口服固體制劑車間的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉磊

（東華大學(xué)暖通空調(diào)與能源工程系，上海201620）

口服固體制劑車間的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉磊

（東華大學(xué)暖通空調(diào)與能源工程系，上海201620）

口服固體制劑項(xiàng)目往往會(huì)有兩個(gè)要求：在下班時(shí)切換到低風(fēng)量的夜間模式；房間要求維持在低濕度。通過使用快速反應(yīng)的變風(fēng)量閥可以保證在切換到夜間模式時(shí)，相鄰房間的壓差不會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。通過對(duì)各種除濕方式進(jìn)行比較，根據(jù)項(xiàng)目的情況可以選擇出最節(jié)能的新風(fēng)處理方式?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足GMP和工藝要求的前提下，可以盡量降低能耗。

口服固體制劑車間；壓力控制；變風(fēng)量閥；除濕

0 引言

在某口服固體制劑（OSD）車間項(xiàng)目中，其空調(diào)系統(tǒng)有兩個(gè)比較重要的要求：空調(diào)需要進(jìn)行工作模式及值班模式切換；生產(chǎn)工藝要求車間環(huán)境濕度較低。這兩項(xiàng)要求在其他OSD車間設(shè)計(jì)中也比較常見。筆者以這兩項(xiàng)要求為切入點(diǎn)，介紹了該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

在文中筆者不但給出了項(xiàng)目中的解決方案，同時(shí)也介紹和比較了其他一些穩(wěn)定生產(chǎn)車間壓差和新風(fēng)除濕的方法，并對(duì)其進(jìn)行了深入討論。希望通過筆者的介紹和分析，能夠?yàn)橛龅筋愃祈?xiàng)目的讀者提供一些啟發(fā)和借鑒。

1 空調(diào)系統(tǒng)概況

該項(xiàng)目是位于江蘇泰州的某跨國(guó)制藥企業(yè)的口服固體制劑車間。由于工藝需要，房間濕度要維持在較低的狀態(tài)，經(jīng)過與工藝專業(yè)和業(yè)主的討論，決定將房間的溫濕度設(shè)計(jì)值定為22℃、45%。當(dāng)?shù)叵募经h(huán)境溫度為干球溫度38℃，濕球溫度30℃。

空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)機(jī)組（MAU）加上循環(huán)機(jī)組（AHU）的模式。先通過MAU將室外新風(fēng)處理到與房間絕對(duì)濕度（7.4g/kg）相同，然后使新風(fēng)在AHU中與房間回風(fēng)混合，通過AHU的冷盤管/熱盤管將空氣處理到送風(fēng)溫度。

通過在核心生產(chǎn)車間的送風(fēng)及回風(fēng)（或排風(fēng)）支管上安裝變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥（VAV），對(duì)房間實(shí)現(xiàn)壓力控制。保證房間在有房間排風(fēng)量增加、工作模式與值班模式切換等場(chǎng)合可以保持房間的壓力與設(shè)計(jì)值一致，不會(huì)出現(xiàn)壓差逆轉(zhuǎn)。

該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 正常模式與值班模式切換

2.1 不同工作模式的要求

按照我國(guó)GMP的相關(guān)要求，車間在白天正常生產(chǎn)時(shí)須達(dá)到D級(jí)區(qū)域的要求。參考《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求[1]，D級(jí)區(qū)域換氣次數(shù)不低于10次/小時(shí)。但是這個(gè)要求對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，尤其是新風(fēng)比較大的系統(tǒng)，增加送風(fēng)量會(huì)加大空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的能耗和冷量的消耗。

由于核心生產(chǎn)區(qū)需要對(duì)其他區(qū)域保持正壓，并且其內(nèi)部各個(gè)生產(chǎn)房間之間也需要按照工藝要求保持相對(duì)壓差，因此核心生產(chǎn)區(qū)的空調(diào)需要常年運(yùn)行。但是夜間時(shí)車間中的冷負(fù)荷和產(chǎn)塵量較白天大大減少，生產(chǎn)區(qū)的送風(fēng)量只需要維持房間的壓力即可。因此可以在夜間通過對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在低風(fēng)量的模式，這個(gè)模式就是值班模式。

經(jīng)過與業(yè)主和工藝專業(yè)討論，夜間值班模式取白天正常模式的一半風(fēng)量，換氣次數(shù)為5次/h。

2.2 模式切換時(shí)的壓力控制要求

最大的難點(diǎn)是模式切換的瞬間，如何保證各個(gè)房間中的送回風(fēng)差保持不變。

眾所周知，制藥生產(chǎn)車間的相對(duì)壓力與房間潔凈度一樣，是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，也是GMP驗(yàn)證的重點(diǎn)內(nèi)容。我國(guó)新版GMP第四十八條明文規(guī)定：“潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間、不同級(jí)別潔凈區(qū)之間的壓差應(yīng)當(dāng)不低于10Pa。必要時(shí)，相同潔凈度級(jí)別的不同功能區(qū)域（操作間）之間也應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)膲翰钐荻取薄?/p>

參照國(guó)外的相關(guān)規(guī)范可發(fā)現(xiàn)：歐盟GMP中推薦醫(yī)藥工業(yè)潔凈室不同級(jí)別的相鄰房間之間需保持10-15Pa的壓差。WHO指南不但指出相鄰區(qū)域通常采用15Pa壓差，更指出當(dāng)設(shè)計(jì)壓差過低且壓差控制精度過低時(shí)，會(huì)發(fā)生氣流逆轉(zhuǎn)。這在藥品生產(chǎn)中是絕不允許的。

因此，在生產(chǎn)模式切換過程中，如果某個(gè)房間的送風(fēng)（或回風(fēng)）突然變小而回風(fēng)（或送風(fēng)）沒有同時(shí)變化，則房間的送回風(fēng)差產(chǎn)生變化，使得房間的壓力發(fā)生變化，使其與相鄰區(qū)域的壓差變小。這有可能導(dǎo)致相鄰房間的壓差逆轉(zhuǎn)，比如本來(lái)應(yīng)該相對(duì)于走廊負(fù)壓的生產(chǎn)車間突然相對(duì)走廊正壓。由于業(yè)主QC部門要求很高，即使是在下班停產(chǎn)后切換到夜間模式時(shí)，也不允許有壓差逆轉(zhuǎn)的情況發(fā)生。

2.3 模式切換時(shí)的壓力控制方法

問題的關(guān)鍵在于房間送回風(fēng)支管上變風(fēng)量閥的反應(yīng)速度和控制方式。

在該項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)中，房間的送回風(fēng)支管上都安裝有VAV。VAV設(shè)定了兩個(gè)數(shù)值，即正常模式和值班模式的風(fēng)量。其控制方法如圖2所示。VAV的執(zhí)行器與BMS連接。

白天上班時(shí)，VAV閥處于正常模式的風(fēng)量設(shè)定值，在車間下班時(shí)，通過BMS系統(tǒng)控制VAV閥的執(zhí)行器，使之切換到值班模式。

在這種控制方式下，使用反應(yīng)速度較快的VAV閥至關(guān)重要。如果反應(yīng)速度較慢容易出現(xiàn)壓差扭轉(zhuǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，如果VAV閥的反應(yīng)速度在60s的話，在需要對(duì)外保持相對(duì)正壓的房間中，當(dāng)正常模式切換到值班模式時(shí)，在60s的時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)送風(fēng)的VAV閥調(diào)節(jié)到位，而回風(fēng)的VAV閥還沒到位，使得房間的相對(duì)正壓低于設(shè)計(jì)要求，甚至是房間變?yōu)橄鄬?duì)負(fù)壓。

如果VAV反應(yīng)速度在1s的話，上述情況最多只可能出現(xiàn)1s的時(shí)間，而這是可以接受的。這么短的時(shí)間對(duì)于生產(chǎn)不會(huì)有很大的影響。在工程實(shí)踐中，使用文丘里閥體的VAV閥具有比較高的反應(yīng)速度，可以達(dá)到這個(gè)要求[2]。

2.4 壓力控制時(shí)的注意事項(xiàng)

2.4.1 變風(fēng)量閥（VAV）與雙速定風(fēng)量閥（DAV）

由于房間的送風(fēng)量始終只有兩個(gè)數(shù)值，即日常模式和值班模式的送風(fēng)量。所以送風(fēng)支管上可以選擇可以有兩個(gè)調(diào)節(jié)量的雙速定風(fēng)量閥（DAV）。但是即使選擇DAV，也需要使用反應(yīng)速度較快的DAV，使得房間壓力控制的時(shí)間達(dá)到最小。

但是對(duì)于回風(fēng)和排風(fēng)支管上的風(fēng)閥應(yīng)選擇VAV，因?yàn)殚g歇性局部排風(fēng)等原因造成的房間壓力波動(dòng)，使得回風(fēng)或排風(fēng)風(fēng)量需要產(chǎn)生相應(yīng)變化。而這些風(fēng)量的變化值是不固定，因此需要使用VAV而不是DAV?；仫L(fēng)或排風(fēng)的VAV可根據(jù)房間內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持房間的壓力。

另外，需要指出的是，在房門打開時(shí)，由于房間和室外連通，室內(nèi)外壓差趨于0Pa，因此在門上裝有傳感器，在打開房門時(shí)，壓力控制會(huì)適當(dāng)延遲數(shù)秒，在這數(shù)秒鐘內(nèi)，VAV不會(huì)根據(jù)房間壓力變化。

2.4.2 延時(shí)控制

由于VAV是通過BMS進(jìn)行控制的，可以在BMS中適當(dāng)設(shè)定延時(shí)控制。比如在需要正壓的房間中，當(dāng)日常模式切換到值班模式時(shí)，先調(diào)節(jié)回風(fēng)支管的VAV，延遲若干時(shí)間（如5s）后再調(diào)節(jié)送風(fēng)支管的VAV。這樣可以保證房間在調(diào)節(jié)過程中不會(huì)有正壓扭轉(zhuǎn)為負(fù)壓房間。在延時(shí)過程中，房間對(duì)于周圍的相對(duì)正壓值能會(huì)高于設(shè)計(jì)值（如有10Pa變?yōu)?5Pa），但這也是可以接受的，因?yàn)镚MP只規(guī)定了潔凈區(qū)之間的最小壓差。

需要說(shuō)明的是，因?yàn)閂AV的反應(yīng)速度很快（如1s），延時(shí)沒有必要設(shè)的很長(zhǎng)（如60s），否則對(duì)于VAV反應(yīng)速度的要求就沒有意義了。

3 生產(chǎn)車間的低濕度要求

3.1 生產(chǎn)車間的濕度要求

為了滿足房間的濕度要求，MAU需要將新風(fēng)除濕到與房間絕對(duì)濕度相同的狀態(tài)點(diǎn)，再與下游的AHU中的回風(fēng)混合。

MAU雖然處理的風(fēng)量較少（僅占全部送風(fēng)量的15%左右），但其既要處理顯熱，又要處理潛熱。而AHU雖然處理風(fēng)量較大，但是其只處理顯熱（而且部分顯熱也由MAU處理的新風(fēng)承擔(dān)）。因此整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中大部分冷量是MAU消耗的。

所以處理問題的關(guān)鍵在于MAU選用何種方式處理新風(fēng)最節(jié)能。

3.2 濕度控制方案選項(xiàng)

由于MAU需要處理顯熱和潛熱，因此設(shè)計(jì)時(shí)曾經(jīng)有三個(gè)方案：1）直接使用冷盤管冷卻到房間溫度的露點(diǎn)（10℃，7.4g/kg）；2）使用冷盤管預(yù)冷新風(fēng)（約冷至10℃），使用轉(zhuǎn)輪除濕后再冷卻（約冷至10℃）；3）使用冷盤管預(yù)冷新風(fēng)（約冷至10℃），使用溶液除濕機(jī)

關(guān)于這三種方式的優(yōu)劣，筆者做了一個(gè)簡(jiǎn)要的比較，見表1。

表1MAU新風(fēng)處理方式比較

3.3 濕度控制方案的比較

3.3.1 方案比較的依據(jù)

新風(fēng)的能耗可以由下列公式計(jì)算得出：

式中W—新風(fēng)處理的能耗,kW；

Q—處理新風(fēng)的風(fēng)量，m3/h；

1.2 —空氣的密度，1.2kg/m3；

1.01 —干空氣的定壓比熱容，取kJ/（kg·K）；

t1，t2—處理前后干空氣的溫度，℃；

i1，i2—處理前后空氣的焓值，kJ/kg。

該項(xiàng)目中，新風(fēng)量Q=12000m3/h，新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為干球溫度td=38℃，濕球溫度tw=30℃，焓值為i1=99. 4kJ/kg。新風(fēng)處理后狀態(tài)點(diǎn)為干球溫度t2=10℃，含濕量d2=7.4g/kg，焓值為i2=28.7kJ/kg。

為了便于比較，筆者將所有的能耗折算為每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用。假設(shè)條件為：工業(yè)用電費(fèi)用為1元/kWh，冷凍機(jī)COP為4，蒸汽費(fèi)用為200元/t。

1kW電量1h費(fèi)用為：1×1=1元

1kW冷量1h費(fèi)用為：1/4×1=0.25元1kW熱量1h費(fèi)用為：

1×3600/2700/1000×200=0.27元

3.3.2 冷卻除濕方案

這是最普遍的除濕技術(shù)，但需要保證冷凍水的溫度足夠低，使得新風(fēng)通過表冷后能夠達(dá)到預(yù)設(shè)的狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)可以提供6℃/12℃的冷凍水，正常情況下可以使空氣冷卻到10℃。

冷卻能耗：12000/3600×1.2×（99.4-28.7）=282.96kW

其總能耗為：282.96kW冷量，即282.96×0.24=70.5元3.3.3轉(zhuǎn)輪除濕方案

由于在處理過程中，空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后會(huì)放出大量的凝結(jié)熱，并且轉(zhuǎn)輪自身對(duì)于再生熱量的蓄積，使得經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后的空氣溫升過高，理論上該除濕過程應(yīng)該是等焓過程，但實(shí)際溫度比等焓條件下高出許多[3]。

因此空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后還需要進(jìn)行耗費(fèi)冷量對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，。另外，轉(zhuǎn)輪需要約處理風(fēng)量1/3的再生空氣，再生空氣的溫度很高（約70℃），能耗也比較大。

假設(shè)處理過程如下：新風(fēng)預(yù)冷至15℃，焓值為40.7kJ/kg→轉(zhuǎn)輪除濕后至干球溫度23℃，含濕量7.4g/kg→冷卻至10℃。再生空氣為處理空氣1/3，從機(jī)房抽取，將機(jī)房空氣從35℃加熱至70℃。

其能耗計(jì)算如下：

預(yù)冷能耗：12000/3600×1.2×（99.4-40.7）=234. 96kW

轉(zhuǎn)輪再生熱量：12000/3/3600×1.2×1.01×（70-30）=47.13kW

冷卻能耗：12000/3600×1.2×1.01×（23-10）=52. 52kW

其總能耗為：287.48kW冷量+47.13kW熱量，即287.48×0.25+41.13×0.27=83.0元

3.3.4 溶液除濕方案

該項(xiàng)目選擇的溶液除濕機(jī)是將壓縮制冷和溶液除濕結(jié)合在一起的空氣調(diào)節(jié)裝置。利用壓縮機(jī)蒸發(fā)器制出的冷量為溶液除濕提供足夠的冷源，同時(shí)又利用冷凝器產(chǎn)生的熱量來(lái)對(duì)除濕后的稀溶液進(jìn)行濃縮再生，從而保證溶液的除濕循環(huán)。具體原理圖如圖3所示。

由于機(jī)組充分利用了壓縮制冷循環(huán)在蒸發(fā)器的吸熱和冷凝器的放熱，因此不需要想轉(zhuǎn)輪那樣除濕后冷卻，也不需要使用額外的熱源進(jìn)行再生，可以有效地降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

另外，由于不需要在機(jī)房設(shè)置蒸汽管道和再生空氣排風(fēng)，只需要提供壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的電源，因此對(duì)于一些改造項(xiàng)目比較方便。

假設(shè)處理過程如下：新風(fēng)預(yù)冷至15℃，焓值為40.7kJ/kg→經(jīng)過溶液除濕機(jī)進(jìn)行降溫除濕，處理后為干球溫度10℃，含濕量7.4g/kg

其能耗計(jì)算如下：

預(yù)冷能耗：12000/3600×1.2×（99.4-40.7）=234. 96kW

壓縮機(jī)耗電量：13.5kW

其總能耗為：234.96kW冷量+13.5kW電量，即234.96×0.25+13.5=72.24元

3.3.5 除濕方案的確定

從上述的比較中可以看出，以上幾種新風(fēng)除濕的方法都可以將新風(fēng)處理到工作狀態(tài)點(diǎn)，而冷凍除濕和溶液除濕的運(yùn)行費(fèi)用都比較低。但是考慮到溶液除濕的初投資比較大，項(xiàng)目還是選擇了冷凍除濕的方式。

但是考慮到冷凍除濕時(shí)冷量較大，萬(wàn)一冷凍站出現(xiàn)問題，冷凍水出水溫度高于6℃時(shí)會(huì)影響生產(chǎn)，因此在MAU的表冷段后面仍然加入轉(zhuǎn)輪。由于轉(zhuǎn)輪基本不工作，因此在轉(zhuǎn)輪下方使用旁通，當(dāng)轉(zhuǎn)輪不用時(shí)（如過度季節(jié)和冬季）新風(fēng)表冷后直接從旁通進(jìn)入AHU，以減少風(fēng)機(jī)壓損。

3.4 新風(fēng)除濕方案的選取原則

可以看到，在選擇新風(fēng)除濕的方案時(shí)需要對(duì)各種除濕方案進(jìn)行比較分析，才能最終確定其技術(shù)方案。雖然在本項(xiàng)目中使用了比較普遍的冷凍除濕+轉(zhuǎn)輪的MAU的技術(shù)方案，但是當(dāng)項(xiàng)目條件發(fā)生變化時(shí)，如項(xiàng)目所在地市政蒸汽費(fèi)用較高、電費(fèi)較低，新風(fēng)的含濕量要求更低時(shí)，可能溶液除濕就比較合適。而當(dāng)項(xiàng)目初投資有限，對(duì)新風(fēng)的含濕量要求又很低時(shí)，建議使用新風(fēng)預(yù)冷+轉(zhuǎn)輪除濕的方式。

4 結(jié)語(yǔ)

在該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用合適的VAV閥和控制系統(tǒng)，可以很好地解決工作模式切換的問題；使用合理的新風(fēng)處理方式，可以在滿足生產(chǎn)濕度要求的情況下減小能耗。這兩個(gè)問題的合理解決，能夠在滿足GMP要求和工藝生產(chǎn)要求的前提下，節(jié)約車間的運(yùn)行能耗。

當(dāng)然，雖然這兩項(xiàng)要求在固體制劑車間非常普遍，但是設(shè)計(jì)人員在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，也要結(jié)合項(xiàng)目的具體情況（如當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)、項(xiàng)目的初投資、甲方對(duì)于節(jié)能的要求等）在各種技術(shù)方案中比較選擇，不能千篇一律。

[1]GB 60457-2008.醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]付永飛，劉燕敏，胡崔健.適應(yīng)新版GMP對(duì)藥廠風(fēng)量-壓力控制的探討[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2012，（03）：32-35.

[3]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

HVAC System Design of the OSD Plant

HU Xiao-lei

（Energy&Power Engineering Colleague,Donghua University，Shanghai 201620，China）

There are two common requirement in HVAC design of OSD plant:Switching to low air volume mode off work;providing low humidity air in operation room.The VAV keeps air flow during mode switching;make sure no air flow reversal between adjacent rooms.The dehumidification technical of the fresh air should be chosen carefully,which should be suitable for the project situation and meet energy saving requirement.The HVAC design should not only meet GMP and process requirement,but also decrease the energy cost.

OSD plant；pressure control；cariable air valve（VAV）；dehumidification

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.019

TU831

B

2095-3429（2016）04-0078-05

2016-05-05

修回日期：2016-06-01

胡曉磊（1985-），男，上海人，中級(jí)工程師，在職研究生，主要從事醫(yī)藥廠房空調(diào)設(shè)計(jì)工作。