生物制藥潔凈空調(diào)箱夏季工況設(shè)計(jì)改造模擬

楊冕+王嘉+呂強(qiáng)+楊雪+郭楊

摘 要：介紹了2個(gè)傳統(tǒng)生物制藥傳統(tǒng)一次回風(fēng)的潔凈空調(diào)箱的測(cè)試結(jié)果，并從中發(fā)現(xiàn)一次回風(fēng)空調(diào)箱的再熱量較大，這種做法存在嚴(yán)重冷熱抵消問題。通過讓新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷，從理論上建立模型模擬，模擬的結(jié)果表明這種優(yōu)化做法可以大幅度減少空調(diào)箱的再熱量及制冷量，具有很好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：潔凈空調(diào)箱；生物制藥；新風(fēng)空調(diào)機(jī)組；回風(fēng)空調(diào)箱；模擬計(jì)算

中圖分類號(hào)：R917 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0180-09

由于生物制藥行業(yè)的產(chǎn)品的特殊性，必須確保產(chǎn)品質(zhì)量的萬(wàn)無一失，所以生物制藥行業(yè)有較為嚴(yán)格的產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范，特別對(duì)于生產(chǎn)廠房的潔凈度要求較高。在國(guó)家強(qiáng)制頒布執(zhí)行的生物制藥領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》[1]即GMP標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)潔凈間的潔凈度、溫濕度、壓差和新鮮空氣量均有一定要求。對(duì)于潔凈度，生物制藥領(lǐng)域的潔凈度等級(jí)見表1。

由表1可以看出：A、B相當(dāng)于百級(jí)，C級(jí)相當(dāng)于萬(wàn)級(jí)，D級(jí)相當(dāng)于十萬(wàn)級(jí)。

潔凈區(qū)的設(shè)計(jì)必須符合相應(yīng)的“靜態(tài)”標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到“動(dòng)態(tài)”的潔凈要求。“靜態(tài)”是指安裝已經(jīng)完成并已運(yùn)行，但沒有操作人員在場(chǎng)的狀態(tài)。而“動(dòng)態(tài)”是指生產(chǎn)設(shè)施按預(yù)定工藝模式運(yùn)行并有規(guī)定數(shù)量的操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作的狀態(tài)。生產(chǎn)操作全部結(jié)束，操作人員撤離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并經(jīng)15～20min（指導(dǎo)值）自凈后，潔凈區(qū)應(yīng)達(dá)到表中的“靜態(tài)”標(biāo)準(zhǔn)。藥品或敞開容器直接暴露環(huán)境微粒動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果應(yīng)達(dá)到表中A級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。無菌操作的隔離操作器所處環(huán)境的級(jí)別至少應(yīng)為D級(jí)。而對(duì)應(yīng)我國(guó)的《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（GB 50073-2001）中明確規(guī)定了不同級(jí)別的非單向流潔凈室潔凈送風(fēng)量計(jì)算所需的經(jīng)驗(yàn)換氣次數(shù)，見表2。

而對(duì)于溫濕度控制要求，潔凈間的溫度和相對(duì)濕度在無特殊工藝要求，則控制在18～26℃，相對(duì)濕度控制在45%～65%。

對(duì)于壓差的控制，在工藝不產(chǎn)生有毒等特殊物質(zhì)的情況下，潔凈間與室外大氣的靜壓差應(yīng)大于10Pa，而不同等級(jí)相鄰間之間的靜壓差應(yīng)大于5Pa。

而對(duì)于潔凈間的新鮮空氣量，數(shù)值應(yīng)取下列風(fēng)量中的最大值：

（1）非單向流潔凈室總送風(fēng)量的10%～30%，單向流潔凈室總送風(fēng)量的2%～4%；

（2）補(bǔ)償室內(nèi)排風(fēng)和保持正壓值所需的新鮮空氣量；

（3）保證室內(nèi)每人每小時(shí)的新鮮空氣量不小于40m3。

綜上所述，由于生物制藥潔凈間的特殊要求，潔凈空調(diào)箱為了滿足以上要求，其設(shè)計(jì)則非常重要，而其空調(diào)箱所消耗的冷熱量的節(jié)能意義更加重要。

1 生物制藥常規(guī)潔凈空調(diào)箱設(shè)計(jì)介紹

生物制藥車間多采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)大多使用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，下面就介紹典型生物制藥常規(guī)潔凈間的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的幾個(gè)實(shí)測(cè)案例。

1.1 生物制藥常規(guī)潔凈空調(diào)箱案例介紹

1.1.1 北京天壇生物制藥基地潔凈空調(diào)箱測(cè)試（無生產(chǎn)）

北京天壇生物制藥基地潔凈空調(diào)箱采用的一次回風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)箱，如下面系統(tǒng)圖所示，新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)先進(jìn)行混風(fēng)，然后經(jīng)過表冷器，冷凍除濕到機(jī)器露點(diǎn)，然后再用蒸汽再熱和蒸汽加濕，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，然后送入室內(nèi)。測(cè)試測(cè)點(diǎn)及測(cè)量的物理量如圖1所示。

圖1北京天壇生物制藥基地潔凈空調(diào)箱系統(tǒng)原題圖實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2、表3所示：由于測(cè)試期間為生物制藥的生產(chǎn)淡季，測(cè)試條件有限，所以測(cè)試的空調(diào)箱對(duì)應(yīng)的潔凈廠房無生產(chǎn)，所以室內(nèi)負(fù)荷較小，而在焓濕圖上看到有較大的再熱負(fù)荷。

從焓濕圖上可知，對(duì)于回風(fēng)來說，先被冷凍除濕到了很低溫度，然后又再熱加濕到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)上，且回風(fēng)量較大，所以存在較大的冷熱抵消。

1.1.2 上海某生物制品研究所潔凈空調(diào)箱測(cè)試（有生產(chǎn)）

上海某生物制品研究所的潔凈空調(diào)箱采用的是一次回風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)箱，如下面系統(tǒng)圖所示，新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)先進(jìn)行混風(fēng)，然后經(jīng)過表冷器，冷凍除濕到機(jī)器露點(diǎn)，然后再用蒸汽再熱和蒸汽加濕，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，然后送入室內(nèi)，見圖3。測(cè)試方法與前一個(gè)案例相同。

實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4、表4所示。上海此處的測(cè)試空調(diào)箱處于生產(chǎn)狀態(tài)，所以室內(nèi)負(fù)荷較大，室內(nèi)的熱濕比為14110，測(cè)試空調(diào)箱由于是潔凈空調(diào)箱，由于有換氣次數(shù)要求，這里取其換氣次數(shù)為50次，取房間高度為3m，計(jì)算出房間面積為155m2，然后計(jì)算出來房間負(fù)荷為80W/m2。

與前一個(gè)案例類似，從焓濕圖上可知，對(duì)于回風(fēng)來說，先被冷凍除濕到了很低溫度，然后又再熱加濕到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)上，且回風(fēng)量較大，所以也存在較大的冷熱抵消。

1.2 生物制藥常規(guī)潔凈空調(diào)一次回風(fēng)空調(diào)箱存在問題

綜合上面介紹的兩個(gè)實(shí)測(cè)案例，我們可以發(fā)現(xiàn)由于生物制藥潔凈間送風(fēng)量較大，送回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)較為接近，而傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)是將回風(fēng)全部經(jīng)過表冷器，由于表冷器有除濕的要求，冷凍水溫均較低，北京的系統(tǒng)供水溫度僅為6℃，而上海的系統(tǒng)的供水溫度為11.2℃，而其處理后空氣都處于機(jī)器露點(diǎn)，則對(duì)于回風(fēng)來說就是在過分地冷凍除濕了，而由于生物制藥的溫濕度精度控制問題，所以又必須加上再熱加濕裝置，所以使得再熱負(fù)荷較大，存在嚴(yán)重的冷熱抵消。

我們結(jié)合第一個(gè)案例，北京天壇生物制藥的潔凈空調(diào)箱的冷熱量情況進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5所示，由于一次回風(fēng)系統(tǒng)將回風(fēng)都經(jīng)過了表冷器，使得回風(fēng)在表冷器上被過分地冷凍除濕，最后在再熱加濕的階段又存在較大的再熱量，所以是不節(jié)能的一種做法。從空調(diào)箱的設(shè)計(jì)上需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

而從測(cè)試結(jié)果來看，新風(fēng)負(fù)荷時(shí)空調(diào)箱的主要負(fù)荷，而房間負(fù)荷較小，其次，送風(fēng)量較大，送回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)接近，所以可以考慮不處理回風(fēng)，讓新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷，通過新風(fēng)冷凍除濕之后的空氣與回風(fēng)混合送入室內(nèi)，達(dá)到室內(nèi)溫濕度要求，可以大大減少表冷器冷量以及再熱加濕量。endprint

1.3 生物制藥常規(guī)潔凈空調(diào)箱現(xiàn)狀夏季工況模擬

1.3.1 常規(guī)潔凈空調(diào)箱表冷器模型建立

為了對(duì)比夏季工況空調(diào)箱改造前后的節(jié)能效果，而由于測(cè)試條件有限，目前測(cè)試空調(diào)箱僅有較短時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)，所以需要通過模型建立來模擬一個(gè)夏天的現(xiàn)狀工況。此處針對(duì)北京某生物制藥的測(cè)試的潔凈空調(diào)箱進(jìn)行模擬計(jì)算。通過圖6所示的民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[3，4]的一個(gè)表冷器的校驗(yàn)流程，對(duì)于測(cè)試的實(shí)物空調(diào)箱進(jìn)行模型建立。

1.3.2 常規(guī)潔凈空調(diào)箱表冷器模型校驗(yàn)

首先利用實(shí)測(cè)的10個(gè)小時(shí)的新風(fēng)參數(shù)作為輸入量進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

常規(guī)潔凈空調(diào)箱現(xiàn)狀夏季工況模擬結(jié)果：

首先，由于測(cè)試時(shí)空調(diào)箱對(duì)應(yīng)的潔凈間沒有生產(chǎn)，所以使用工藝相似的上海正在生產(chǎn)的室內(nèi)負(fù)荷80W/m2，熱時(shí)比設(shè)為14110，室內(nèi)回風(fēng)溫濕度設(shè)定為20.5℃、65%，由熱濕比和室內(nèi)負(fù)荷推得送風(fēng)參數(shù)應(yīng)為：19.3℃、69%。然后將北京夏季空氣干球溫度以及含濕量當(dāng)作新風(fēng)的參數(shù)，作為模型的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行整個(gè)夏天工況的模擬計(jì)算，主要計(jì)算空調(diào)箱的累計(jì)冷量和累計(jì)再熱量。結(jié)果如表5、圖9所示。

2 生物制藥潔凈空調(diào)箱夏季工況設(shè)計(jì)改造

2.1 生物制藥潔凈空調(diào)箱夏季工況新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷方案

由上文可知，從測(cè)試結(jié)果來看，新風(fēng)負(fù)荷時(shí)空調(diào)箱的主要負(fù)荷，而房間負(fù)荷較小，其次，送風(fēng)量較大，送回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)接近，所以可以考慮不處理回風(fēng)，讓新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷，通過新風(fēng)冷凍除濕之后的空氣與回風(fēng)混合送入室內(nèi)，達(dá)到室內(nèi)溫濕度要求，可以大大減少表冷器冷量以及再熱加濕量。所以簡(jiǎn)化的系統(tǒng)原理圖如圖10所示。

而是否真的能以新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷，需要具體的計(jì)算。將其原理在焓濕圖上表示出來，如圖11所示。

如圖所示，室外新風(fēng)W先冷凍除濕到機(jī)器露點(diǎn)L，然后與室內(nèi)回風(fēng)N混風(fēng)達(dá)到C，S為設(shè)定的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，當(dāng)C點(diǎn)距離S點(diǎn)很近的時(shí)候，若能滿足室內(nèi)的溫濕度，就可以不再熱加濕，如果需要，再熱加濕量將顯著減小。且回風(fēng)不被過分冷卻，也會(huì)更多地減少冷量消耗。

2.2 生物制藥潔凈空調(diào)箱夏季工況新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷模擬

2.2.1 優(yōu)化改造空調(diào)箱選型計(jì)算及模型建立

新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷的方案中，由于新風(fēng)量測(cè)試中為1000m3/h，需要對(duì)表冷器重新選型，通過民用簡(jiǎn)直空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]的表冷器的選擇方法進(jìn)行重新選型，如圖12所示。

而由于手冊(cè)上表冷器最小迎風(fēng)面積為0.3m2，且迎面風(fēng)速最小為1.5m/s，再考慮到新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷，所以將新風(fēng)量變?yōu)?500m3/h，總風(fēng)量依舊為7850m3/h，來進(jìn)行模擬，在選型的時(shí)候使用全年新風(fēng)溫濕度最大的點(diǎn)進(jìn)行選型，滿足熱濕負(fù)荷要求極值。

最終選型為STTL型表冷器，長(zhǎng)度為1m，表面管數(shù)為8，排數(shù)為6排，換熱面積為37.5m2，迎風(fēng)面積0.3m2，通水面積為7.35×10-4m2，且此時(shí)的表冷器傳熱系數(shù)公式為：

2.2.2 夏季工況優(yōu)化改造模擬結(jié)果

將新風(fēng)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行整個(gè)夏天工況模擬，這里模擬設(shè)定風(fēng)量比不變，水量也不進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后計(jì)算冷量和再熱量的累計(jì)計(jì)算。模擬結(jié)果如圖13、14、表6所示。

另外，我們觀察在再熱之前的空氣的溫濕度，與標(biāo)準(zhǔn)的送風(fēng)溫濕度19.3℃、69%相比較來看，差別不大，很多時(shí)候是可以滿足一般生物制藥潔凈間的室內(nèi)溫濕度要求：溫度18～26℃，相對(duì)濕度：45%～65%，并且可以通過調(diào)節(jié)新風(fēng)的混風(fēng)量，來做到不需要再熱加濕，目前的風(fēng)量比例是一個(gè)固定的數(shù)值，這與實(shí)際運(yùn)行簡(jiǎn)單操作的實(shí)際工程現(xiàn)狀相一致，但是完全去掉再熱加濕的設(shè)備的可能性在理論上是可行的。

2.3 生物制藥潔凈空調(diào)箱夏季工況改造前后對(duì)比小結(jié)

通過以上模擬計(jì)算，可見由于避免了大量回風(fēng)的過分冷卻，使得總的冷量和再熱量都顯著地減小了，其中冷量可以減少65%，再熱量可以減少59%（圖15、表7）。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在常規(guī)生物制藥的空調(diào)系統(tǒng)中，在沒有特殊室內(nèi)溫濕度要求的情況下，新風(fēng)負(fù)荷為主要負(fù)荷，且由于潔凈間送風(fēng)量較大，送回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)較為接近，而表冷器的冷凍除濕由于除濕要求，會(huì)使得傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)常常是回風(fēng)被過分冷卻，并用再熱加濕的功能重新再熱，存在嚴(yán)重的冷熱抵消，在這種負(fù)荷特性下，是一種不節(jié)能的設(shè)計(jì)方案。

（2）通過模擬，在北京地區(qū)的生物制藥生產(chǎn)常規(guī)潔凈間空調(diào)箱，其新風(fēng)獨(dú)立承擔(dān)熱濕負(fù)荷的方案在理論上是可行的，且節(jié)能量較大，從簡(jiǎn)單的算例來看，相對(duì)于傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)可以節(jié)省冷量65%，再熱量59%，具有很好的節(jié)能效果。

（3）對(duì)于沒有特殊室內(nèi)溫濕度要求的生物潔凈間，其溫濕度要求控制范圍是溫度：18～26℃，相對(duì)濕度：45%～65%，所以通過調(diào)節(jié)風(fēng)量比例和冷水量，是可以將再熱量進(jìn)一步減少。

4 不足與期望

（1）本文模擬的過程中沒有考慮到自控的變工況，而是整個(gè)夏天風(fēng)量和水量沒有進(jìn)行調(diào)整，所以仍然存在較大的再熱量，如果完善一套可行的自控或者人工控制的方法，是可以進(jìn)一步減少再熱量的數(shù)值，在理論上可以做到取消如實(shí)測(cè)案例中的蒸汽再熱和加濕設(shè)備。

（2）本文僅從理論上進(jìn)行模擬，雖然表冷器模型的理論公式與實(shí)際符合已經(jīng)較好[4]，但是仍然需要實(shí)際的工程中進(jìn)行實(shí)際地應(yīng)用，才能更好地推廣開。而類似的新、回風(fēng)獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)，在案例二中的上海某生物制品研究所中已得到應(yīng)用，且節(jié)能效果良好[5]，所以期望有更多的空調(diào)設(shè)計(jì)方案中可以針對(duì)實(shí)際負(fù)荷狀態(tài)來選擇適合的空氣處理方式。

參考文獻(xiàn)

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