ISO/TC 209已經發布了17個潔凈室和相關受控環境的標準，包括14個潔凈室相關的ISO 14644系列標準，以及3個ISO 14698標準，其發布的標準在國際上有權威地位。在潔凈室節能相關領域，中國應和國際社會同步，充分吸收國際上已經達成共識的最新的技術要求和方法措施，在推進我國潔凈室節能的各項工作中應用。ISO 14644-16中重要新內容包括：1) 明確編制用戶需求(URS)的重要性；2) 不再按照潔凈室級別和體積計算風量，給出根據塵源強度等計算風量的方法；3) 梳理挖掘潔凈室節能的各個環節；4) 給出3個節能評價指標PICR、EICR和EI。標準給出了標準化、綱領性和指導性的建議，在推動潔凈室節能方面起到了重要作用，如何在國內具體項目上實施應用，還需要結合項目特點，進一步仔細研究探討。