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分享 | 某医药工业厂房空调系统设计

让红梅、蔡正燕、靳德勇、吴迪 2024-08-14

本文以山东省某医药液体制剂厂房为研究对象，介绍该洁净厂房空调系统的设计参数、方案选择与设计、压力控制、消毒模式等，重点阐述空调系统的风量计算以及空调系统功能段、空气处理过程、管道设计等，研究结果可为相关设计人员提供参考。

Part.01

工程概况

位于山东省菏泽市的某医药公司，最终灭菌液体制剂生产线生产区为医药洁净丙类厂房，耐火等级为二级，建筑高度为21.3m。空调系统改造区域位于该建筑的3层，改造面积为389.2m²，医药洁净室空气洁净度级别为D级^[1]，温湿度要求为：洁净室温度18~26℃，相对湿度45% ~65%；非洁净室冬季温度16~20℃，夏季温度26~30℃，对湿度无要求。

本项目改造区域空调设计制冷量为220kW,设计制热量为131kW,设计加湿量为92.2kg/h。空调冷源采用水冷螺杆式冷水机组制取的7℃/12℃冷水,接至厂房原有系统中,组合式空调箱放在原有空调机房的预留区域;空调加热和加湿均采用0.3 MPa蒸汽,接至厂房原有系统中,蒸汽产生的高温凝结水接入室外降温池中冷却后排放。

生产工艺平面图见图1。

图1 最终灭菌液体制剂生产线平面图

Part.02

空调系统设计

2.1

设计方案

D级洁净室采用净化组合式空调箱与高效空气过滤器相结合的空调形式,气流组织为上送风侧下回风,回风与新风混合后,经组合式空气处理机组(过滤、降温、升温、加湿等)处理至送风状态点,经高效空气过滤器送至各个房间,消除室内负荷。回风经回风夹道回到组合式空气处理机组。净化组合式空调箱典型功能段为:进风段→初效过滤段→预热段→混风段→加热段→表冷挡水段→再热段→加湿段→风机段→均流段→中效过滤段→出风段。

非洁净室采用组合式舒适空调箱与方形散流器相结合的空调形式,气流组织为上送风上回风,回风与新风混合后,经组合式空气处理机组 (过滤、降温、升温等)处理至送风状态点后,经方形散流器送至各个房间,消除室内负荷。组合式舒适空调箱典型功能段为:混风段→初效过滤段→加热段→中间段→表冷挡水段→风机段→出风段。

2.2

送风量确定

根据 GB50457—2019《医药工业洁净厂房设计标准》^[1]中9.3.4条款,洁净室的送风量应为下列各项的最大值:

1)维持洁净度级别要求所需的送风量;

2)维持洁净度级别所需的“恢复时间”确定的送风量;

3)根据室内热湿负荷计算确定的送风量;

4)向医药洁净室内供给的新鲜空气量。

维持洁净级别要求所需的送风量L(m³/h)为

L=nV (1)

式中:V为房间体积(m³);n为换气次数(次/时)。

根据 GB50457—2019,D级洁净室换气次数取值范围为6~20次/时。结合实际工程经验^[2],本项目洁净室换气次数n取18次/时,非洁净室换气次数n取10次/时。

洁净室内的新鲜空气量为max(维持正压所需压差风量+补充排风量,卫生风量)。其中,卫生风量应保证室内每人新鲜空气量不小于40m³/h。

洁净室压差风量的计算方法有缝隙法和换气次数估算法,前者相对合理和准确。但是,单位长度缝隙渗漏空气量的计算比较复杂,因此实际工程中大多数是按照房间换气次数估算。采用换气次数估算法宜选用下列数据^[3]:压差为5Pa时,换气次数取1~2次/时;压差为10Pa时,换气次数取2~4次/时。气密性差的房间取上限,气密性好的房间取下限,本项目均取下限。

部分房间的风量计算见表1。

表1 部分房间风量计算表

为了降低空调系统的总阻力,通常按照额定风量的70%~80%^[1]确定送风口规格,送风口必须设置高效空气过滤器。高效空气过滤器送风口常用规格见表2。需要说明的是,高效空气过滤器的阻力达到初阻力的1.5~2.0倍时,需要更换高效空气过滤器^[3]。

表2 高效空气过滤器送风口常用规格

2.3

净化空调箱空气处理过程

净化空调系统采用一次回风方式,夏季处理过程如图2(a)所示,新风状态点W与回风状态点N混合后,混合点C经表冷器除湿达到露点L,再进行加热处理达到送风状态点O,然后送入房间^[4-7]。冬季处理过程如图2(b)所示,新风状态点W经过预热,预热点 W'与回风状态点N混合,混合点C经过加热达到送风状态点O'的等温线O点上,再经过等温加湿到送风状态点O',然后送入房间。

图2 一次回风系统空气处理过程

夏季空调系统总冷负荷Q_L(kW)为

Q_L=ρL(h_C-h_L)/3600 (2)

式中:h_C为混合状态点焓值(kJ/kg);h_L为露点焓值(kJ/kg);ρ为空气密度(kg/m³),取1.2kg/m³。

空调系统再热负荷Q_Z(kW)为

Q_Z=ρL(h_O-h_L)/3600 (3)

式中h_O为送风状态点焓值(kJ/kg)。

冬季空调系统预热负荷Q_W(kW)和加热负荷Q_R(kW)分别为

Q_W=ρcL_W (t_W'-t_W)/3600 (4)

Q_R=ρcL(t_O-t_C)/3600 (5)

式中：L_W为空调系统新风量(m³/h)；c 为空气比热容，取1.01kJ/(kg·℃)；t_W为新风状态点温度(℃)；t_W'为预热状态点温度(℃)；t_O为送风状态点温度(℃)；t_C为混合状态点温度(℃)。

冬季空调机组加湿负荷W(kg/h)为

W=ρL(d_O'-d_C)/1000 (6)

式中:d_C为混合状态点绝对含湿量(g/kg)；d_O'为送风状态点绝对含湿量(g/kg)。

2.4

通风方案

根据工艺要求,部分产尘、产湿、有异味的房间需要设置排风系统,排风应满足环保要求。换鞋、更衣、洗衣、配液、称量、灭菌等房间做全室排风,灌装间内灌装机做设备局部排风,换鞋间预留鞋柜通风管道接口。采用中效过滤排风机组将洁净室内空气排至室外安全处,为了防止室外气体倒灌,排风机组出口加装电磁密闭风阀,该风阀与排风机组连锁启闭。排风机组选型风量在计算风量的基础上考虑15%~20%的漏风系数,风机选型压力在系统计算的压力损失基础上考虑15%的附加系数^[4]。

2.5

空调系统风管设计

空调系统风管内风速要求^[3,8]如下:总管风速宜为6~10m/s,无送风口、回风口的支风管风速宜为4~6 m/s;有送风口、回风口的支风管风速宜为2~5m/s。各房间的送风支管上安装定风量阀(CAV),各房间的回风/排风支管上安装变风量阀(VAV),定风量阀和变风量阀均可水平安装或垂直安装。每个送风口、回风口、排风口的支管上均安装手动对开多叶调节阀。空调系统送风管道布置见图3。

图3 空调系统送风管道布置图

因为净化区需要定期进行空气消毒灭菌,消毒气体通过空调管道输送,所以空调系统的送风管、回风管、排风管、风阀及风口等制作材料和涂料均能够耐受消毒灭菌气体的腐蚀。

2.6

正压控制

为保证实际运行中洁净空气能够按照规定的流向流动,使洁净室内的洁净度不会受到污染气流的干扰,洁净室之间要保证一定的压差。在实际工程中,通常以洁净走廊的压力值作为基准,将各洁净室的压力与洁净走廊进行比较。本项目各房间的压力设定值(p_z)如图4所示。

图4 各房间压差示意图

在本项目各房间的送风支管上设置压力无关型定风量阀,回风/排风支管上设置压力无关型变风量阀,通过调整阀门开度控制房间正压维持在设定值。定风量阀为机械式,在出厂时已经根据设计风量完成风量值设定。

变风量阀需要接收来自房间压力传感器的信号,当房间压力值偏离设定值时,变风量阀自带执行器通过调节内部阀片将风量调至实际需求风量值^[9]。

2.7

消毒模式

本项目采用外置式水冷空气源臭氧发生器进行洁净室的空气消毒灭菌^[7]。臭氧发生器采用柜式,设置在净化组合式空调箱附近,主气管与送风主管连接。臭氧发生器臭氧产量为180g/h,臭氧浓度 ≥1×10^-5。在正常运行模式下,臭氧发生器、消毒排风机及其管道上的消毒排风电动风阀关闭,送风机、新风电动风阀、消毒排风机、中效排风机、臭氧发生器、回风主管电动风阀开启,循环消毒;在消毒排风模式下,开启新风电动风阀、送风机、中效排风机、消毒排风机及其风管上消毒排风电动风阀,关闭臭氧发生器、回风主管电动风阀,将室内臭氧气体排出,排出残余消毒气体后,系统恢复正常运行。净化空调系统原理见图5。