mRNA洁净厂房暖通设计原理及方法

蒋文平、钱程、张坤、焦士睿 2024-10-17

自从新冠疫情爆发以来，全民接种疫苗的呼声越来越高，疫苗生产规模越来越大。该文以上海某大型 mRNA 疫苗产业化基地项目为例，探讨洁净厂房在暖通空调设计中的实际应用。该类项目洁净室体量大、通风系统多样、生产工艺复杂，针对其设计原则、洁净空调系统和排风排烟系统进行简要分析，设计要点包括功能系统划分、空调风系统布置、气流组织形式、房间设备排风系统和事故防排烟等，提出了设计中存在的不足并给出了具体解决方案，可以为洁净厂房暖通设计的改进和优化提供参考。

Part.01

设计概况

1.1

工程概况

该工程位于上海市，未来将成为世界一流的溶瘤病毒、mRNA 和肿瘤疫苗研发、中试和产业化的平台。该文以 4#厂房产业化基地为实例，4#厂房产业化基地的建筑类型为丙类高层工业厂房，耐火等级不低于二级。按照功能用途将厂房划分如下：4A 为生物制品辅助车间；4B 为生物制品检测车间；4C 为生物制品中试车间，具体建筑概况见表1。

表1 建筑单体概况

1.2

生产工序环境控制要求

以《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50019—2015）为依据，对各个流程的环境控制要求见表2。

表2 生产工序分区环境控制要求

Part.02

设计原则

2.1

系统划分

为了保证生物疫苗的生产、环境和疫苗产品的生产操作、管理，避免交叉污染，其分类原则如下：

1）为了方便生产和经营，各个功能区均设置了独立空调系统；

2）为了防止疫苗制品的相互污染，不同的生产品种研发区域必须独立分开^[1]；

3）将活疫苗与灭活疫苗、活疫苗和非活疫苗、有毒和无毒的实验室生产研发区域分开，防止相互污染；

4）在生产过程中，当一个工艺过程或单独房间排放的有毒、有害或易燃的物品对其他操作或房间形成污染，或影响室内人员的健康、导致了交叉污染时，须分别设置洁净空调系统^[2]。

2.2

通风系统

利用功能划分来选择空调系统、通风系统和所需形式，实现了操作的灵活性，可以节省资金。通风系统分为一般性、事故性、设备排风和进风系统，需要注意以下5点：

1）为了方便各个洁净空气调节系统、洁净室的风量均衡及压差调节，各个系统的通风须分别进行。

2）针对产热量高、产湿量大和产尘量大的生产装置或房间，应采用局部通风或全室通风。在生物安全柜中，A2 型生物安全柜的气流作用是将 70% 的气体经过过滤后进行再利用，30% 的气体可以通过管道或者密封的方式排放到室内；B2型生物安全柜须全排，其联接方式须为密封且 B2 型保安箱的通风量须考虑整个室内风量的改变情况。

3）洁净区的通风系统通过中效过滤后送到户外，通风设备在天花板上，4B 检测车间区域的通风需要高空排放并安装活性碳处理器，4C 车间的毒区采用直流系统，经过高效过滤器过滤后排出，排风采用袋进袋出安全过滤器^[3]。

4）须安装无菌通风装置。由于生物洁净室的墙面和天花板等易积累细菌，因此在更换药物或间歇生产一段时间后，需要定期消毒全系统，消毒方式为臭氧杀菌，方便在清洗完毕后将残余气体排出。

5）在制药生产期间，例如在粉碎、称量、配料、混合、制粒、压片、包衣和充填等生产工艺中会经常散发各种粉尘和有害物质，为了避免空气流通导致药品的交叉污染，须将进入室内的气体全部排放出去。

Part.03

洁净空调系统设计

3.1

空调系统冷热源

空调冷源采用集中冷源形式，由地下一层的制冷机房的冷水机组提供，空调总冷负荷 4500kW，冷媒为 5℃ ~11℃冷冻水，选用 COP 值为 5.9 的离心式冷水机组 + 螺杆式冷水机组作为空调冷源。变配电间、冻干机房和弱电间等高温房间设计采用多联式空调系统，冷煤采用环保型 R410c。4A 辅助车间为预留区，暂预留多联机及新风机电量和基础。最大耗冷量及面积指标如下：4B 最大空调耗冷量为 2446kW，单位面积冷指标为 381W/m²；4C 最大空调耗冷量为 2900kW，单位面积冷指标为 430W/m²。

空调总供热加湿负荷 220kW（蒸汽），空调热水负荷400kW（60℃ /50℃热水）。厂区设有锅炉房，由主管道连接到地下一层蒸汽分配间的分汽缸。空调加湿系统用蒸汽经减压至 0.2MPa 后供至各个使用点。4A 辅助车间为预留区，暂预留多联机及新风机电量和基础。4B 检测车间采用空调送热风采暖，风机盘管及新风机组加热采用60/50℃热水。其余生产检测区域空调机组采用 0.2MPa 普通蒸汽加热。4C 生产车间采用空调送热风采暖，空调机组采用 0.2MPa 普通蒸汽加热，由动力专业接至各个空调机房。4B 检测车间最大加热量为 1255kW，热负荷指标为 195W/m²。4C 生产车间最大加热量为 1160kW，热负荷指标为 161W/m²。

3.2

空调风系统布置

4B 车间的空调系统按照生产工艺的具体要求分为舒适性空调系统、常温洁净空调系统和采用全空气空调系统。开放式试验区采用风机盘管＋新风系统。4C 车间的空调系统设计包括舒适性空调系统和常温洁净空调系统，均采用全空气空调系统。

4B 车间分为 14 个空调区，4C 车间有 24 个空调区。该项目的空调系统为一次回风制。4C 空调机组对新鲜空气进行预冷却，经过初效 G4、中效 F6、高效 H14 四级过滤后送入室内，普通空调系统经初效和中效两级过滤后送入室内。洁净空调系统和 PCR 区域内的空气分布采用顶送风和侧下送风；普通区的空气分布采用顶送风顶回风。净化空气调节系统的设计考虑了以下方面：

1）各个工序的功能不同，须在各个工序间设置不同的空调系统来避免交叉污染。考虑进行臭氧消毒，臭氧消毒壁板及风管须采用耐臭氧腐蚀的特殊材料，消毒设备由设备承包商进行二次选型。一台臭氧发生器服务多台空调机组。

2）上海冬季潮湿寒冷，气温一般在0℃以下，在空调系统中安装一个新的预热段可以避免在冬季出现结冰现象，在冬季通过两个阶段的加温可以确保冷气达到设计要求。

3）在工艺生产过程中，需要将洁净区域的相对湿度控制在 55% 以内，在夏季需要先除湿吹入室内的空气，然后通过热盘管加热空气至适宜温度才能送入。

4）采用变频风机，根据不同的压力差、温度和湿度的需要调节不同的供风量，达到减少风机运行能耗的目标。在工作时间内可以将其调节至较低的工作状态，实现高效节能^[4]。

3.3

室内气流组织

洁净室采用非单向流型的气流组织形式，顶送下侧回，即空气由吊顶上的风机过滤单元机组所带的高效过滤器进行过滤处理，在满足洁净要求后送入室内，经过地面回风口之后，通过两侧回风柱与空调机组处理过的新风进行混合，然后经安装在竖井与吊顶静压箱之间的干式冷盘管冷却，最后回到吊顶静压箱。但大量风机过滤单元机组安装在吊顶上带来的缺点十分明显，噪声和振动对洁净室的影响较大，需要加装 AT4 型弹簧减震器且数量不小于 8 支。

B 级和 C 级洁净区送风口采用高效过滤器（相同系统中有效风口的阻力和效率应接近），回风采用门铰式孔板风口。舒适性空调区采用非单向流型的气流组织形式，上送上回 /排。普通区进风口为方形铝合金散热器，进风口为单层铝合金回风百叶。洁净室内空气流动的流程图如图1 所示。

图1 洁净室气流组织流程图

Part.04

排风系统

该疫苗厂房有别于传统工业厂房，虽然厂房占地面积不大，但是出于洁净考虑，厂房四周均设置为不可开启外窗。工厂内部有很多功能室，其特征是面积小、数量多和功能复杂，需要设置多个独立的排风系统。工厂的通风系统如下：

1）消毒排风系统。 生物净化工厂要定期进行杀菌（细菌会增殖），其常规消毒方式为臭氧灭菌方式。臭氧的扩散能力强且分布均匀，在常温下它会分解为氧和氧。氧原子具有很高的氧化能力，可以杀灭细菌。过剩的氧可以自己形成氧分子，不会对环境造成任何污染。考虑到臭氧的特性，可以采取边排边循环的方法来排出消毒废气。与传统的甲醛杀菌方式相比，臭氧杀菌省去了使用置换通风清除残留消毒剂的做法，降低了不必要的排风能源消耗；

2）设备排风系统。 洁净区、冷冻干燥机房和消毒后室等工艺间的工艺设备应安装通风装置。为了确保室内的压差，空调系统在回风管上安装了一个带有压力传感的电动风门；

3）辅助房间通风系统。 在空调制冷站、工艺压缩空气站和纯蒸汽站等辅助房间中应安装排风和补风装置。当布置排气口时须考虑到产生大量热量的设备，例如压缩空气发生器，这样可以迅速排出室内的高温气体。当设计通风系统时，应注意通风孔与新风进口的相对位置来防止新排风短路。该工程在东西墙上设通风孔，南北墙设新风进风口，确保进入室内的新鲜空气不被污染。

Part.05

防火及防排烟系统

消防控制系统与空调自动控制系统可以联动。当火灾发生时，应通过消防控制系统停止所有运行中的非消防空调通风设备，在同一防火分区中，面积小于等于 300m²的场所排烟量不小于 60m³/（h·m），最小排烟量不应小于15000m³/h。当一个排烟系统承担多个防烟分区排烟时，其系统排烟量的计算采用该系统中最大独立防烟分区的排烟量。

洁净室为无外窗房间，密闭性能良好，为了确保人员的安全撤离，须安装机械通风装置。按照《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 515251—2017）的要求划分设置排烟系统如下。

地上长度大于 20m 的走廊须疏散走廊，地上大于300m²的场所须设计机械排烟系统，4A 划分 1 个防烟分区，设计一套排烟系统，由两台排烟 PYA1、PYA2 风机共同承担并设置自然补风窗。4B 划分 12 个防烟分区，设计一套排烟系统 PYB。设计机械补风窗，补风量不小于 50％。4C划分 16 个防烟分区，设计一套排烟系统 PYC 和机械补风系统，补风量不小于 50％。排烟口设置在吊顶板上，洁净区设计采用板式排烟口排烟防火阀。机械排烟系统的常闭排烟阀或排烟口应具有火灾自动报警系统自动开启、消防控制室手动开启和现场手动开启功能，其开启信号应与排烟风机联动。在火灾确认后，火灾自动报警系统在 15s 内联动开启相应的防烟分区的全部排烟阀、排烟口、排烟风机和补风设施，在 30s 内自动关闭与排烟无关的通风和空调系统，同时担负两个及以上防烟分区的排烟系统应打开着火防烟分区的排烟阀或排风口，其他防烟分区或烟口应呈关闭状态。

Part.06

设计建议

根据规范要求，在相同的净化空气调节系统中，如果对单独区域进行排风或间歇性地使用医疗洁净室内的排风系统（例如干燥消毒箱等工艺设备的通风）却并未采取任何措施来保证室内气压，这种做法会破坏房间的空气平衡，改变房间压力。考虑到工程的实际设计费用，例如在各个房间中增设变风量阀门和恒风量阀门会干扰其他没有安装压力保护的房间的压力，如果都增加变风量阀门和恒风量阀门会极大增加成本，因为室内温度和湿度的控制不需要太精确，所以没有采用增加变风量阀门和定风量阀的形式，选择了采用手动风量调节阀和风机变频控制。

自动化程度日益提高的今天，建议取消半自动设备，考虑到人是最大的污染源头，应尽可能减少人为干涉，自动化的联动灌装线、包装线、在线检测、在线环境监测、温湿度控制、密闭粉碎和制粒干燥等虽然并不完善，但是随着新技术的不断改进，制品质量会不断提高，从而减少污染。

生物疫苗厂房是将工艺生产工作视为目标的建筑物，暖通系统作为辅助工艺的重要组成部分能耗巨大。暖通空调设计须坚持“节能减排”的准则，有必要设置二次回风系统来减少再加热产生的能源浪费，采用高 COP 值的冷水机组和减少不必要的空调器数目来降低成本和能耗。

Part.07

结语

综上所述，在整个洁净厂房建设中，暖通行业人员发挥了关键作用，暖通系统设计的合理性影响着整个项目的初投资和运行成本。经过一年的建设，该项目于 2022 年底建成投产。该项目规模虽然不是最大，但是已经成为现阶段生物疫苗洁净厂房设计的典型，其建设过程有许多值得借鉴的地方，希望能为更多的洁净厂房建设提供理论指导和设计参考。

参考文献

[1] 王耀波 . 医药工业洁净厂房固体制剂车间暖通节能设计分析 [J]. 城市建筑，2013（4）：187-188.

[2] 熊瑞 . 浅析医药厂房空调系统节能设计 [J]. 洁净与空调技术，2022（1）：107-108.

[3] 邱晓枫，王文强，张成龙 . 医药洁净厂房暖通空调系统设计探索 [J]. 工程技术研究，2020，5（13）：206-207.

[4] 佟歆 . 高大洁净厂房分层净化空调设计 [J]. 洁净与空调技术，2017（1）：36-38.