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武汉某制药厂洁净空调系统设计案例

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2017年10月25日  点击数:1156

0    前言

    随着科学技术的发展,医疗水平和人民生活质量的提高,人们对药品生产环境的要求越来越高,所以在设计洁净厂房的空调系统时,我们应严格遵守国家统一的标准、规范,以防止在生产过程中因不洁微粒和微生物而引起药品污染、交叉污染。目前已有的相关规范,除了已在世界各国制药企业中得到广泛推广的《药品生产质量管理规范》(又称GMP),还有我国的GB 50073-2001《洁净厂房设计规范》和国家医药管理局1997年1月颁布实施的《医药工业洁净厂房设计规范》。

    空气净化一方面是送入洁净空气对室内污染空气进行稀释,另一方面是迅速排出室内浓度高的污染空气。而为保证生产环境或其他用途的洁净室所要求的空气洁净度,需要采取控制污染源,减少污染发生量,阻止室外的污染物侵入室内等多方面的综合措施才能达到目标。

    现结合武汉某制药厂房的洁净空调设计,总结洁净室空调系统的设计方法,并对设计计算中经验数据的选取进行总结和分析,探讨风口布置的射流计算和气流组织计算中气流方向与房间正压的设定。


1    工程概况

    本工程制药厂房总建筑面积6750 m2,洁净空调区域面积1710 m2 ,建筑高度18.3 m,共3层,1层与2层主要为制药车间和仓库,3层为备用车间。本工程洁净空调系统采用集中式单风机系统,1层车间洁净等级为100000级,2层车间洁净等级为300000级。

1.1  制药厂平面布局

    洁净厂房的设计是以控制尘粒和微生物对药品的污染为宗旨。控制污染的途径有很多种,而合理的建筑平面布局与人、物流路线的设置在污染物的控制中非常关键。就一般制药厂的建筑布局而言,工人、设备和药剂的原料、半成品、成品在生产前后均需进出药品混制配间和灌装间,形成一定的人与物的固定流向,即:上班时工人流向、下班后工人流向、药品加工前流向、药品成品后流向、器材设备使用前流向、使用后器材流向。根据这6种人与物流的流向,建筑可分成多种平面类型。

    根据此大楼的整体平面,结合我国现在的国情和关于《药品生产质量管理规范》中对于生产环境的要求,该建筑采用外廊回收型布局(见图1),充分体现洁污分流、流程最短的原则,主要生产房间和直接为生产房间服务的辅助用房形成生产核心区。此种建筑布局配合合理的空调系统房间正压布局,我们就可以有效的控制污染物的流向,将药品在生产、传送和储存中所受到的污染降到最低。

2   生产车间净化空调系统的设计

    合理的净化空调系统是保障整个生产车间处于受控状态的重要环节。洁净厂房要求空调系统能够控制各等级生产车间及辅助用房的室内温度、湿度、洁净度、细菌与有害气体浓度、气流分布,保证室内人员所需新风量,维持室内合理的气流流向和各房间合理、有序的压力梯度。一般空调系统通常只有粗效一级过滤,要求高一些的系统有粗效、中效两级过滤处理。而洁净空调系统则要求粗、中、高效三级过滤或者粗、中、亚高效三级过滤。同时,为了消除室内排风对大气环境的影响,需要依据不同的情况在排风系统设排风过滤或排风净化处理。

2.1    洁净空调设计计算步骤

    洁净室对于室内环境的要求比一般房间要高,所以洁净空调系统的设计计算是整个设计中极其重要的一个环节,设计计算一般步骤如下:

(1)根据工艺要求确定洁净室的洁净度等级,选择气流流型,并决定采用全室空气净化还是局部空气净化。

(2)计算新风量。取下列2项中的大者。

    a. 补偿室内排风量和保持室内正压值所需新鲜空气量之和。

    b. 保证供给洁净室内的新鲜空气量不小于40m3/(h?人)。

(3)计算洁净室的冷、热负荷。

(4)计算送风量。取下列3项中的最大值。

    a. 为保证空气洁净度等级的送风量。

    b. 根据热、湿负荷计算确定的送风量。

    c. 向洁净室内供给的新风量。

(5)根据送风量、冷热负荷和选择的气流组织形式,计算气流组织各参数。(6)选择空气处理器。

(7)校核洁净室内的微粒浓度和细菌浓度。

2.2  室内设计参数的选取

    在洁净室空调设计之初,要严格按照《药品生产质量管理规范》、《洁净厂房设计规范》、《医药工业洁净厂房设计规范》等手册取定室内温湿度、洁净等级等数据。

    本工程中1层厂房洁净度等级为100000级,2层厂房为300000级,采用非单向流全室空气净化。根据《药品生产质量管理规范》规定,洁净室内的温湿度要求为:生产工艺对温度、湿度无特殊要求时,以穿着洁净工作服不产生不舒服感为宜。本工程洁净厂房室内设计温度取冬季21℃夏季26℃,室内湿度50%~65%。其他室内技术指标数据的选取可参照《洁净厂房设计规范》或《空气洁净技术》。

2.3  冷、热负荷计算

    洁净室空调负荷包括夏季的空调冷负荷和冬季的空调热负荷,冷、热负荷的计算与一般空调相通,但洁净空调的冷负荷又有其特殊性,一般情况下洁净室处于建筑的内区,所以围护结构引起的冷负荷可按稳定传热计算,见公式1。

 (1)式中:Ki为内围护结构(如内墙、楼板等)的传热系数,W/(m2?℃);Ai为内围护结构的面积,m2;to.m为夏季空调室外计算日平均温度,℃;  为附加温升,可按表1选取。

    另外,对于洁净空调系统,负荷还应包括新风负荷和2次加热负荷。本工程经负荷计算后1层总冷负荷161 kW,总热负荷91 kW,2层总冷负荷203 kW,总热负荷167 kW。

2.4  风量计算

    洁净空调系统的风量计算是设计计算中最重要的环节之一,但在设计中一直存在着如何选取经验数据的难题。这些数值的选取是否合理直接影响设计结果,所以我们应结合工程实际情况进行合理分析后选取适宜的参数,令计算结果处于相关规范和手册中所规定的范围之内。

    本工程的风量汇总如表2 。

2.4.1  满足洁净室卫生标准的新风量计算

    计算满足洁净室卫生标准的新风量分2种情况,一是根据GB 50073-2001《洁净厂房设计规范》规定,保证供给室内的新鲜空气量不小于40m3/h?人;二是保证室内新风量可以补充室内排风和维持室内正压的渗漏风量之和。比较2种情况下计算所得新风量,取其中大者为房间新风量。一般空调系统的新风量约占总风量的10%~30%,相比之下洁净空调系统的新风比例稍大,可以达到总风量的40%以上。(www.iwuchen.com)

    本工程中1层新风量为10200 m3/h,新风比40.6%,2层新风量为19317 m3/h,新风比46.6%。

2.4.2  送风量计算

    在实际洁净空调工程设计中的送风量计算一般均采用经验换气次数进行计算,表1中列举了GB50073-2001《洁净厂房设计规范》和《医药洁净厂房设计规范》所规定的不同级别非单向流洁净室送风量计算所需的经验换气次数。在本工程中,由于厂房内人员密度很小,洁净等级为100000级的1层洁净区域换气次数取15次/h,2层洁净等级为300000级,换气次数取13次/h,经计算1层总送风量为25124 m3/h,2层为41493 m3/h。

2.4.3  回风量、排风量与排烟风量的计算

    在洁净空调系统的运行过程中,洁净室内会形成进风量与出风量的基本平衡,即洁净室的送风量等于新风量与回风量之和。而新风量等于保持房间正压的进风量与工艺排风量之和。所以总送风量应为工艺排风量、回风量与压差风量之和。在送风过程中,压差风量算入新风量中送入室内,压差风量的计算见2.4。则通过风量之间的平衡关系就可算得回风量与新风量:

回风量 = 送风量?新风量;新风量 = 排风量+正压风量。

    按要求本工程2层中心十字走廊做防排烟通风,排烟风量按每平米60 m3/h计算。风量计算结果见表2 。

2.5 静压差

    为了避免外界污染空气的渗入或不同洁净室(区)不同物质的相互影响,工业洁净室和一般生物洁净室采用正压措施,只允许室内洁净空气往外漏,而避免室外空气往里渗,即防止室外或邻室的空气携带污染物质通过门窗或其他缝隙、孔洞侵入造成污染。

2.5.1  各房间之间压差

    洁净室与周围的空间必须维持一定的压差,并应该按生产工艺要求决定维持正压差或负压差。不同等级的洁净室以及洁净区之间的压差应不小于5Pa,洁净区与室外的压差应不小于10 Pa[2]。    

    根据各洁净室功能用途和污染物数量种类等因素设计房间压差阶梯顺序,按生产或灌装用房且污染物较少的房间到污染物较多的走廊、更鞋室的顺序,房间压差由高至低。根据工程设计经验设计本工程房间压力和各房间之间的压差,使房间压力按照用途呈一个压力梯度:

2.5.2  压差风量计算

    国内外洁净室压差风量的确定,多数是采用房间换气次数计算的,当洁净室的压差值为5 Pa时,压差风量相应的换气次数为1次/h ~2次/h;当压差值为10 Pa时,相应的换气次数为2次/h~4次/h。因为洁净室压差风量的大小是与洁净室围护结构的气密性及维持的压差值相关,所以在选取换气次数时,对于气密性差的房间可以取上限,气密性好的房间可以取下限。

2.6  气流组织设计

    气流组织的合理设计是体现洁净室功能的关键。合理的气流组织,即通过送风口与回风口位置、大小、形式的精心设计,使室内气流沿一定方向流动,防止死角及造成二次污染。不同的气流组织直接影响施工的难易程度及工程造价。一般洁净度级别高于5级的洁净室均采用单向流,其中以垂直单向流效果最好,但造价也最高。洁净度级别为6~9级的洁净室则采用非单向流的气流组织。2.6.1  气流组织图

    本工程气流组织采用非单向流,顶送风对角回风的形式,设回风柱与排风柱进行回排风,非单向流的气流组织示意图见图2。

2.6.2  风口位置、大小的确定

    在做好负荷、风量和气流组织的计算,并根据冷量风量选取空调机组后,接下来的工作就是布置风口,而每间房间布置几个送风口、风口间距多少,不应简单的按经验确定,而应该做风口的空气射流计算,自由射流计算公式见公式2。

3    风管与机房的布置

3.1  空调机房布置与送风管布置

    在洁净空调设计的计算部分做好以后,需要确定机房位置并对洁净空调区域划分系统,如本工程送风系统1负担1层洁净区,送风系统2和送风系统3分别负担2层左半区与右半区,每个系统1台组合式净化空调机组。空调机房设置在1层,系统2和系统3送风干管通过机房上方风井至2层为空调区域送风。图3为2层送风管道平面图, 以2层送风管布置为例,送风管道的布置要遵循管路简洁、送风均匀、管径合理的原则,其中管径的确定要通过水力计算来确定。

3.2  回、排风与防排烟风管布置

    靠墙设置回风柱与排风柱进行回排风。回风同送风系统的划分一样,分为3个系统,回风系统2、3的回风干管通过机房上方的风井把回风送入机组。排风共7个系统,分别设置7个排风机对附近房间进行排风。另外,只对2层洁净走廊设置一个防排烟系统。如图4为2层回排风与防排烟风管平面图。

4    结语

    洁净室对室内环境的要求较高,所以洁净空调系统的风量、负荷与一般空调系统相比都要较大,风压也要比一般空调系统高出400 Pa以上,因此在设计中不能套用一般空调系统的计算方法,而应该合理选择参数,使用洁净空调系统的设计方法去做计算,避免计算误差过大造成能源的浪费甚至无法满足室内的洁净要求。

    在设计中需要着重注意的问题有:

(1)应根据相关规范手册,结合洁净室实际情况选取洁净室相关参数和技术指标,为后面的计算打好基础。

(2)应注意负荷计算和风量计算中与一般空调系统设计的不同之处,避免造成过大误差。风量的平衡关系要明确,正确计算压差风量,保证房间正压。

(3)气流组织计算中风口布置应做空气射流计算。

(4)机房布置和风管布置要结合实际情况合理布置,管路尽量简捷避免风管打架现象出现。



原文来源:无尘无菌洁净室专家  微信号:rfilter   http://www.iwuchen.com/


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