生物潔凈室潔凈空調系統(tǒng)設計

摘要：本文結合具體工程實例，闡述了生物潔凈室潔凈空調設計基本理念與方法，著重總結了設計計算的方法和其中一些經驗數據的選取，并結合實例圖紙分析了系統(tǒng)風管管路與機組平面布置的方法。本文采用的工程案例是具有代表性的集中式單風機潔凈空調系統(tǒng)。

關鍵字：潔凈空調  集中式單風機系統(tǒng)  計算方法

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，醫(yī)療水平和人民生活質量的提高，人們對藥品生產環(huán)境的要求越來越高，所以在設計潔凈廠房的空調系統(tǒng)時，應嚴格遵守國家統(tǒng)一的標準、規(guī)范，以防止在生產過程中因不潔微粒和微生物而引起藥品污染、交叉污染。目前已有的相關規(guī)范，除了已在世界各國制藥企業(yè)中得到廣泛推廣的《藥品生產質量管理規(guī)范》（又稱GMP），還有我國的《潔凈廠房設計規(guī)范》（GB50073-2001） 和國家醫(yī)藥管理局1997 年1 月頒布實施的《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》

空氣凈化一方面是送入潔凈空氣對室內污染空氣進行稀釋，另一方面是迅速排出室內濃度高的污染空氣。為保證生產環(huán)境或其他用途的潔凈室所要求的空氣潔凈度，需要采取控制污染源，減少污染發(fā)生量，阻止室外的污染物侵入室內等多方面的綜合措施才能達到目標[1]。

本文將結合武漢某制藥廠房的潔凈空調設計，總結潔凈室空調系統(tǒng)的設計方法，并對設計計算中經驗數據的選取進行總結和分析。

1 工程概況

本工程制藥廠房總建筑面積6750 m2，潔凈空調區(qū)域面積1710 m²。本工程潔凈空調系統(tǒng)采用集中式單風機系統(tǒng)，一層車間潔凈等級為100000 級，二層車間潔凈等級為300000 級。

2 生產車間凈化空調系統(tǒng)的設計

潔凈廠房要求空調系統(tǒng)能控制各等級生產車間及輔助用房的室內溫度、濕度、潔凈度、細菌與有害氣體濃度、氣流分布，保證室內人員所需新風量，維持室內合理的氣流流向和各房間合理、有序的壓力梯度^[2]。

2.1 潔凈空調設計計算步驟

潔凈室對于室內環(huán)境的要求比一般房間要高，所以潔凈空調系統(tǒng)的設計計算是整個設計中極其重要的一個環(huán)節(jié)，設計計算一般步驟如下^[1]：

①根據工藝要求確定潔凈室的潔凈度等級，選擇氣流流型，并且決定采用全室空氣凈化還是局部空氣凈化。

②計算新風量。取下列兩項中的大者：

a.補償室內排風量和保持室內正壓值所需新鮮空氣量之和。

b.保證供給室內的新鮮空氣量≥40 m³/(h·人)。

③計算潔凈室的冷、熱負荷。

④計算送風量。取下列三項中的最大值：

a.為保證空氣潔凈度等級的送風量。

b.根據熱、濕負荷計算確定的送風量。

c.向潔凈室內供給的新風量。

⑤根據送風量、冷熱負荷和選擇的氣流組織形式，計算氣流組織各參數。

⑥選擇空氣處理器。

⑦校核潔凈室內的微粒濃度和細菌濃度。

2.2 室內設計參數的選取

本工程中一層廠房潔凈度等級為100000 級，二層廠房為300000 級，采用非單向流全室空氣凈化。一般潔凈室內的溫濕度要求為：生產工藝對溫度、濕度無特殊要求時，以穿著潔凈工作服不產生不舒服感為宜^[3]。本工程潔凈廠房室內設計溫度取冬季21℃，夏季26℃，室內濕度50%～65%。

2.3 冷、熱負荷計算

潔凈室空調負荷包括夏季的空調冷負荷和冬季的空調熱負荷，冷、熱負荷的計算與一般空調相同，但潔凈空調的冷負荷又有其特殊性，一般情況下潔凈室處于建筑的內區(qū)，所以圍護結構引起的冷負荷可按穩(wěn)定傳熱計算^[4]。另外，對于潔凈空調系統(tǒng)，負荷還應包括新風負荷和二次加熱負荷。本工程經負荷計算后得一層總冷負荷為161 kW，總熱負荷為91 kW，二層總冷負荷為203 kW，總熱負荷為167 kW。

2.4 風量計算

潔凈空調系統(tǒng)的風量計算是設計計算中最重要的環(huán)節(jié)之一，但在設計中一直存在著如何選取經驗數據的難題。這些數值的選取是否合理直接影響設計結果，所以應結合工程實際情況進行合理分析后選取適宜的參數，使計算結果處于相關規(guī)范和手冊中所規(guī)定的范圍之內。本工程的風量匯總如表1。

2.4.1 滿足潔凈室衛(wèi)生標準的新風量計算

計算滿足潔凈室衛(wèi)生標準的新風量要分兩種情況，一是保證供給室內的新風量不小于40 m³/(h·人)[2]；二是保證室內新風量可以將室內的污染物稀釋到衛(wèi)生標準以下。比較兩種情況下計算所得新風量，取其中大者為房間新風量。空調系統(tǒng)的新風量約占總風量的10%~30%，因潔凈空調系統(tǒng)新風要求較高，所以新風量允許比總風量的30%略大一些。

本工程中一層新風量為6700 m³/h，新風比0.27，二層新風量為12767 m³/h，新風比0.31。

2.4.2 送風量計算

在實際潔凈空調工程設計中的送風量計算一般均采用經驗換氣次數進行計算，不同級別非單向流潔凈室的經驗換氣次數，可根據房間的不同用途參照《潔凈廠房設計規(guī)范》和《醫(yī)藥潔凈廠房設計規(guī)范》進行選取。在本工程中，由于廠房內人員密度很小，潔凈等級為100000 級的一層潔凈區(qū)域換氣次數取15 次/h，二層潔凈等級為300000 級，換氣次數取13 次/h，經計算一層總送風量為25124 m³/h，二層為41493 m³/h。

2.4.3 回風量、排風量與排煙風量的計算

在潔凈空調系統(tǒng)的運行過程中，潔凈室內會形成進風量與出風量的基本平衡，即滿足衛(wèi)生標準的新風量與回風量之和等于回風量與排風量之和。而為保持房間正壓，進風量與出風量應存在一個壓差風量，所以總送風量應為滿足衛(wèi)生標準的新風量、回風量與壓差風量之和。在送風過程中，壓差風量算入新風量中送入室內。則通過風量之間的平衡關系就可算得回風量與排風量：回風量= 送風量- 滿足衛(wèi)生標準的新風量-壓差風量；排風量= 滿足衛(wèi)生標準的新風量。按要求本工程二層中心十字走廊做防排煙通風，排煙風量按每平米60m3/h 計算。計算結果見表1。

2.5 靜壓差

為了避免外界污染空氣的滲入或不同潔凈室（區(qū)）不同物質的相互影響，工業(yè)潔凈室和一般生物潔凈室采用正壓措施，只允許室內潔凈空氣往外漏，而避免室外空氣往里滲，即防止室外或鄰室的空氣攜帶污染物質通過門窗或其他縫隙、孔洞侵入造成污染。

潔凈室與周圍的空間必須維持一定的壓差，并應該按生產工藝要求決定維持正壓差或負壓差[1]。不同等級的潔凈室以及潔凈區(qū)之間的壓差應不小于5 Pa，潔凈區(qū)與室外的壓差應不小于10 Pa。根據各潔凈室功能用途和污染物數量種類等因素設計房間壓差階梯順序，按生產或灌裝用房且污染物較少的房間到污染物較多的走廊、更鞋室的順序，房間壓差由高至低。根據工程設計經驗設計本工程房間壓力和各房間之間的壓差，使房間壓力按照用途呈一個壓力梯度。

國內外潔凈室壓差風量的確定，多數是采用房間換氣次數計算的，當潔凈室的壓差值為5 Pa 時，壓差風量相應的換氣次數為1~2 次/h；當壓差值為10 Pa時，相應的換氣次數為2~4 次/h[2]。因為潔凈室壓差風量的大小是與潔凈室圍護結構的氣密性及維持的壓差值相關，所以在選取換氣次數時，對于氣密性差的房間可以取上限，氣密性好的房間可以取下限。

2.6 氣流組織設計

氣流組織的合理設計是體現潔凈室功能的關鍵。合理的氣流組織，即通過送風口與回風口位置、大小、形式的精心設計，使室內氣流沿一定方向流動，防止死角及造成二次污染[2]。

本工程氣流組織采用非單向流，頂送風對角回風的形式，設回風柱與排風柱進行回排風。

在做好負荷、風量和氣流組織的計算，并根據冷量風量選取空調機組后，接下來的工作是布置風口，而每間房間布置幾個送風口、風口間距多少，不應簡單地按經驗確定，而應該做風口的空氣射流計算，自由射流計算公式如式（1）[5]。

式中：R 為空氣射流到工作斷面的斷面半徑，m；r0 為風口當量半徑， ；a 為湍流系數，由噴嘴類

型決定；s 為風口至工作斷面距離。

潔凈室工作斷面平均風速v1 取值0.3~0.5 m/s，高效過濾器風口風速v0 一般取2~3 m/s[2]，盡管噴嘴的湍流系數一般無法確定，但可以由斷面平均風速公式（2）

算得的大小，則進而得到R 與r0 的關系，這樣選定

風口尺寸就可以定下R 值，于是就確定了送風口間距

從而得知房間內布置幾個風口。也可以定r0 而得R，只要使兩個數值都比較合理即可。

3 風管與機房的布置

3.1 空調機房布置與送風管布置

在潔凈空調設計的計算部分做好以后，需要確定機房位置并對潔凈空調區(qū)域劃分系統(tǒng)，如本工程送風系統(tǒng)一負擔一層潔凈區(qū)，送風系統(tǒng)二和送風系統(tǒng)三分別負擔二層左半區(qū)與右半區(qū)，每個系統(tǒng)一臺組合式凈化空調機組。空調機房設置在一層，系統(tǒng)二和系統(tǒng)三送風干管通過機房上方風井至二層為空調區(qū)域送風。圖1 為二層送風管道平面圖，以二層送風管布置為例，送風管道的布置要遵循管路簡潔、送風均勻、管徑合理的原則，其中管徑的確定要通過水力計算來確定。

3.2 回、排風與防排煙風管布置

靠墻設置回風柱與排風柱進行回排風?；仫L同送風系統(tǒng)的劃分一樣，分為三個系統(tǒng)，回風系統(tǒng)二、三的回風干管通過機房上方的風井把回風送入機組。排風共七個系統(tǒng)，分別設置七個排風機對附近房間進行排風。另外，只對二層潔凈走廊設置一個防排煙系統(tǒng)。如圖2 為二層回排風與防排煙風管平面圖。

4 結語

潔凈室對室內環(huán)境的要求較高，所以潔凈空調系統(tǒng)的風量、負荷與一般空調系統(tǒng)相比都要較大，風壓也要比一般空調系統(tǒng)高出400 Pa 以上，因此在設計中不能套用一般空調系統(tǒng)的計算方法，而應該合理選擇參數，使用潔凈空調系統(tǒng)的設計方法去做計算，避免計算誤差過大造成能源的浪費或者無法滿足室內的潔凈要求。

在設計中需要著重注意的問題有：

1）應根據規(guī)范手冊，結合潔凈室實際情況選取潔凈室相關參數和技術指標，為后面的計算打好基礎。

2）應注意負荷計算和風量計算中與一般空調系統(tǒng)設計的不同之處，避免造成過大誤差。風量的平衡關系要明確，正確計算壓差風量，保證房間正壓。

3）合理計算氣流組織。

4）機房布置和風管布置要結合實際情況布置，管路盡量簡潔避免風管打架現象出現。

參考文獻

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[2] 中華人民共和國建設部. 潔凈廠房設計規(guī)范(GB50073-2001)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2001

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