胡曉磊

（東華大學暖通空調與能源工程系，上海201620）

口服固體制劑車間的空調系統(tǒng)設計

胡曉磊

（東華大學暖通空調與能源工程系，上海201620）

口服固體制劑項目往往會有兩個要求：在下班時切換到低風量的夜間模式；房間要求維持在低濕度。通過使用快速反應的變風量閥可以保證在切換到夜間模式時，相鄰房間的壓差不會發(fā)生逆轉。通過對各種除濕方式進行比較，根據項目的情況可以選擇出最節(jié)能的新風處理方式?？照{系統(tǒng)的設計在滿足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；變風量閥；除濕

0 引言

在某口服固體制劑（OSD）車間項目中，其空調系統(tǒng)有兩個比較重要的要求：空調需要進行工作模式及值班模式切換；生產工藝要求車間環(huán)境濕度較低。這兩項要求在其他OSD車間設計中也比較常見。筆者以這兩項要求為切入點，介紹了該項目的空調系統(tǒng)設計特點。

在文中筆者不但給出了項目中的解決方案，同時也介紹和比較了其他一些穩(wěn)定生產車間壓差和新風除濕的方法，并對其進行了深入討論。希望通過筆者的介紹和分析，能夠為遇到類似項目的讀者提供一些啟發(fā)和借鑒。

1 空調系統(tǒng)概況

該項目是位于江蘇泰州的某跨國制藥企業(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)，經過與工藝專業(yè)和業(yè)主的討論，決定將房間的溫濕度設計值定為22℃、45%。當地夏季環(huán)境溫度為干球溫度38℃，濕球溫度30℃。

空調系統(tǒng)采用新風機組（MAU）加上循環(huán)機組（AHU）的模式。先通過MAU將室外新風處理到與房間絕對濕度（7.4g/kg）相同，然后使新風在AHU中與房間回風混合，通過AHU的冷盤管/熱盤管將空氣處理到送風溫度。

通過在核心生產車間的送風及回風（或排風）支管上安裝變風量調節(jié)閥（VAV），對房間實現壓力控制。保證房間在有房間排風量增加、工作模式與值班模式切換等場合可以保持房間的壓力與設計值一致，不會出現壓差逆轉。

該項目的空調系統(tǒng)結構如圖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GMP的相關要求，車間在白天正常生產時須達到D級區(qū)域的要求。參考《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》的相關要求[1]，D級區(qū)域換氣次數不低于10次/小時。但是這個要求對于空調系統(tǒng)來說，尤其是新風比較大的系統(tǒng)，增加送風量會加大空調系統(tǒng)風機的能耗和冷量的消耗。

由于核心生產區(qū)需要對其他區(qū)域保持正壓，并且其內部各個生產房間之間也需要按照工藝要求保持相對壓差，因此核心生產區(qū)的空調需要常年運行。但是夜間時車間中的冷負荷和產塵量較白天大大減少，生產區(qū)的送風量只需要維持房間的壓力即可。因此可以在夜間通過對空調風機變頻使空調系統(tǒng)運行在低風量的模式，這個模式就是值班模式。

經過與業(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量，換氣次數為5次/h。

2.2 模式切換時的壓力控制要求

最大的難點是模式切換的瞬間，如何保證各個房間中的送回風差保持不變。

眾所周知，制藥生產車間的相對壓力與房間潔凈度一樣，是空調系統(tǒng)設計的關鍵因素，也是GMP驗證的重點內容。我國新版GMP第四十八條明文規(guī)定：“潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間、不同級別潔凈區(qū)之間的壓差應當不低于10Pa。必要時，相同潔凈度級別的不同功能區(qū)域（操作間）之間也應當保持適當的壓差梯度”。

參照國外的相關規(guī)范可發(fā)現：歐盟GMP中推薦醫(yī)藥工業(yè)潔凈室不同級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，更指出當設計壓差過低且壓差控制精度過低時，會發(fā)生氣流逆轉。這在藥品生產中是絕不允許的。

因此，在生產模式切換過程中，如果某個房間的送風（或回風）突然變小而回風（或送風）沒有同時變化，則房間的送回風差產生變化，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。這有可能導致相鄰房間的壓差逆轉，比如本來應該相對于走廊負壓的生產車間突然相對走廊正壓。由于業(yè)主QC部門要求很高，即使是在下班停產后切換到夜間模式時，也不允許有壓差逆轉的情況發(fā)生。

2.3 模式切換時的壓力控制方法

問題的關鍵在于房間送回風支管上變風量閥的反應速度和控制方式。

在該項目中的設計中，房間的送回風支管上都安裝有VAV。VAV設定了兩個數值，即正常模式和值班模式的風量。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，VAV閥處于正常模式的風量設定值，在車間下班時，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，使用反應速度較快的VAV閥至關重要。如果反應速度較慢容易出現壓差扭轉。舉例來說，如果VAV閥的反應速度在60s的話，在需要對外保持相對正壓的房間中，當正常模式切換到值班模式時，在60s的時間內可能出現送風的VAV閥調節(jié)到位，而回風的VAV閥還沒到位，使得房間的相對正壓低于設計要求，甚至是房間變?yōu)橄鄬ω搲骸?/p>

如果VAV反應速度在1s的話，上述情況最多只可能出現1s的時間，而這是可以接受的。這么短的時間對于生產不會有很大的影響。在工程實踐中，使用文丘里閥體的VAV閥具有比較高的反應速度，可以達到這個要求[2]。

2.4 壓力控制時的注意事項

2.4.1 變風量閥（VAV）與雙速定風量閥（DAV）

由于房間的送風量始終只有兩個數值，即日常模式和值班模式的送風量。所以送風支管上可以選擇可以有兩個調節(jié)量的雙速定風量閥（DAV）。但是即使選擇DAV，也需要使用反應速度較快的DAV，使得房間壓力控制的時間達到最小。

但是對于回風和排風支管上的風閥應選擇VAV，因為間歇性局部排風等原因造成的房間壓力波動，使得回風或排風風量需要產生相應變化。而這些風量的變化值是不固定，因此需要使用VAV而不是DAV。回風或排風的VAV可根據房間內的壓力傳感器進行調節(jié)，以維持房間的壓力。

另外，需要指出的是，在房門打開時，由于房間和室外連通，室內外壓差趨于0Pa，因此在門上裝有傳感器，在打開房門時，壓力控制會適當延遲數秒，在這數秒鐘內，VAV不會根據房間壓力變化。

2.4.2 延時控制

由于VAV是通過BMS進行控制的，可以在BMS中適當設定延時控制。比如在需要正壓的房間中，當日常模式切換到值班模式時，先調節(jié)回風支管的VAV，延遲若干時間（如5s）后再調節(jié)送風支管的VAV。這樣可以保證房間在調節(jié)過程中不會有正壓扭轉為負壓房間。在延時過程中，房間對于周圍的相對正壓值能會高于設計值（如有10Pa變?yōu)?5Pa），但這也是可以接受的，因為GMP只規(guī)定了潔凈區(qū)之間的最小壓差。

需要說明的是，因為VAV的反應速度很快（如1s），延時沒有必要設的很長（如60s），否則對于VAV反應速度的要求就沒有意義了。

3 生產車間的低濕度要求

3.1 生產車間的濕度要求

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

MAU雖然處理的風量較少（僅占全部送風量的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處理的新風承擔）。因此整個空調系統(tǒng)中大部分冷量是MAU消耗的。

所以處理問題的關鍵在于MAU選用何種方式處理新風最節(jié)能。

3.2 濕度控制方案選項

由于MAU需要處理顯熱和潛熱，因此設計時曾經有三個方案：1）直接使用冷盤管冷卻到房間溫度的露點（10℃，7.4g/kg）；2）使用冷盤管預冷新風（約冷至10℃），使用轉輪除濕后再冷卻（約冷至10℃）；3）使用冷盤管預冷新風（約冷至10℃），使用溶液除濕機

關于這三種方式的優(yōu)劣，筆者做了一個簡要的比較，見表1。

表1MAU新風處理方式比較

3.3 濕度控制方案的比較

3.3.1 方案比較的依據

新風的能耗可以由下列公式計算得出：

式中W—新風處理的能耗,kW；

Q—處理新風的風量，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。

該項目中，新風量Q=12000m3/h，新風狀態(tài)點為干球溫度td=38℃，濕球溫度tw=30℃，焓值為i1=99. 4kJ/kg。新風處理后狀態(tài)點為干球溫度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的運行費用。假設條件為：工業(yè)用電費用為1元/kWh，冷凍機COP為4，蒸汽費用為200元/t。

1kW電量1h費用為：1×1=1元

1kW冷量1h費用為：1/4×1=0.25元1kW熱量1h費用為：

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，但需要保證冷凍水的溫度足夠低，使得新風通過表冷后能夠達到預設的狀態(tài)?，F場可以提供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轉輪除濕方案

由于在處理過程中，空氣經過轉輪后會放出大量的凝結熱，并且轉輪自身對于再生熱量的蓄積，使得經過轉輪除濕后的空氣溫升過高，理論上該除濕過程應該是等焓過程，但實際溫度比等焓條件下高出許多[3]。

因此空氣經過轉輪后還需要進行耗費冷量對空氣進行冷卻，。另外，轉輪需要約處理風量1/3的再生空氣，再生空氣的溫度很高（約70℃），能耗也比較大。

假設處理過程如下：新風預冷至15℃，焓值為40.7kJ/kg→轉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，從機房抽取，將機房空氣從35℃加熱至70℃。

其能耗計算如下：

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

轉輪再生熱量：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

該項目選擇的溶液除濕機是將壓縮制冷和溶液除濕結合在一起的空氣調節(jié)裝置。利用壓縮機蒸發(fā)器制出的冷量為溶液除濕提供足夠的冷源，同時又利用冷凝器產生的熱量來對除濕后的稀溶液進行濃縮再生，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，因此不需要想轉輪那樣除濕后冷卻，也不需要使用額外的熱源進行再生，可以有效地降低空調系統(tǒng)的能耗。

另外，由于不需要在機房設置蒸汽管道和再生空氣排風，只需要提供壓縮機和風機的電源，因此對于一些改造項目比較方便。

假設處理過程如下：新風預冷至15℃，焓值為40.7kJ/kg→經過溶液除濕機進行降溫除濕，處理后為干球溫度10℃，含濕量7.4g/kg

其能耗計算如下：

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

壓縮機耗電量：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，以上幾種新風除濕的方法都可以將新風處理到工作狀態(tài)點，而冷凍除濕和溶液除濕的運行費用都比較低。但是考慮到溶液除濕的初投資比較大，項目還是選擇了冷凍除濕的方式。

但是考慮到冷凍除濕時冷量較大，萬一冷凍站出現問題，冷凍水出水溫度高于6℃時會影響生產，因此在MAU的表冷段后面仍然加入轉輪。由于轉輪基本不工作，因此在轉輪下方使用旁通，當轉輪不用時（如過度季節(jié)和冬季）新風表冷后直接從旁通進入AHU，以減少風機壓損。

3.4 新風除濕方案的選取原則

可以看到，在選擇新風除濕的方案時需要對各種除濕方案進行比較分析，才能最終確定其技術方案。雖然在本項目中使用了比較普遍的冷凍除濕+轉輪的MAU的技術方案，但是當項目條件發(fā)生變化時，如項目所在地市政蒸汽費用較高、電費較低，新風的含濕量要求更低時，可能溶液除濕就比較合適。而當項目初投資有限，對新風的含濕量要求又很低時，建議使用新風預冷+轉輪除濕的方式。

4 結語

在該項目的空調系統(tǒng)設計中，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；使用合理的新風處理方式，可以在滿足生產濕度要求的情況下減小能耗。這兩個問題的合理解決，能夠在滿足GMP要求和工藝生產要求的前提下，節(jié)約車間的運行能耗。

當然，雖然這兩項要求在固體制劑車間非常普遍，但是設計人員在空調設計時，也要結合項目的具體情況（如當地的電價、項目的初投資、甲方對于節(jié)能的要求等）在各種技術方案中比較選擇，不能千篇一律。

[1]GB 60457-2008.醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范[S].

[2]付永飛，劉燕敏，胡崔健.適應新版GMP對藥廠風量-壓力控制的探討[J].潔凈與空調技術，2012，（03）：32-35.

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（下冊）[M].2版.北京：中國建筑工業(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，中級工程師，在職研究生，主要從事醫(yī)藥廠房空調設計工作。