Tiết kiệm năng lượng phòng sạch theo ISO 14644-16: thứ tự ưu tiên từ yêu cầu đến vận hành

Tiết kiệm năng lượng phòng sạch không bắt đầu bằng việc thay thiết bị. Nó bắt đầu bằng câu hỏi nhà máy thật sự cần mức sạch nào, ở diện tích nào, vào giờ nào. Trả lời đúng câu hỏi này trước, các biện pháp kỹ thuật phía sau mới có chỗ đứng.

Phòng sạch tiêu tốn điện nhiều hơn hẳn công trình thương mại vì phải chạy lượng khí lớn qua lọc HEPA, liên tục. Vì vậy mỗi quyết định thiết kế ban đầu đều kéo theo chi phí điện nhiều năm.

Bài viết sắp xếp các biện pháp theo thứ tự ưu tiên dựa trên ISO 14644-16. AIRTECH THẾ LONG tổng hợp từ góc nhìn đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công phòng sạch.

Tiết kiệm năng lượng phòng sạch: điện năng đi đâu

Trong phòng sạch, quạt tuần hoàn, hệ lạnh và gia nhiệt lại thường chiếm phần lớn điện năng, nên mọi biện pháp cần nhắm vào các khoản này. Quy trình sản xuất chỉ là một phần.

Một báo cáo đo đạc của Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) cho thấy HVAC chiếm khoảng 36–67% tổng điện của ba nhà máy phòng sạch tại California. Mức tiêu thụ thay đổi mạnh theo cấp sạch và mục đích sử dụng.

Cùng nguồn đó cho biết cường độ điện của quạt dao động từ 5 đến 96 W/ft² tùy cấp sạch. Phần lớn điện quạt tập trung ở các phòng ISO 3, 4, 5. Đây là các số đo cũ ở Mỹ, nên chỉ dùng để hiểu quy luật, không dùng làm mục tiêu cho nhà máy của bạn. Mỗi nhà máy cần đo số của riêng mình để biết khoản nào lớn nhất.

Nhận định này khớp với một bài trên Pharmaceutical Engineering của ISPE về ISO 14644-16. Bài nêu rằng phòng sạch dược có thể tiêu thụ điện gấp nhiều lần tòa nhà thương mại, và HVAC chiếm hơn một nửa điện năng. Nguyên nhân là số lần trao đổi khí cao.

ISO 14644-16 yêu cầu gì: quy trình thay vì danh sách thiết bị

ISO 14644-16 là hướng dẫn tối ưu năng lượng cho phòng sạch, vùng sạch và thiết bị cách ly, áp dụng từ thiết kế, xây dựng, nghiệm thu đến vận hành. Tiêu chuẩn này nêu quy trình đánh giá, không ép một con số cố định.

Theo mục lục công bố, tiêu chuẩn gồm quy trình đánh giá và thực hiện giảm năng lượng, ảnh hưởng của yêu cầu người dùng (URS), tính lưu lượng khí, quản lý điện năng, cùng các phụ lục về cơ hội tiết kiệm và đo chuẩn so sánh. Phần đo chuẩn giúp so sánh phòng sạch với nhau.

Điều quan trọng là tiêu chuẩn đặt tiết kiệm năng lượng dưới yêu cầu về độ tin cậy và hiệu năng của quy trình, như ISPE nhấn mạnh. Nghĩa là mọi biện pháp đều phải giữ được cấp sạch và điều kiện công nghệ.

Tiêu chuẩn do ISO/TC 209 ban hành, xem thêm trang ISO 14644-16. Bài viết này không thay thế bản tiêu chuẩn, nên hồ sơ thẩm định cần dùng văn bản chính thức.

Bước 1: giảm “đầu vào” bằng URS, diện tích và cấp sạch hợp lý

Biện pháp rẻ nhất là không xây hoặc không vận hành quá mức cần thiết. Ba yếu tố gồm diện tích phòng, cấp sạch đặt ra và số người làm việc bên trong.

ISPE liệt kê các phương pháp theo ISO 14644-16: giảm kích thước phòng, tránh đặt cấp sạch cao hơn nhu cầu và giảm số người trong phòng bằng quy trình kín, RABS hay isolator. Người là nguồn phát bụi chính, nên ít người nghĩa là cần ít khí hơn.

Tải nhiệt cũng nằm ở đầu vào. Một bài trên Cleanroom Technology kể trường hợp nhà cung cấp thiết bị khai báo nhiệt thải 24 kW trong khi vận hành thực tế chỉ khoảng 2 kW. Việc đính chính làm thay đổi đáng kể thiết kế HVAC và điện năng.

Từ những ví dụ này, có thể rút ra danh sách câu hỏi cần trả lời trước khi chốt URS:

• Cấp sạch nào là bắt buộc theo quy trình, cấp nào chỉ là “cho chắc”?
• Khu nào cần sạch cao thật sự, khu nào chỉ là hành lang, kho, thay đồ?
• Thiết bị tỏa nhiệt bao nhiêu khi vận hành thực, không phải công suất danh định?
• Lịch làm việc ra sao, có thể gom ca để giảm số giờ chạy tải đầy?

AIRTECH THẾ LONG khuyến nghị ghi các câu trả lời này vào URS và xem lại khi quy trình thay đổi. Với nhà máy đang hoạt động, soát lại URS cũng là bước đánh giá hiện trạng rẻ nhất.

Bước 2: lưu lượng khí, định luật lập phương và hạ tải có thẩm định

Công suất quạt tỷ lệ với lập phương lưu lượng, nên giảm lưu lượng là đòn bẩy lớn nhất của tiết kiệm năng lượng phòng sạch. Điều kiện là phòng vẫn đạt cấp sạch và phục hồi nhanh.

Cleanroom Technology dẫn BS 8568:2013: giảm một nửa lưu lượng khí thì công suất quạt giảm còn khoảng một phần tám. Đây là quan hệ lý thuyết khi hệ không đổi đặc tính, nhưng nó giải thích vì sao lưu lượng đáng được xem trước hết.

Số lần trao đổi khí khuyến nghị cũng không phải hằng số tự nhiên. Tài liệu LBNL nhận xét các mức khuyến nghị được thiết lập khá tùy ý, theo kinh nghiệm. Các nguồn khác nhau đưa ra khoảng giá trị khác nhau cho cùng một cấp sạch, nên đừng áp một con số cố định cho mọi dự án.

Khi nhà máy không có người, nguồn phát bụi giảm mạnh. Một nghiên cứu tình huống đăng trên ISPE giảm lưu lượng sau giờ làm việc, kể cả giảm 50% cho phòng GMP cấp C. Tác giả cũng ghi nhận bài học: phải điều chỉnh điểm đặt từ từ để tránh dao động áp suất.

Quy trình áp dụng hạ tải an toàn:

1. Đo hiện trạng: lưu lượng, chênh áp, đếm hạt khi có và không có người.
2. Khảo sát dòng khí, ví dụ bằng thử khói, để biết vùng nào cần giữ.
3. Đề xuất mức hạ tải và thời điểm, kèm tiêu chí chấp nhận cấp sạch.
4. Chạy thử, đo thời gian phục hồi về cấp sạch trước ca sản xuất.
5. Thẩm định, ghi hồ sơ và đưa vào kiểm soát thay đổi.
6. Giám sát liên tục; khi hạt vượt ngưỡng, hệ tự trở lại lưu lượng đầy.

Quạt hiệu suất cao và biến tần giúp thực hiện việc này mà không tạo nhiễu áp. Hệ điều khiển theo nhu cầu cần được thiết kế cùng tải, không gắn thêm sau.

Bước 3: vùng sạch cục bộ và minienvironment, khi nào thật sự tiết kiệm

Minienvironment là vùng sạch giới hạn bằng vách bao, cho phép giảm lưu lượng và điện năng so với làm sạch cả phòng lớn. Tuy nhiên lợi ích chỉ có khi phòng bao quanh cũng được giảm tải tương ứng.

Báo cáo của LBNL về minienvironment nêu rằng vì thể tích nhỏ hơn nhiều so với phòng sạch đầy đủ, lưu lượng và điện năng cần thiết có thể giảm đáng kể. Cùng báo cáo cảnh báo: chỉ thêm minienvironment dùng FFU vào phòng sạch hiện hữu mà giữ nguyên mọi thứ khác sẽ làm tăng cường độ điện.

Vì vậy, thiết kế vùng sạch cục bộ cần đi cùng việc hạ cấp sạch phần còn lại và chọn FFU hiệu suất tốt, như LBNL khuyến nghị. Tốc độ khí trong vùng sạch cũng nên được tối ưu, không đặt dư.

Trong thực tế, nhiều nhà máy dùng clean booth cùng FFU, BFU, HFU để tạo vùng sạch cho công đoạn nhạy cảm. Với công đoạn thay đổi thường xuyên, giải pháp mô-đun còn giúp dễ điều chỉnh bố trí.

AIRTECH THẾ LONG đề nghị so sánh hai phương án bằng bảng điện năng toàn nhà máy, gồm cả phòng bao quanh. Chỉ so điện của riêng FFU dễ dẫn đến kết luận sai.

Bước 4: kín khí, lọc trở lực thấp và hạ tầng lạnh

Giảm rò rỉ khí, dùng lọc HEPA trở lực thấp và vận hành hệ lạnh đúng điểm là ba khoản tiết kiệm nền tảng, ít ảnh hưởng đến quy trình. Chúng thường ít rủi ro hơn việc đổi lưu lượng.

ISPE nêu việc giảm khí tươi bù do rò rỉ giữa các phòng chênh áp, bằng cách làm kín kết cấu, đèn, hộp lọc cuối và kiểm tra rò rỉ ống gió. Giảm khí bù cũng giảm tải làm lạnh và khử ẩm.

ISPE cũng nhắc đến việc lắp lọc HEPA có trở lực thấp. Trở lực thấp nghĩa là quạt cần ít áp hơn để đẩy cùng lưu lượng. Khi chọn lọc, hãy so trở lực ở lưu lượng định mức cùng với hiệu suất lọc và chi phí thay thế. AIRTECH THẾ LONG thường đặt các thông số này cạnh nhau khi so sánh báo giá.

Về hệ lạnh, dữ liệu đo của LBNL cho thấy nhiệt độ nước lạnh thường thấp hơn mức cần, và quá lạnh rồi gia nhiệt lại có thể rất tốn. Một tài liệu LBNL khác nêu: mỗi độ giảm nhiệt độ nước giải nhiệt đưa vào chiller có thể cải thiện hiệu suất gần 1% ở đầy tải.

Nhà máy ở khí hậu nóng ẩm phải xét nhiệt độ bầu ướt của địa phương khi tính nước giải nhiệt. Tài liệu LBNL nhấn mạnh việc hiểu khí hậu địa phương này. Với khu vực nhiệt đới, không thể lấy nguyên các con số của nơi mát hơn.

Một hướng khác là dùng hai mức nhiệt độ nước lạnh: nước lạnh sâu cho khử ẩm và nước ấm hơn cho tải nhiệt hiện. Khi nhiệt độ nước hợp lý, chiller cần ít điện hơn cho cùng lượng lạnh.

Về HVAC tổng thể, xem thêm hệ thống thông gió HVAC phòng sạch. Các biện pháp riêng như quạt EC và thu hồi nhiệt nên được đánh giá như hạng mục độc lập trong danh sách cơ hội.

Bước 5: đo lường, chỉ số và lộ trình tiết kiệm năng lượng phòng sạch

Không đo thì không biết tiết kiệm được bao nhiêu và cũng không chứng minh được với đoàn đánh giá. Đo lường là phần bắt buộc của mọi chương trình.

ISO 14644-16 có phần đo chuẩn, và bài của LBNL cũng nêu việc đo chuẩn giúp so sánh, nhận diện vấn đề thiết kế và vận hành ẩn. Bước đầu chỉ cần đo vài chỉ số cơ bản, rồi mở rộng.

Về lộ trình, có thể làm theo thứ tự tác động và rủi ro. Làm kín, soát URS và đo đạc trước. Sau đó hạ tải có thẩm định, tối ưu hệ lạnh, rồi mới đến thay thiết bị.

Chi phí vận hành tổng thể của phòng sạch điện tử cũng gồm nhiều khoản ngoài điện, xem bài chi phí phòng sạch điện tử - bán dẫn. Hãy đặt tiết kiệm điện cạnh chi phí chất lượng và rủi ro dừng sản xuất.

Với khu GMP, mọi thay đổi lưu lượng, điểm đặt hay thiết bị đều phải qua kiểm soát thay đổi và thẩm định lại. Vì vậy hãy lập kế hoạch thẩm định ngay khi lập danh sách biện pháp.

Giải pháp phòng sạch và HVAC của AIRTECH THẾ LONG

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG hoạt động trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, phòng thí nghiệm. Công ty thuộc hệ sinh thái Airtech Group. Nhà máy sản xuất đặt ở hai miền tại Hải Phòng và TP.HCM, với dây chuyền hiện đại nhập từ Châu Âu.

Với bài toán năng lượng, chúng tôi hỗ trợ rà soát URS, cấu hình khí sạch và thiết bị như FFU, BFU, HFU, clean booth, cùng phương án HVAC cho từng khu. Mỗi đề xuất đi kèm tiêu chí giữ cấp sạch.

Cách làm bắt đầu từ số liệu hiện trạng và lịch sản xuất. Sau đó là danh sách biện pháp theo thứ tự rủi ro, kế hoạch thẩm định và tiêu chí nghiệm thu. Thông tin triển khai xem tại trang thi công phòng sạch.

Chúng tôi không đưa mức tiết kiệm cố định cho mọi công trình, vì con số chỉ có ý nghĩa khi gắn với số đo của chính nhà máy.

Câu hỏi thường gặp

Giảm lưu lượng khí có làm mất cấp sạch không?

Có thể, nếu làm không thẩm định. Hạ tải chỉ hợp lệ khi đã đo hiện trạng, chạy thử, kiểm tra thời gian phục hồi và có kiểm soát thay đổi. Cần giám sát hạt liên tục.

ISO 14644-16 có quy định mức tiêu thụ điện tối đa không?

Không như một ngưỡng cố định. Tiêu chuẩn đưa ra hướng dẫn quy trình, cách tính lưu lượng và đo chuẩn so sánh. Mục tiêu cụ thể do dự án tự đặt ra.

Nên bắt đầu tiết kiệm năng lượng ở đâu?

Bắt đầu từ đo đạc, soát URS và làm kín rò rỉ. Các biện pháp này ít rủi ro đến quy trình. Sau đó mới xét hạ tải, hệ lạnh và thay thiết bị.

Vùng sạch cục bộ có luôn rẻ hơn làm sạch cả phòng không?

Không luôn luôn. Nếu phòng bao quanh vẫn giữ lưu lượng cũ, tổng điện có thể tăng. Cần hạ cấp sạch phòng bao quanh và chọn FFU hiệu suất tốt.

Có dùng một số lần trao đổi khí cố định cho mỗi cấp ISO được không?

Không nên. Các nguồn đưa khoảng giá trị khác nhau, và lưu lượng đúng phụ thuộc nguồn phát bụi, bố trí khí và yêu cầu quy trình.

Kết luận

Tiết kiệm năng lượng phòng sạch hiệu quả nhất khi đi theo thứ tự: soát yêu cầu, giảm lưu lượng có thẩm định, tối ưu vùng sạch, kín khí và hạ tầng lạnh, rồi đo lường liên tục. Không có con số tiết kiệm chung cho mọi nhà máy.

AIRTECH THẾ LONG sẵn sàng tư vấn cho dự án của bạn. Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043. Email: info@thelong.com.vn. Website: thietbiphongsach.vn. Zalo: zalo.me/0915283960.

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG
Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043 | Tel: 024.3873.7717
Email: info@thelong.com.vn | Zalo: 0915283960
Website: thietbiphongsach.vn | Trụ sở: Số 144 Phố Việt Hưng, Tổ 3, P. Việt Hưng, Hà Nội