0. 引 言
 
       為了滿足工藝過程的環(huán)境控制要求，或?yàn)榱吮ＷC產(chǎn)品良率（如芯片生產(chǎn)），或遵循相關(guān)法規(guī)（如制藥GMP），常常需要設(shè)置特定的潔凈空間，滿足環(huán)境控制的各項(xiàng)參數(shù)。所配備的凈化空調(diào)系統(tǒng)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(huán)境、并為室內(nèi)人員提供舒適的工作環(huán)境。
 
       如中國(guó)《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱 現(xiàn)行GMP）中第四十八條規(guī)定：“應(yīng)當(dāng)根據(jù)藥品品種、生產(chǎn)操作要求及外部環(huán)境狀況等配置空調(diào)凈化系統(tǒng)，使生產(chǎn)區(qū)有效通風(fēng)，并有溫度、濕度控制和空氣凈化過濾，保證藥品的生產(chǎn)環(huán)境符合要求”。并要求保持潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)、不同級(jí)別潔凈潔凈區(qū)之間壓差不低于10Pa，必要時(shí)，相同潔凈級(jí)別不同功能區(qū)域之間保持適當(dāng)?shù)膲毫μ荻取?br/> 
       潔凈空間的凈化空調(diào)系統(tǒng)的末端是高效送風(fēng)口，是承擔(dān)空氣凈化的最后一道關(guān)口。高效送風(fēng)口成為潔凈空間的關(guān)鍵部件，其風(fēng)口的布風(fēng)功能、空氣過濾器.html'>過濾器的過濾性能及安裝水平，都關(guān)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(fēng)口由靜壓箱，高效過濾器、散流板三部分組成。與風(fēng)管的連接有頂接和側(cè)接兩種形式。在送風(fēng)側(cè)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)閥或密閉閥。為了滿足周期監(jiān)測(cè)或驗(yàn)證要求（如GMP），就須在高效送風(fēng)口內(nèi)高效過濾器上游配置發(fā)塵環(huán)與采樣孔，發(fā)塵環(huán)連接發(fā)生氣溶膠PAO的接口。
 
       1．潔凈空間普通高效送風(fēng)口的痛點(diǎn)與難點(diǎn)
 
       高效送風(fēng)口在潔凈空間應(yīng)用很廣。設(shè)置高效送風(fēng)口多的場(chǎng)合，往往是大面積的非單向流的潔凈空間。如藥廠的C、D級(jí)的潔凈生產(chǎn)車間，B級(jí)的潔凈生產(chǎn)車間則須較密設(shè)置高效送風(fēng)口，這需要在其技術(shù)夾層內(nèi)布置龐大而復(fù)雜的送風(fēng)管路系統(tǒng)。技術(shù)夾層內(nèi)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(nèi)各高效送風(fēng)口的送風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)量，常常要在系統(tǒng)中配置調(diào)節(jié)閥、密閉閥、單向閥等，使得管路系統(tǒng)更為復(fù)雜（見圖1），加大了設(shè)計(jì)和施工的工作量。
 

 
       圖1 潔凈空間技術(shù)夾層內(nèi)復(fù)雜的管路系統(tǒng)
 
       一般而言，高效送風(fēng)口要求在潔凈空間上方均勻布置，各送風(fēng)口的設(shè)計(jì)風(fēng)量相同。通常為各送風(fēng)口配置的調(diào)節(jié)閥。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，如要調(diào)節(jié)高效送風(fēng)口的送風(fēng)量，必須要人爬入技術(shù)夾層，另一人在風(fēng)口下測(cè)風(fēng)量。靠人逐一、反復(fù)調(diào)節(jié)高效送風(fēng)口旁設(shè)置風(fēng)閥。由于一般調(diào)節(jié)風(fēng)閥是壓力相關(guān)型，當(dāng)改變一個(gè)高效送風(fēng)口風(fēng)量就會(huì)影響到其他高效送風(fēng)口的風(fēng)量，調(diào)試工作量很大，難以使非單向流潔凈空間各送風(fēng)口達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)量，因而空間內(nèi)氣流難以均勻分布。
 
       凈化空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中因高效過濾器積塵等原因，潔凈空間會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，又需要逐一調(diào)試和設(shè)定。在運(yùn)行期間如管路系統(tǒng)配置的風(fēng)閥萬一出現(xiàn)了問題，又需人爬入技術(shù)夾層進(jìn)行維修，還得再調(diào)試。為此，GMP要求對(duì)每個(gè)送風(fēng)口進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)或驗(yàn)證。
 
       普通高效送風(fēng)口更難以滿足生產(chǎn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、值班、消毒狀態(tài)的多模式工況的轉(zhuǎn)換。
 
       可見普通的高效送風(fēng)口給施工、調(diào)試以及日后運(yùn)行維護(hù)帶來了很大的工作量。
 
       為了維持潔凈室內(nèi)各風(fēng)口的風(fēng)量穩(wěn)定與系統(tǒng)平衡，設(shè)計(jì)人員不得不為每個(gè)高效送風(fēng)口配置一個(gè)壓力無關(guān)型的定（變）風(fēng)量閥，并按照該定（變）風(fēng)量閥要求配置一定長(zhǎng)度的進(jìn)出風(fēng)管（見圖2），以保證定（變）風(fēng)量閥的調(diào)節(jié)性能，從而加大了設(shè)計(jì)工作量。另外，進(jìn)風(fēng)管長(zhǎng)度通常不小于定風(fēng)量閥管徑B的1.5倍，而出風(fēng)管長(zhǎng)度不小于定風(fēng)量閥管徑B的0.5倍，再接上普通高效送風(fēng)口（見圖3），整個(gè)接管高度不小，這就要求技術(shù)夾層一般不宜低于1.6m。因此，普通高效送風(fēng)口難以適用于技術(shù)夾層低的潔凈空間。
 
       針對(duì)上述普通高效送風(fēng)口的種種痛點(diǎn)，急需研發(fā)一種特殊性能的新型高效過濾送風(fēng)口裝置。
 
       2. 新型高效送風(fēng)口的研發(fā)思路
 
       要破解普通高效送風(fēng)口以上種種痛點(diǎn)與難點(diǎn)，認(rèn)為關(guān)鍵因素是要將高效送風(fēng)口、定風(fēng)量閥與相應(yīng)調(diào)控一體化，才有可能縮小高效送風(fēng)口及附件的體積，降低對(duì)安裝空間要求，簡(jiǎn)化管路布置，降低設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)工作量。
 
       研發(fā)工作主要從以下幾方面入手：
 
       1）將高效送風(fēng)口外置的壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥變?yōu)閮?nèi)置在送風(fēng)口內(nèi)，合為一體。內(nèi)置定風(fēng)量裝置只需滿足進(jìn)風(fēng)管路要求，出風(fēng)無接管，縮小了體積；
        
 
       2）選擇合適的定風(fēng)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(hù)的壓力無關(guān)型定風(fēng)量裝置；
 
       3）定風(fēng)量裝置具有通訊接口，可與有線或無線通訊連接，且能數(shù)字化傳輸；
 
       4）開發(fā)控制面板可按需發(fā)送有線或無線信號(hào)對(duì)所在空間內(nèi)高效送風(fēng)口進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定、調(diào)控與就地群控，通過程序設(shè)置便于生產(chǎn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、值班、消毒工況轉(zhuǎn)換。
 
       5）高效送風(fēng)口的高效過濾器的拆裝方式簡(jiǎn)便，不滲漏，萬一定風(fēng)量閥出現(xiàn)問題，便于在室內(nèi)對(duì)定風(fēng)量閥維修與更換，無需進(jìn)入技術(shù)夾層；
 
       針對(duì)所開發(fā)的新型高效送風(fēng)口的性能與特點(diǎn)，我們稱之為“智慧高效送風(fēng)口”。
 
       研發(fā)智慧高效送風(fēng)口，除了其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能性、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀造型等基本要求外，更注重能同時(shí)滿足高效送風(fēng)口、定風(fēng)量閥與調(diào)控的性能需求，還要滿足其一體化要求，這涉及到內(nèi)置定風(fēng)量閥與高效過濾器的相對(duì)位置，及均流板的設(shè)置等內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。通過了CFD反復(fù)模擬，刪除均流板，使內(nèi)部氣流流動(dòng)順暢、減少湍流（見圖5），以保證定風(fēng)量閥調(diào)節(jié)精度，及送風(fēng)口風(fēng)速均勻，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)最優(yōu)化（見圖6）。并根據(jù)潔凈空間設(shè)計(jì)要求，開發(fā)出幾種不同型號(hào)、不同額定風(fēng)量、不同接口的智慧高效送風(fēng)口。
 
 
       3.智慧高效送風(fēng)口性能驗(yàn)證
 
       為了驗(yàn)證所研發(fā)的智慧高效送風(fēng)口性能，建立如圖7所示的檢測(cè)裝置。設(shè)有檢測(cè)臺(tái)的風(fēng)道、前用接管連接智慧高效送風(fēng)口，其出風(fēng)面再用便攜式風(fēng)量罩檢測(cè)。理論上整個(gè)檢測(cè)臺(tái)是以同一風(fēng)量通過，但整個(gè)檢測(cè)臺(tái)配有的風(fēng)道噴嘴差壓式流量計(jì)、智慧高效送風(fēng)口風(fēng)量計(jì)以及風(fēng)量罩風(fēng)量計(jì)，這三處的風(fēng)量計(jì)的檢測(cè)原理、類型、精度不同，三者檢測(cè)值會(huì)有所不同，或者說有偏差。
 
       檢測(cè)臺(tái)分別對(duì)額定風(fēng)量為500m3/h、1000m3/h、1500m3/h以及2000m3/h四種智慧高效送風(fēng)口進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)這三處檢測(cè)風(fēng)量值不同代表值及如下思路對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)：
 
       1)檢測(cè)臺(tái)的風(fēng)道中設(shè)置的噴嘴差壓式流量計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，計(jì)量數(shù)據(jù)真實(shí)可信，作為標(biāo)定的計(jì)量用表。以其檢測(cè)風(fēng)量值作為檢測(cè)臺(tái)的基準(zhǔn)值；
 
       2)智慧高效送風(fēng)口的風(fēng)量顯示值，表明送風(fēng)口調(diào)節(jié)與定風(fēng)量的性能；
 
       3)便攜式風(fēng)量罩風(fēng)量計(jì)（PDA）顯示的檢測(cè)值，看作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的基準(zhǔn)值。
 
       4)設(shè)置不同比例額定風(fēng)量下，風(fēng)道噴嘴流量計(jì)檢測(cè)值與智慧送風(fēng)口顯示值的絕對(duì)偏差，與相應(yīng)內(nèi)置的定風(fēng)量裝置自身性能比較。
 
       5)風(fēng)道噴嘴流量計(jì)檢測(cè)值與智慧高效送風(fēng)口顯示值的相對(duì)偏差，可以作為產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)與標(biāo)定偏差；
 
       6)風(fēng)量罩現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值與智慧高效送風(fēng)口顯示值的相對(duì)偏差，可以認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值的偏差值。
 
       7)以“相對(duì)偏差 = [（送風(fēng)口風(fēng)量顯示值－基準(zhǔn)值）/基準(zhǔn)值]×100%”統(tǒng)計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。
 
       從表1-4分析可以得出：不同比例額定風(fēng)量設(shè)置下，風(fēng)道噴嘴差壓式流量計(jì)檢測(cè)值與智慧高效送風(fēng)口顯示值的相對(duì)偏差小于廠標(biāo)的限定值（不大于±5%），表明研發(fā)產(chǎn)品性能合格。另外，顯示出風(fēng)量罩檢測(cè)值與智慧高效送風(fēng)口顯示值的相對(duì)偏差（可以認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值的偏差值）不大于±5%，表明現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相對(duì)偏差值符合GMP要求，可以認(rèn)定智慧高效送風(fēng)口顯示值是可信的，可作為現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收或確認(rèn)值。只要便攜式風(fēng)量罩性能達(dá)標(biāo)，且在標(biāo)定期內(nèi)，與風(fēng)道噴嘴差壓式流量計(jì)檢測(cè)值的偏差值均處于一個(gè)等級(jí)。
        
       潔凈空間，如藥品的生產(chǎn)環(huán)境中推薦高效送風(fēng)口按額定風(fēng)量70%選用，在C級(jí)及D級(jí)區(qū)域高效送風(fēng)口可以按額定風(fēng)量80%選用。由檢測(cè)結(jié)果可知在額定風(fēng)量的70%-80%內(nèi)智慧高效送風(fēng)口與基準(zhǔn)值的偏差更小。
 
       4.智慧高效送風(fēng)口在潔凈空間的應(yīng)用
 
       要實(shí)現(xiàn)工藝過程所需的環(huán)境，必須達(dá)到合規(guī)的換氣次數(shù)，合適的過濾系統(tǒng)，以及合理的氣流組織，其中穩(wěn)定的換氣量是必要條件。由于凈化空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中因高效過濾器積塵，以及工藝環(huán)境會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化等原因，要求動(dòng)態(tài)維持室內(nèi)各風(fēng)量穩(wěn)定與平衡控制，以維持穩(wěn)定的壓差控制。對(duì)此，潔凈空間內(nèi)高效送風(fēng)口性能至關(guān)重要。
 
       智慧高效送風(fēng)口相比于普通高效送風(fēng)口及附件，由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積縮小，簡(jiǎn)化了技術(shù)夾層內(nèi)的管路布置，降低對(duì)安裝空間要求。使得智慧送風(fēng)口特別適用于技術(shù)夾層較低、管路多且密度大的場(chǎng)合，如食品、生物、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的潔凈空間，也能保證這些場(chǎng)合的非單向流潔凈空間的實(shí)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(dá)到更好的凈化效果。
 
       由于智慧高效送風(fēng)口工廠化批量生產(chǎn)，質(zhì)量可控，相比于普通高效送風(fēng)口及附件組合的性價(jià)比更高。采用智慧高效送風(fēng)口使得凈化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)最簡(jiǎn)化，大大減少了工作量，加快了工程設(shè)計(jì)、施工安裝與調(diào)試的進(jìn)程，也降低了相應(yīng)工程費(fèi)用。
 
       為了便于系統(tǒng)調(diào)試、驗(yàn)證、運(yùn)營(yíng)、周期監(jiān)測(cè)以及多模式運(yùn)行工況（運(yùn)行、值班、消毒）轉(zhuǎn)換，配置觸摸屏控制器.html'>控制器與智慧高效送風(fēng)口有線或無線通訊。
 
       智慧高效送風(fēng)口自帶RS485通訊接口，觸摸屏控制器采用MODBUS-RTU協(xié)議與送風(fēng)口有線通訊（圖8），多臺(tái)智慧送風(fēng)口控制可以通過增加以太交換機(jī)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行群控。觸摸屏可以顯示送風(fēng)口實(shí)時(shí)風(fēng)量、閥門開合角度、高效過濾器阻力等參數(shù)，也可以通過界面設(shè)定送風(fēng)口所需風(fēng)量，可實(shí)現(xiàn)單控及分組群控的功能。
 
       智慧高效送風(fēng)口也可通過RS485接口連接到4G數(shù)傳終端，數(shù)傳終端接收來自送風(fēng)口傳輸過來的數(shù)據(jù)，然后通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心后臺(tái)服務(wù)器，同樣也接收來自監(jiān)控中心服務(wù)器的各種數(shù)據(jù)和控制指令，發(fā)送到送風(fēng)口實(shí)現(xiàn)無線控制（見圖9）。
 
 
       由于智慧送風(fēng)口可以遠(yuǎn)程控制，潔凈空間內(nèi)任一智慧高效送風(fēng)口可由控制面板發(fā)送有線或無線數(shù)字信號(hào)精確設(shè)定其送風(fēng)量，全程監(jiān)測(cè)風(fēng)量，自動(dòng)恒定送風(fēng)量。在需要調(diào)整潔凈空間送風(fēng)量也可以對(duì)任一高效送風(fēng)口再設(shè)定，或者說隨時(shí)按需來控制送風(fēng)量。在調(diào)節(jié)或再設(shè)定不會(huì)影響到同一凈化空調(diào)系統(tǒng)的其他送風(fēng)口的送風(fēng)量。更不需要爬入技術(shù)夾層，靠人工逐一、反復(fù)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，大大減少調(diào)試時(shí)間及相應(yīng)的人工費(fèi)用。
 
       另一方面，控制面板不僅可顯示智慧高效送風(fēng)口內(nèi)高效過濾器的實(shí)時(shí)阻力，而且也可方便實(shí)時(shí)顯示所在空間的換氣量、溫度、濕度、壓差等參數(shù)，使運(yùn)行維護(hù)工作更加方便、有效。
 
       上述檢測(cè)表明，智慧高效送風(fēng)口在控制屏顯示的實(shí)時(shí)風(fēng)量與檢測(cè)風(fēng)量的誤差在GMP允許范圍，可以替代再確認(rèn)與再驗(yàn)證的大量檢測(cè)量，送風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)量數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、可追溯，有效保障了藥品生產(chǎn)GMP的要求。
 
       對(duì)于潔凈空間而言，為保證生產(chǎn)環(huán)境處于受控狀態(tài)，在動(dòng)態(tài)污染干擾下，為能維持潔凈度級(jí)別所需的“恢復(fù)時(shí)間”，常常采用冗余設(shè)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(shè)施冗余運(yùn)行，精確控制實(shí)需送風(fēng)量，維持穩(wěn)定的壓差就是最大效益。實(shí)現(xiàn)了從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)全過程的節(jié)能降耗。
 
       5.結(jié)語
 
       針對(duì)普通高效送風(fēng)口的痛點(diǎn)與難點(diǎn)，研發(fā)了智慧高效送風(fēng)口。智慧高效送風(fēng)口的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了高效送風(fēng)口過濾與分布、定風(fēng)量與調(diào)控功能于一體。配置合適的定風(fēng)量裝置、遠(yuǎn)程調(diào)控與就地群控，簡(jiǎn)化了凈化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，可方便轉(zhuǎn)換多模式運(yùn)行工況（正常運(yùn)行、值班和消毒模式），使工藝生產(chǎn)環(huán)境控制更為有效。精確控制實(shí)需換氣次數(shù)，提高稀釋與自凈能力，降低運(yùn)行冗余度，維持潔凈度，穩(wěn)定壓差就是最大的節(jié)能?？梢哉f，智慧高效送風(fēng)口是一種創(chuàng)新，成為潔凈空間有效控制的信息化、數(shù)字化、智能化的終端。
 
       研發(fā)的智慧高效送風(fēng)口經(jīng)檢測(cè)表明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功，風(fēng)口顯示值與基準(zhǔn)值偏差均不大于±5%，產(chǎn)品性能合格。用于潔凈空間的智慧高效送風(fēng)口顯示值是可信的，可作為現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收或確認(rèn)值。滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了研發(fā)的預(yù)期效果。目前產(chǎn)品已經(jīng)定型，批量生產(chǎn)，推向了市場(chǎng)。廣泛應(yīng)用于電子、制藥、生物、食品、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房等潔凈室，解決了普通高效送風(fēng)口存在的痛點(diǎn)與難點(diǎn)，更有效地保障潔凈空間的控制，實(shí)現(xiàn)了從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)全過程的節(jié)能。特別適用于潔凈空間的技術(shù)夾層較低、管路多、密度大的場(chǎng)合。正因?yàn)橹腔鄹咝惋L(fēng)口具有以上的特點(diǎn)，智慧高效過濾器將在潔凈空間有著非常廣闊的應(yīng)用前景。