浅谈洁净空调系统所存问题与整改措施

叶铭强

(广州白云山光华制药股份有限公司，广东广州510285)

0 引言

药品生产区域的送风有一定的洁净度要求，这就需要一套由管网和组合风柜组成的空调系统。企业为满足洁净度的要求往往都采用三级过滤，初效和中效过滤器作为空气的预处理装置，一般都设置在空调组合风柜中，而高效过

滤器则安装在靠近管网末端的送风口处。

组合风柜在洁净空调系统中起到重要的作用，由其为洁净区提供预处理的气流，以满足生产所需的室内空气温度、湿度、洁净度和换气次数的要求。虽然各制造商生产的空调组合风柜的内部结构大同小异，但能否提供足够的气流将会直接影响洁净区的性能。

以下对洁净空调系统中组合风柜存在的问题进行了分析，并提出了相应整改的方法。

1 组合风柜压差异常和气流组织减少的问题

本企业部分空调组合风柜的内部结构，如图1所示。初效过滤器(G3)和中效过滤器(F7)均采用规格分别为595 mm×595 mm×300 mm和595 mm×595 mm×600 mm的滤袋；送、回风机采用DW系列双进气外转子前倾离心式通风机，2个压差计分别安装在图中位置。

空调组合风柜各功能段的长度如表1所示。

图1 部分空调组合风柜的内部结构

表1 空调组合风柜各功能段的长度

其系统的工作原理为：气流(回风)与新风在空调组合风柜里的混合段混合→初效段→表冷段→回风机段→加热段→送风机段→中效段→送风段→送风管道至生产区各个房间的高效过滤器(送风口)，同时，气流在房间内进行热交换和空气交换，并保持适量的正压，再通过回风口至回风管道输送回到混合段，不断循环。

在空调组合风柜中，流过各功能段的气流基本上可视作是等量的。因此，初效过滤器的阻力总是低于中效过滤器的(这是由过滤器的物理特性决定的)。但是，通过压差计测量显示，本企业空调组合风柜的过滤器自运行以来一直存在中效过滤器的阻力低于初效过滤器的问题，甚至连原生产厂家都无法解释该现象。同时，还发现组合风柜输出的送风量不足、室内换气次数达不到设计要求等问题。

为了找出存在问题的原因并解决，这就必须使用空气调节理论对这种定型空调组合风柜的结构以及连接的送、回管道系统进行分析。根据组合风柜的工作原理和各功能段的长度，结合组合风柜流量和风压的实际情况考虑，可发现该空调组合风柜的送风机风口与中效过滤器之间的距离较短，导致气流组织输送不足。从气流组织分析可知，由送风机送出的气流至出风口这段区域里的流动和分布可分为3个部分：(1)从送风机的风口进入中效过滤器的射入气流(简称射流)，射流起始段的动能最大，其断面的流速较高，而只有当射流基本段的动能逐渐减少时，其各断面的流速分布情况才会基本相同；(2)流向出风口的气流；(3)回旋转动的涡流，这是由于射流的卷吸作用(由空气的粘滞性所形成的)，使射流周围空气不断被吸入，吸走空气的空间又由返回气流中的一部分去补充，从而造成了旋转涡流，一般涡流的流速小于射流。

对于本公司的空调组合风柜，由于送风机的风口至中效段的距离较短，缺乏一个均衡气流的空间，使风机的输出射流仍处在起始段，导致正对风机口的滤袋部分的流速较高，造成通过整个中效过滤器面的气流组织严重不均匀，中效段的4侧边缘流速远小于送风机的风口正对的射流流速。气流通过过滤器时会产生阻力，但其阻力与气流的流速有极大的关系，流速越高则其阻力越大，反之越小。由于压差计的2个探头只检测中效过滤器的边缘，因此在组合风柜运行过程中，当中效过滤器的4侧边缘的空气流速过慢时，就会造成中效过滤器的2段压差显示较小。

另外，中效过滤段至送风口的连接结构不尽合理，送风机输出的大量气流经中效过滤器进入送风段时，气流需旋转90°才能输至送风口。由于送风段的长度不足和没有任何气流的引导，部分气流折返，从而在射流的周围形成了涡流区，导致气流流型发生变化。在该区域内存在2部分阻力较大的涡流区，即部分气流冲击档板返回引起涡流区和气流急转90°输出时气流的惯性使边界层脱离内壁造成的涡流区。由于在该区域送风机输出的风压和流量最大，造成气流阻力剧增，不但降低了气流的压力，造成气流在管网系统里的动压和静压减少，而且减少了气流的流量，造成洁净空调系统中的送风量减少，以致出现系统管道的末端风量输出较少的现象，这就是该洁净区的换气次数达不到要求的主要原因。

根据上述分析和实际情况，对这种定型空调组合风柜的结构进行了相应的改造，如图2所示，具体是将中效过滤器和送风机的位置对换，使通过中效过滤器的气流可以形成较为均衡的单向流动，避免造成压差计误差；同时，在送风段安装送风机，并将送风机的出风口旋转90°，直接对准送风口，由风机完成气流改变方向的工作(对风机的工作性能毫无影响)，使气流无需经过弯角而直接进入送风管，从而大大地减少了气流在组合风柜中产生的涡流，极大地提高了原组合风柜的气流输出能力，达到原设计的要求。

图2 定型空调组合风柜的结构改造

改造完成后的测试结果表明，洁净区的空调组合风柜的中效过滤器压差计显示正常，而且洁净区的送风量也增大了，同时还改变了室内高效送风口的调节阀因管道的静压太小而调节无效的现象。由于管道的静压增大，现可根据室内的换气次数要求来调节高效送风口的阀门大小，从而控制风量。通过对组合风柜进行结构改造，提高了送气效率，使整个洁净空调系统进入良性的运行状态。

2 空调系统“D”级水平改造

2012年药品的生产洁净区必须按新版GMP的要求执行，而从本公司洁净区的使用情况来看，要将原洁净度30万级水平改造成新版GMP的“D”级水平，需将换气次数提高到17次/h(按自净时间20 min计算)及以上。由于原组合风柜和送、回风管系统的设置是按照旧版GMP的要求(30万级)设计建造的，同时结合公司药品生产进程状况和即将搬迁等问题考虑，若对空调系统进行全面设计和重装，需要花费大量的时间和成本，因此重新建造的可能性较低。针对需要整改的洁净区的实际情况进行考虑，通过分析和计算可知，在满足冷量和风机风压的前提下，通过更换组合风柜的风机和增加过滤器的面积，可以增加和提高系统气流组织的输送能力(风速和风量)。同时，通过与调整系统部分的空调管道和增加洁净区内部的高效送风口和回风口等措施相结合，就可以使风量达到平衡，实现“D级”水平的换气次数。

通过对现有7个空调系统的参数分析，原有的洁净度30万级的换气次数平均已在15次/h，很接近“D级”水平17次/h的换气次数要求。因此，采用对全部原有风机进行资源整合和重新配置的办法，在满足风压的条件下，以送风量大的风机代替送风量小的风机，同时增加组合风柜的过滤面积，即将组合风柜内的过滤器更换为可通过更大风量的过滤器。但是，若某楼层需求的送风量较大(34 000 m3/h)，而市场上这类单台的风机(DW系列双进气外转子前倾离心式通风机)最大的送风量和风压都不能满足要求，此时只能采用并联风机送风的方法。由于组合风柜的空间过于狭小，双进气离心式通风机又需要依靠风机2侧进气，通常需要并列平行安装2台风机，如图3所示。但是，由于位置过于靠近，2台风机进风口间隔的进风有效面积小于2台风机进风口的面积，难以达到预期的目标。

图3 并联风机的风柜正面截图

针对上述问题，通过对组合风柜空间的观察发现，组合风柜仍有可利用的高度，因此采用了并联风机错位安装的方法，如图4所示，即将其中一台风机旋转180°，并且升高一个风机的高度，使其进风口与另一台风机进风口形成一个错位，保证2台风机的2侧进气口有足够的进风面积，同时调整出风口角度，使出气口通道顺畅，这种方法提高了并列平行安装2台风机的送风量，解决了气流通道的问题。

图4 并联风机错位安装法

当2台性能相同的风机并联工作时，其进风口与出风口分别处于相同的压力下，而输送的风量则等于相应压力下2台风机的风量之和，相应的工况原理的合成性能曲线如图5所示。

图5 并联工况的合成性能曲线图

管网特性曲线I与合成性能曲线F1＋2的交点A是2机并联运行时的联合工作点，该点的总风量为LA，风压为PA，此时每台风机的工作点在A1，工作参数为(LA1，PA1)。并联工作时的特点是：风压彼此相等，即PA=PA1；总风量为2风机风量之和，即LA=2LA1。当2风机的管网各自单独运行时，其工作点移至D1，其工作参数为(LD1，PD1)。那么，由图可以看出它们的相互关系是：

以上分析表明，并联式的总风量等于2台风机同时运行的风量之和，但又小于1台风机单独运行时的风量的2倍；而并联运行时的风压却高于1台单独运行时的风压。这是因为并联时管网的阻力随着风量的增加而增加，这就需要每台风机相应减小流量并提高风压来克服并联后所增加的那部分阻力，最终达到自然平衡。

由于改造后的管网系统特性基本不变，通过以上分析可知，采用2台性能相同、风量及风压接近的风机并联是完全可以解决问题的。因此，针对本企业的组合风柜制定了相应的改造方案，即送风机和回风机分别选用2台风量均为20 000 m3/h和风压均为1 100 Pa的DW系列双进气外转子前倾离心式通风机，以代替原有的单台风量为30 000 m3/h、风压为1 200 Pa的同系列风机，同时，2台风机采取错位安装的方法，显著增加了初、中效过滤器的过滤面积。

3 结语

在实际工作中，往往会遇到一些看似无法解决的问题，这就需要加强这方面的理论学习，并结合实际情况进行分析，从而找到问题的突破口，进而解决问题。笔者针对洁净空调系统组合风柜压差异常和气流组织减少的问题，通过全面的理论分析，对组合风柜进行了一系列的改造，结果证实，改造后的洁净区完全达到了新版GMP的“D级”认证要求。

[1]马仁民.空气调节[M].北京：科学出版社，1982

[2]刘锦梁，苏永森.工业厂房通风技术[M].天津：天津科学技术出版社，1985

[3]国家食品药品监督管理局药品认证管理中心.药品GMP指南：厂房设施与设备[M].北京：中国医药科技出版社，2011