雙碳背景下重慶某醫藥陰涼庫空調系統低碳設計實踐

張華廷，孫曼莉，孫杰，毛偉

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

根據《醫藥工業倉儲工程設計規范》（GB 51073—2014），溫度不高于20℃，且相對濕度為35%～75%的倉庫為陰涼庫。隨著健康中國戰略深度實施以及《藥品經營質量管理規范》不斷修訂升級，藥品對存儲環境的要求日益嚴格，陰涼庫的建設需求愈發旺盛。據調查，在陰涼庫項目整體能耗中，中央空調系統能耗占比為80%～90%。因此，在雙碳目標背景下，探討陰涼庫空調系統的低碳設計意義重大。

關于醫藥陰涼庫的設計，已有專家進行了不同角度和不同程度的研究。陳敏[1]以福州某工業物流園內醫藥陰涼庫通風空調設計為背景，從空調系統、空調水系統、排煙系統3 個角度出發，分析了設計過程中需注意的要點。朱棟等[2]采用全年能耗模擬軟件Energyplus 對夏熱冬冷地區藥品陰涼庫節能策略進行了研究。謝敏琴[3]以相關法規對藥品生產企業陰涼庫的要求為切入點，對藥品生產企業陰涼庫控制結露進行了全面研究。蘇凱宏等[4]對溶液除濕技術在醫藥陰涼庫中的應用可行性和應用方式進行了研究。本文圍繞節能低碳，充分挖掘和利用室外氣象優勢，對醫藥陰涼庫的設計參數取值、空氣處理方案、末端設備與氣流組織方案、冷熱源方案、低碳運行控制策略等關鍵內容進行系統性分析探討。

1 項目概況

項目位于重慶市沙坪壩區，總建筑面積為53880.36m2，地下一層，地上四層，建筑高度為23.8m。主要功能有高架庫、揀配車間、冷藏間，其中冷藏間低于0℃，位于地下一層，按照低溫冷庫設計標準采用制冷系統，不在本文的探討范圍之內。高架庫面積為6505m2，層高為23.8m，輕鋼結構，外墻保溫為80mm 厚硬質玻璃絲棉保溫夾芯板，屋面保溫為100mm 厚硬質玻璃棉。揀配車間面積為34829m2，層高為8.7m、4.8m，鋼筋混凝土框架結構，外墻保溫為40mm 厚難燃性擠塑聚苯板，屋面保溫為50mm 厚難燃性擠塑聚苯板保溫隔熱板。

2 室內環境參數需求特征及設計取值

2.1 溫濕度需求特征及設計取值

要確保藥品質量，儲存溫濕度必須滿足要求，否則，藥品質量降低、療效下降，甚至會對人產生不良反應和毒性，因此設計必須嚴格保證藥品儲存溫濕度需求。陰涼庫溫濕度需求為“T ≤20℃，RH=35%～75%”，其特征為溫度、濕度均沒有控制基準值和明確的控制精度要求（如±0.5℃、±1℃、±2℃），溫度只有上限要求無下限要求，濕度的控制區間范圍大。基于上述需求特征，在滿足藥品存儲條件和兼顧工作人員熱舒適性的前提下，以節能減排為目的，按“夏季，溫濕度均取高值；冬季，溫度維持低溫，濕度取高值”的原則進行取值，具體取值如下：

（1）對于夏季，考慮2℃～3℃的溫度波動范圍和10%的濕度波動范圍，溫度設計取值可以取17℃～18℃，相對濕度設計取值可取65%，該項目溫濕度取值分別為18℃/65%；

（2）冬季，如果采用微量除濕方案，則溫濕度取值為4℃/65%；如果采用低溫供暖方案，則溫濕度取值為6℃/65%。詳細分析見第3 節。

2.2 新排風需求特征及設計取值

新排風需求具有以下特征：

（1）無工藝排風需求，相應地無工藝補風需求；

（2）該項目總員工人數200 人，平均人員密度為0.0048人/m2（根據高架庫和揀配車間的總面積41334 m2進行計算）。收發貨、檢驗室、指揮調度中心人員密度相對較大，揀配車間人員稀疏，高架庫內平常幾乎無人，按照人均新風量30m3/h 計算，人員新風需求總量小；

（3）為防止室外空氣滲透入室內影響室內空氣環境，室內需維持至少5Pa 的正壓，需補充換氣次數為1～2 次/h 的新風，該項目設計取值為1.5 次/h。

維持室內正壓所需新風遠大于人員所需新風，該項目將維持室內正壓所需新風量確定為設計新風量。

2.3 運行特征

相比于其他類型項目，案例項目最大的運行特征為：無論晝夜，無論工作日還是各類假期，全年每天都需24h 維持藥品存儲所要求的溫濕度狀態。

3 空調系統方案及能源管理方案

3.1 空氣處理方案

3.1.1 重慶地區建筑熱環境氣象數據特征

重慶為夏熱冬冷地區，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，全年相對濕度大。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》數據，制作重慶全年8760h 的溫度變化曲線（實線）和相對濕度變化曲線（虛線），如圖1 所示。

對于溫度，圖1 表明：重慶地區室外最高溫度約為42℃～43℃，最低溫度為2℃～3℃；溫度≥20℃的小時占比約為45%，溫度＜ 20℃的小時占比約為55%，此特征說明全新風工況利用潛力大；在同一月甚至同一天，可能出現部分時段溫度高于20℃而另一部分時段低于20℃的情況，此特征說明需要完善自控系統及時進行新風工況和回風工況之間的相互切換。

對于相對濕度，圖1 表明：極端情況下，相對濕度會出現低于35%的情況，其小時數占比為0.1%；相對濕度介于35%～75%之間的小時數占比為29.3%；相對濕度≥75%的小時數占比為70.6%。全年相對濕度數據表明重慶地區的陰涼庫除濕所需時間長。

圖1 重慶地區全年溫濕度變化曲線

3.1.2 夏季空氣處理方案

根據前文對室內溫濕度需求特征的分析，該項目沒有明確控制精度要求，夏季空氣處理方案可采用一次回風機械露點（90%）進行空調送風，即最大送風溫差送風?，F以高架庫為例進行相關計算分析。高架庫的室內冷負荷為1212.84kw，室內濕負荷為9kg/h，新風量為229300m3/h，其一次回風機械露點送風處理過程焓濕圖如圖2 所示。經計算，送風點O 的狀態參數為12.9℃/90%，夏季室內設計參數18℃/65%所對應的露點溫度為11.2℃。送風溫度高于室內空氣的露點溫度，不會導致送風口結露。

圖2 夏季空氣處理焓濕圖

3.1.3 冬季空氣處理方案

為了滿足重慶冬季陰涼庫的溫濕度控制要求，提出如下兩種處理方案，該項目最終采用微量除濕方案。

（1）微量除濕

重慶冬季空氣調節室外氣象參數為2.2℃/83%，對應的含濕量為3.9g/kg。根據相關研究成果，在不采取供暖加熱的自然狀態下，重慶冬季室內溫度比室外溫度高2℃～3℃，本文暫定高2℃，則自然狀態下室內溫度為4℃。在室內相對濕度控制為65%時，對應的含濕量為3.4g/kg，與室外空氣的含濕量差為0.5g/kg。

以高架庫為例，在自然狀態下，假定室內外空氣自然滲透的換氣次數0.5 次/h，滲透風量為77400m3/h，則需要的除濕量為46.44 kg/h。

（2）低溫供暖

根據焓濕圖計算，含濕量為3.9g/kg，相對濕度為65%時，則對應的溫度需達到5.8℃，故低溫供暖的室內溫濕度可取值為6℃/65%。

3.2 空調冷源方案

3.2.1 冷源設備的選擇

由于該項目冬季不對室內溫度進行主動調控，不需要熱源，故在此僅討論冷源方案。板管蒸發冷卻螺桿式冷水機組利用水蒸發吸收潛熱使制冷劑蒸氣冷凝，與風冷機組和冷卻塔水冷式機組相比，能效比更高，且具有系統簡單、節省水資源、機組一體化、節約占地面積、便于維護管理等優勢，故冷源設備采用板管蒸發冷卻螺桿式冷水機組。該項目總冷負荷為9723.1kW，共設置6 臺制冷量為1760kW 的冷水機組，蒸發冷卻水采用軟水。

3.2.2 供回水溫度的確定

項目的送風溫度為12.9℃，送風溫度較低，需要慎重判斷常規7/12℃供回水溫度能否實現此送風溫度。《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019—2015）規定“采用低溫送風空氣調節系統時，空氣冷卻器出風溫度與冷媒進口溫度之間的溫差不宜小于3℃”，相應條文說明對此進行了解釋，即“制約空氣冷卻器出風溫度的條件是冷媒溫度，如果冷卻盤管的出風溫度與冷媒的進口溫度之間的溫差（接近度）過小，必然導致盤管傳熱面積過大而不經濟，以致選擇盤管困難”。該項目空氣冷卻器的出風溫度即送風溫度為12.9℃，與7℃供水溫度相差5.9℃，滿足此項要求，故項目冷凍水供回水溫度仍然采用7/12℃（如果降低供水溫度，則系統能耗將增加），末端設備配置8 排管表冷器。

3.3 空調水系統方案

空調水系統采用一次泵變流量系統，設置6 臺變頻冷凍水泵，分集水器之間設置壓差旁通控制裝置。通過屋頂高位膨脹水箱進行補水定壓，冷凍水主管上設置全自動綜合水處理器。各冷水機組之間的冷凍水供回水管同程布置，空調末端設備的供回水管異程布置。

3.4 末端設備與氣流組織方案

3.4.1 末端設備方案

末端設備方案的選擇，既需把控室內溫濕度需求特征，又需把控室外氣象特征，同時還需考慮項目室內空間的幾何尺度大小。該項目夏季溫度低，全年24h 運行，過渡季節新風利用潛力大，室內空間屬于高大空間，要求空調末端設備冷卻降溫能力強、能夠實現全新風運行且便于維護，因此項目夏季空調末端設備選擇組合式空調機組（配變頻風機），組合式空調機組表冷器的制冷量根據室內溫濕度參數和供回水溫度進行修正校核。

冬季微量除濕末端設備選擇熱回收型管道除濕機，該除濕機采用制冷系統的蒸發器對空氣進行冷卻除濕，然后采用制冷系統的冷凝器對除濕處理之后的低溫空氣進行再熱。整個機組沒有外機，除濕效果顯著，能效比高，安裝示意圖如圖3 所示。此外，在各陰涼庫的出入口設置空氣幕。

圖3 除濕機安裝示意圖

3.4.2 氣流組織方案

高架庫為輕鋼結構，且層高為23.8m（未設置吊頂），采用上送下回的氣流組織形式，送風管采用布袋式送風管，沿兩長邊墻體向下至標高6m 范圍內設送風支管。

對于層高為8.7m 的揀配車間（未設置吊頂），采用上送下回的氣流組織形式，送風管采用布袋式送風管。對于層高為4.8m的揀配車間（未設置吊頂），采用上送上回的氣流組織形式，送風管采用熱鍍鋅鋼板，送風口為雙層百葉送風口。

3.5 低碳運行控制策略

參數監測與顯示：室外溫濕度、各陰涼庫室內溫濕度、設備啟停狀態、電動閥門狀態、設備能耗。陰涼庫室內溫濕度測點布置要求為：水平方向，每300m2布置1 個監測點，每增加300m2則增加1 個監測點；豎向，分上、中、下三個位置進行布置，上層測點終端的安裝高度不低于最上層貨架存放藥品的最高位置。

冷源與輸配系統控制：電動閥、水泵、冷水機組順序啟動及啟停連鎖控制；根據末端冷量需求，進行冷水機組臺數控制；根據供回水壓差進行水泵臺數及變頻控制。

空調末端設備控制：夏季，當室內溫度超過18℃或相對濕度超過70%時，開啟空調末端設備，當室內溫度低于15℃時，關閉空調末端設備；夏季及過渡季節當室外氣溫≥18℃時，則按最小新風工況運行，當室外氣溫低于18℃時，則進行全新風工況運行；冬季，當室內相對濕度≥70%，則啟動管道式除濕機，當室內相對濕度≤55%，則關閉管道式除濕機。

4 運行數據實測分析

1 月為重慶地區全年最冷月，8 月為重慶地區全年最熱月，從自控系統實測數據庫中提取高架庫最冷月和最熱月每天最低和最高溫濕度數據，整理為表1—表4。2022 年1 月溫度范圍為11.6℃～14.2℃，相對濕度范圍為42%～68%；2022 年8 月（出現了重慶罕見的酷熱天氣）溫度范圍為17.8℃～19.1℃，相對濕度范圍為54%～68%。數據表明項目溫濕度達到了設計預期效果，滿足規范要求，同時說明了項目設計所選擇的技術方案是可行的。

表1 高架庫1 月溫度數據表

表4 高架庫8 月濕度數據表

冬季室內溫度偏高，有三方面原因：（1）除濕機采用制冷系統的蒸發器對空氣進行冷卻除濕之后，采用冷凝器對除濕處理之后的低溫空氣進行再熱，除濕的潛熱和除濕機的電功率均被用于加熱室內循環空氣；（2）物流工藝設備和照明具有一定的發熱量；（3）經查重慶歷史氣溫數據， 2022 年1 月的最低氣溫為4℃，最高氣溫為17℃，平均高溫為12℃（全月，每日最高溫的平均值），平均低溫為8℃（全月，每日最低溫的平均值）。

表2 高架庫1 月濕度數據表

表3 高架庫8 月溫度數據表

5 結論

本文圍繞重慶地區醫藥陰涼庫空調系統低碳設計展開分析，可得出以下結論：

（1）陰涼庫具有“溫度、濕度均沒有控制基準值和明確的控制精度要求，溫度只有上限要求無下限要求，濕度的控制區間范圍大”的溫濕度需求特征，具有“無工藝送排風，人員新風需求量少，維持正壓新風需求量大”的新風特征，且具有需全年24h 運行的運行特征?？砂础跋募?，溫濕度均取高值；冬季，溫度維持低值，濕度取高值”的原則進行室內溫濕度設計取值，夏季溫濕度取值可分別為18℃/65%，冬季可取值為6℃/65%；

（2）重慶地區陰涼庫全新風工況運行潛力大，除濕需求時間長，適宜采用“夏季組合式空調機組降溫除濕，冬季微量除濕（熱回收型管道除濕機）或低溫供暖，過渡季節全新風運行”的空氣處理方案和末端設備方案；

（3）重慶地區陰涼庫適宜采用板管蒸發冷卻螺桿式冷水機組，常見的冷凍水供回水溫度7/12℃仍然可滿足陰涼庫的空氣處理需求；

（4）基于充分挖掘利用氣象優勢，重慶地區陰涼庫可采用“冷水機組臺數控制，水泵臺數和變頻控制，夏季控溫、冬季控濕、過渡季節全新風運行”的低碳運行控制策略。