口服固体制剂车间的空调系统设计

胡晓磊

（东华大学暖通空调与能源工程系，上海201620）

口服固体制剂车间的空调系统设计

胡晓磊

（东华大学暖通空调与能源工程系，上海201620）

口服固体制剂项目往往会有两个要求：在下班时切换到低风量的夜间模式；房间要求维持在低湿度。通过使用快速反应的变风量阀可以保证在切换到夜间模式时，相邻房间的压差不会发生逆转。通过对各种除湿方式进行比较，根据项目的情况可以选择出最节能的新风处理方式。空调系统的设计在满足GMP和工艺要求的前提下，可以尽量降低能耗。

口服固体制剂车间；压力控制；变风量阀；除湿

0 引言

在某口服固体制剂（OSD）车间项目中，其空调系统有两个比较重要的要求：空调需要进行工作模式及值班模式切换；生产工艺要求车间环境湿度较低。这两项要求在其他OSD车间设计中也比较常见。笔者以这两项要求为切入点，介绍了该项目的空调系统设计特点。

在文中笔者不但给出了项目中的解决方案，同时也介绍和比较了其他一些稳定生产车间压差和新风除湿的方法，并对其进行了深入讨论。希望通过笔者的介绍和分析，能够为遇到类似项目的读者提供一些启发和借鉴。

1 空调系统概况

该项目是位于江苏泰州的某跨国制药企业的口服固体制剂车间。由于工艺需要，房间湿度要维持在较低的状态，经过与工艺专业和业主的讨论，决定将房间的温湿度设计值定为22℃、45%。当地夏季环境温度为干球温度38℃，湿球温度30℃。

空调系统采用新风机组（MAU）加上循环机组（AHU）的模式。先通过MAU将室外新风处理到与房间绝对湿度（7.4g/kg）相同，然后使新风在AHU中与房间回风混合，通过AHU的冷盘管/热盘管将空气处理到送风温度。

通过在核心生产车间的送风及回风（或排风）支管上安装变风量调节阀（VAV），对房间实现压力控制。保证房间在有房间排风量增加、工作模式与值班模式切换等场合可以保持房间的压力与设计值一致，不会出现压差逆转。

该项目的空调系统结构如图1所示。

2 正常模式与值班模式切换

2.1 不同工作模式的要求

按照我国GMP的相关要求，车间在白天正常生产时须达到D级区域的要求。参考《医药工业洁净厂房设计规范》的相关要求[1]，D级区域换气次数不低于10次/小时。但是这个要求对于空调系统来说，尤其是新风比较大的系统，增加送风量会加大空调系统风机的能耗和冷量的消耗。

由于核心生产区需要对其他区域保持正压，并且其内部各个生产房间之间也需要按照工艺要求保持相对压差，因此核心生产区的空调需要常年运行。但是夜间时车间中的冷负荷和产尘量较白天大大减少，生产区的送风量只需要维持房间的压力即可。因此可以在夜间通过对空调风机变频使空调系统运行在低风量的模式，这个模式就是值班模式。

经过与业主和工艺专业讨论，夜间值班模式取白天正常模式的一半风量，换气次数为5次/h。

2.2 模式切换时的压力控制要求

最大的难点是模式切换的瞬间，如何保证各个房间中的送回风差保持不变。

众所周知，制药生产车间的相对压力与房间洁净度一样，是空调系统设计的关键因素，也是GMP验证的重点内容。我国新版GMP第四十八条明文规定：“洁净区与非洁净区之间、不同级别洁净区之间的压差应当不低于10Pa。必要时，相同洁净度级别的不同功能区域（操作间）之间也应当保持适当的压差梯度”。

参照国外的相关规范可发现：欧盟GMP中推荐医药工业洁净室不同级别的相邻房间之间需保持10-15Pa的压差。WHO指南不但指出相邻区域通常采用15Pa压差，更指出当设计压差过低且压差控制精度过低时，会发生气流逆转。这在药品生产中是绝不允许的。

因此，在生产模式切换过程中，如果某个房间的送风（或回风）突然变小而回风（或送风）没有同时变化，则房间的送回风差产生变化，使得房间的压力发生变化，使其与相邻区域的压差变小。这有可能导致相邻房间的压差逆转，比如本来应该相对于走廊负压的生产车间突然相对走廊正压。由于业主QC部门要求很高，即使是在下班停产后切换到夜间模式时，也不允许有压差逆转的情况发生。

2.3 模式切换时的压力控制方法

问题的关键在于房间送回风支管上变风量阀的反应速度和控制方式。

在该项目中的设计中，房间的送回风支管上都安装有VAV。VAV设定了两个数值，即正常模式和值班模式的风量。其控制方法如图2所示。VAV的执行器与BMS连接。

白天上班时，VAV阀处于正常模式的风量设定值，在车间下班时，通过BMS系统控制VAV阀的执行器，使之切换到值班模式。

在这种控制方式下，使用反应速度较快的VAV阀至关重要。如果反应速度较慢容易出现压差扭转。举例来说，如果VAV阀的反应速度在60s的话，在需要对外保持相对正压的房间中，当正常模式切换到值班模式时，在60s的时间内可能出现送风的VAV阀调节到位，而回风的VAV阀还没到位，使得房间的相对正压低于设计要求，甚至是房间变为相对负压。

如果VAV反应速度在1s的话，上述情况最多只可能出现1s的时间，而这是可以接受的。这么短的时间对于生产不会有很大的影响。在工程实践中，使用文丘里阀体的VAV阀具有比较高的反应速度，可以达到这个要求[2]。

2.4 压力控制时的注意事项

2.4.1 变风量阀（VAV）与双速定风量阀（DAV）

由于房间的送风量始终只有两个数值，即日常模式和值班模式的送风量。所以送风支管上可以选择可以有两个调节量的双速定风量阀（DAV）。但是即使选择DAV，也需要使用反应速度较快的DAV，使得房间压力控制的时间达到最小。

但是对于回风和排风支管上的风阀应选择VAV，因为间歇性局部排风等原因造成的房间压力波动，使得回风或排风风量需要产生相应变化。而这些风量的变化值是不固定，因此需要使用VAV而不是DAV。回风或排风的VAV可根据房间内的压力传感器进行调节，以维持房间的压力。

另外，需要指出的是，在房门打开时，由于房间和室外连通，室内外压差趋于0Pa，因此在门上装有传感器，在打开房门时，压力控制会适当延迟数秒，在这数秒钟内，VAV不会根据房间压力变化。

2.4.2 延时控制

由于VAV是通过BMS进行控制的，可以在BMS中适当设定延时控制。比如在需要正压的房间中，当日常模式切换到值班模式时，先调节回风支管的VAV，延迟若干时间（如5s）后再调节送风支管的VAV。这样可以保证房间在调节过程中不会有正压扭转为负压房间。在延时过程中，房间对于周围的相对正压值能会高于设计值（如有10Pa变为15Pa），但这也是可以接受的，因为GMP只规定了洁净区之间的最小压差。

需要说明的是，因为VAV的反应速度很快（如1s），延时没有必要设的很长（如60s），否则对于VAV反应速度的要求就没有意义了。

3 生产车间的低湿度要求

3.1 生产车间的湿度要求

为了满足房间的湿度要求，MAU需要将新风除湿到与房间绝对湿度相同的状态点，再与下游的AHU中的回风混合。

MAU虽然处理的风量较少（仅占全部送风量的15%左右），但其既要处理显热，又要处理潜热。而AHU虽然处理风量较大，但是其只处理显热（而且部分显热也由MAU处理的新风承担）。因此整个空调系统中大部分冷量是MAU消耗的。

所以处理问题的关键在于MAU选用何种方式处理新风最节能。

3.2 湿度控制方案选项

由于MAU需要处理显热和潜热，因此设计时曾经有三个方案：1）直接使用冷盘管冷却到房间温度的露点（10℃，7.4g/kg）；2）使用冷盘管预冷新风（约冷至10℃），使用转轮除湿后再冷却（约冷至10℃）；3）使用冷盘管预冷新风（约冷至10℃），使用溶液除湿机

关于这三种方式的优劣，笔者做了一个简要的比较，见表1。

表1MAU新风处理方式比较

3.3 湿度控制方案的比较

3.3.1 方案比较的依据

新风的能耗可以由下列公式计算得出：

式中W—新风处理的能耗,kW；

Q—处理新风的风量，m3/h；

1.2 —空气的密度，1.2kg/m3；

1.01 —干空气的定压比热容，取kJ/（kg·K）；

t1，t2—处理前后干空气的温度，℃；

i1，i2—处理前后空气的焓值，kJ/kg。

该项目中，新风量Q=12000m3/h，新风状态点为干球温度td=38℃，湿球温度tw=30℃，焓值为i1=99. 4kJ/kg。新风处理后状态点为干球温度t2=10℃，含湿量d2=7.4g/kg，焓值为i2=28.7kJ/kg。

为了便于比较，笔者将所有的能耗折算为每小时的运行费用。假设条件为：工业用电费用为1元/kWh，冷冻机COP为4，蒸汽费用为200元/t。

1kW电量1h费用为：1×1=1元

1kW冷量1h费用为：1/4×1=0.25元1kW热量1h费用为：

1×3600/2700/1000×200=0.27元

3.3.2 冷却除湿方案

这是最普遍的除湿技术，但需要保证冷冻水的温度足够低，使得新风通过表冷后能够达到预设的状态。现场可以提供6℃/12℃的冷冻水，正常情况下可以使空气冷却到10℃。

冷却能耗：12000/3600×1.2×（99.4-28.7）=282.96kW

其总能耗为：282.96kW冷量，即282.96×0.24=70.5元3.3.3转轮除湿方案

由于在处理过程中，空气经过转轮后会放出大量的凝结热，并且转轮自身对于再生热量的蓄积，使得经过转轮除湿后的空气温升过高，理论上该除湿过程应该是等焓过程，但实际温度比等焓条件下高出许多[3]。

因此空气经过转轮后还需要进行耗费冷量对空气进行冷却，。另外，转轮需要约处理风量1/3的再生空气，再生空气的温度很高（约70℃），能耗也比较大。

假设处理过程如下：新风预冷至15℃，焓值为40.7kJ/kg→转轮除湿后至干球温度23℃，含湿量7.4g/kg→冷却至10℃。再生空气为处理空气1/3，从机房抽取，将机房空气从35℃加热至70℃。

其能耗计算如下：

预冷能耗：12000/3600×1.2×（99.4-40.7）=234. 96kW

转轮再生热量：12000/3/3600×1.2×1.01×（70-30）=47.13kW

冷却能耗：12000/3600×1.2×1.01×（23-10）=52. 52kW

其总能耗为：287.48kW冷量+47.13kW热量，即287.48×0.25+41.13×0.27=83.0元

3.3.4 溶液除湿方案

该项目选择的溶液除湿机是将压缩制冷和溶液除湿结合在一起的空气调节装置。利用压缩机蒸发器制出的冷量为溶液除湿提供足够的冷源，同时又利用冷凝器产生的热量来对除湿后的稀溶液进行浓缩再生，从而保证溶液的除湿循环。具体原理图如图3所示。

由于机组充分利用了压缩制冷循环在蒸发器的吸热和冷凝器的放热，因此不需要想转轮那样除湿后冷却，也不需要使用额外的热源进行再生，可以有效地降低空调系统的能耗。

另外，由于不需要在机房设置蒸汽管道和再生空气排风，只需要提供压缩机和风机的电源，因此对于一些改造项目比较方便。

假设处理过程如下：新风预冷至15℃，焓值为40.7kJ/kg→经过溶液除湿机进行降温除湿，处理后为干球温度10℃，含湿量7.4g/kg

其能耗计算如下：

预冷能耗：12000/3600×1.2×（99.4-40.7）=234. 96kW

压缩机耗电量：13.5kW

其总能耗为：234.96kW冷量+13.5kW电量，即234.96×0.25+13.5=72.24元

3.3.5 除湿方案的确定

从上述的比较中可以看出，以上几种新风除湿的方法都可以将新风处理到工作状态点，而冷冻除湿和溶液除湿的运行费用都比较低。但是考虑到溶液除湿的初投资比较大，项目还是选择了冷冻除湿的方式。

但是考虑到冷冻除湿时冷量较大，万一冷冻站出现问题，冷冻水出水温度高于6℃时会影响生产，因此在MAU的表冷段后面仍然加入转轮。由于转轮基本不工作，因此在转轮下方使用旁通，当转轮不用时（如过度季节和冬季）新风表冷后直接从旁通进入AHU，以减少风机压损。

3.4 新风除湿方案的选取原则

可以看到，在选择新风除湿的方案时需要对各种除湿方案进行比较分析，才能最终确定其技术方案。虽然在本项目中使用了比较普遍的冷冻除湿+转轮的MAU的技术方案，但是当项目条件发生变化时，如项目所在地市政蒸汽费用较高、电费较低，新风的含湿量要求更低时，可能溶液除湿就比较合适。而当项目初投资有限，对新风的含湿量要求又很低时，建议使用新风预冷+转轮除湿的方式。

4 结语

在该项目的空调系统设计中，使用合适的VAV阀和控制系统，可以很好地解决工作模式切换的问题；使用合理的新风处理方式，可以在满足生产湿度要求的情况下减小能耗。这两个问题的合理解决，能够在满足GMP要求和工艺生产要求的前提下，节约车间的运行能耗。

当然，虽然这两项要求在固体制剂车间非常普遍，但是设计人员在空调设计时，也要结合项目的具体情况（如当地的电价、项目的初投资、甲方对于节能的要求等）在各种技术方案中比较选择，不能千篇一律。

[1]GB 60457-2008.医药工业洁净厂房设计规范[S].

[2]付永飞，刘燕敏，胡崔健.适应新版GMP对药厂风量-压力控制的探讨[J].洁净与空调技术，2012，（03）：32-35.

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册（下册）[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

HVAC System Design of the OSD Plant

HU Xiao-lei

（Energy&Power Engineering Colleague,Donghua University，Shanghai 201620，China）

There are two common requirement in HVAC design of OSD plant:Switching to low air volume mode off work;providing low humidity air in operation room.The VAV keeps air flow during mode switching;make sure no air flow reversal between adjacent rooms.The dehumidification technical of the fresh air should be chosen carefully,which should be suitable for the project situation and meet energy saving requirement.The HVAC design should not only meet GMP and process requirement,but also decrease the energy cost.

OSD plant；pressure control；cariable air valve（VAV）；dehumidification

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.019

TU831

B

2095-3429（2016）04-0078-05

2016-05-05

修回日期：2016-06-01

胡晓磊（1985-），男，上海人，中级工程师，在职研究生，主要从事医药厂房空调设计工作。