药厂无菌制剂车间空调系统设计
胡衍
（福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司上海坤元医药工程分公司，上海 200050）
摘 要 以某药厂无菌制剂车间项目为例，从设计条件出发，通过分析空气热湿处理过程，选择合适的空调系统。并提出优化设计方案，且从投资和运行费用方面进行技术经济分析，得出在此项目中采用提高冷冻水供水温度等节能方案是可行的结论。
关键词 无菌制剂；转轮除湿；温湿度独立控制；冷冻水温度；节能
A 文章编号：2095-817X （2015）06-0027-000中图分类号：TQ 460.8+2 文献标识码：
药厂空调系统的设计除需满足GMP 等规范要求的同时，也应满足不同工艺生产条件要求。各类药品自身的特性决定了其生产和储存所需的环境温度各不相同。某无菌制剂生产车间项目含口服制剂和冻干粉针两个车间，其净化空调系统除需满足医药洁净室的洁净度、压差、温湿度要求的同时也具有如房间（胶囊填充、压片、包衣、制粒、混合）相对负压、大的新风比、较低湿度的特点。上述生产环境的要求使得净化空调系统具有较大风量和较高除湿能力的特点，也易造成空调系统运行能耗的浪费。因此在设计中就要特别关注节能方面的问题。
本文主要从空调系统制冷运行工况出发进行分析，提出优化设计方案来降低原设计的空调运行能耗，从而提高药厂的经济效益。
表1 室外设计参数Tab. 1 Outdoor design conditions
项目地理位置
大气压力 /Pa
冬季夏季冬季空气调节夏季空气调节夏季空气调节夏季最热月冬季最冷月
山东临沂101 73099 660-6.833.327.262.962
室外计算干球温度/ ℃室外计算湿球温度/ ℃室外计算相对湿度/ %
的产品（见表2）。
2 空调系统
2. 1 空气处理过程分析
有洁净度等级要求的区域，应采用全空气系统，利用组合式空调箱将空气处理到送风状态点送风。由于空气的处理过程多种多样，相应空调系统也就各不相同。
利用i-d 图（焓湿图）对项目中比较常见，有代表性的空气处理过程进行分析。图1为3个空气处理方式：
方式一，通过表冷盘管直接降温除湿，组合式空调箱相对简单。因为不是温湿度独立控制，在温度和湿度的控制上互相制约，一般需要再热处理（图示L-O ）使空气达到需要的送风状态点，从而造成部份冷热抵消能源浪费现象。同时，在冷水机组标准工况下（提供7 ℃/12 ℃冷冻水）除湿能力有限，在除湿要求高的空调区域也无法满足要求。若采用低温冷
1 设计资料
1. 1 基本条件
该项目位于中国山东省，生产建筑物共四层，一、二层为口服固体制剂，三、四层为冻干粉针剂。生产类别丙类（见表1）。1. 2 工艺条件
该药厂为多产品生产。冻干粉针车间包含生产低温类产品，为避免发生结露，B 级区空调系统温湿度参数设定两种工况。固体制剂车间生产低湿类
收稿日期：2015-04-05
作者简介：胡衍（1984—），男，暖通工程师，研究方向：洁净厂房空调系统的节能设计。
Tab. 2 Indoor design conditions
洁净级别B 级C 级D 级D 级控制区舒适区
区域灌装、轧盖等铝盖清洗、稀配、洗瓶等制粒、胶囊填充、压片内包、轧盖、清洗、气锁外包、控制走廊、上瓶更衣、办公、走廊等
温度/℃夏18±2、22±2
24±224±224±224±2≤28
冬18±2、20±2
20±220±220±220±2≥18
相对湿度度/ %夏
冬
≤45、55±10≤45、50±10
55±1040±1055±1055±10—
50±1040±1050±1050±10—
W
W
90 %
C
N O
C1
N C2
90
80
70
60
80
70
60
50
50
L
40
L
40
30
30
20
K J g / k
20
注：W-室外点 N-室内点 C-混合点 L-机器露点 O-送风状态点
图1 空气处理过程方式一Fig. 1 The type 1 air handling process
注：W-室外点 N-室内点 C1-混合点 L-机器露点 C2-二次混合点=送风状态点
图2 空气处理过程方式二Fig. 2 The type 2 air handling process
冻水提高除湿能力，又会造成冷水机组在性能系数较低的状态下运行；若采用直膨机组也很可能由于需要启用除霜运行而带来能源浪费。
方式二，通过表冷盘管直接降温除湿，与方式一的区别在于其利用二次回风来降低或消除再热引起的能量损耗。其除湿能力不如方式一，如图2所示，同样处理到C2状态点，需要比方式一处理到更低的机器露点L ，而L 点受冷冻水供、回水温度的影响，及需要提供更低冷冻水供、回水温度。实际工程中为了应对负荷变化和设计偏差，常常在空调箱中二次回风段后增加表冷和再热段，以控制送风温度，也相对增加了设备段位和控制的复杂程度。
方式三，采用转轮除湿，温湿度独立控制。此方式无再热能量损耗，而且除湿能力显著。如图3所示，L-D 是转轮除湿空气处理过程。因湿蒸汽凝结时放热加热空气升温，所以理论上是等焓升温。但受到转轮再生过程中加热的影响，实际空气处理过程会比
注：W-室外点 N-室内点 C-混合点 D-除湿后状态点 L-机器露点 O-送风状态点
O C
N
W
W
等焓线的值要高。转轮除湿的空调处理机组相对复杂，一般增加预冷段，转轮除湿段。处理新风前先经过预冷降温除湿处理，减少转轮除湿量，从而降低对转轮的能力要求。
80
70
60
50
40
图3 空气处理过程方式三Fig. 3 The type 3 air handling process
如以下情况：
空调系统的新风量较大，则需在空调箱中旁通部分风量来减少转轮除湿处理风量。通过自控系统控制电动调节阀实现。
空调系统的散湿量比较大，新风量相对较小。新风全部经过转轮除湿处理也不满足系统除湿要求，则需要结合方式二的二次回风处理过程。将部分回风和新风混合后再经过转轮除湿处理，从而满足湿负荷的要求。
2. 2 空调系统设计
本项目设计的空调系统，除局部采用风机盘管外，其余均采用全空气风道式中央空调系统。
净化空调系统空气经初效、中效、高效过滤器三级过滤后送入室内。高效过滤器设置在送风系统末端的送风口内。换气次数：B 级≥55次/h；C 级≥35次/h；D 级≥20次/h。室内气流组织：上送，下侧回。
冷热源及参数：空调系统所用冷源采用供水温度7 ℃，回水温度12 ℃运行，加热用热媒采用60 ℃/50 ℃热水，转轮除湿机加热蒸汽采用0.5 MPa蒸汽，空调系统加湿用蒸汽采用0.2 MPa纯蒸汽。
空调系统处理方式如下：
B 级区、D 级区（制粒、压片等）除湿要求高的空调系统采用了方式三的处理过程，其余区域空调系统除部分采用风机盘管外都采用方式一的处理过程。
总制冷量 3 580 kW。
参考冷水机组能效（COP ）随出水温度的变化见表3。
表3 冷水机组COP 变化
Tab. 3 The COP change of water chilling unit
出水温度/℃
71013
COP 4.885.285.54
蒸发温度/℃
5.58.610.4
3. 2. 2 计算分析
（1）投资费用
方案调整的3个空调系统总风量177 600 m3/h，其中新风量46 000 m3/h。平均设备费用增加约20万元。其中含转轮除湿机组15万元、预冷盘管3万元、箱体等费用2万元。总设备增加的费用TC 1 = 20×3 = 60万元。
系统原设计送风点温度20 ℃（h = 44 kj/ kg），机器露点温度14.5 ℃（h = 38.4 kj/ kg）。优化后减少的再热量Q zr =177 600×1.2×（44-38.4） /（3 600）= 331.5 kW。考虑到转轮除湿实际非等焓温升。冷冻机组总冷量降低Q = 298 kW。冷冻机组及水系统减少的相关费用TC 2 = 20万元。
（2）运行费用
制冷耗电量=制冷量/COP。
全负荷运行时原设计冷冻水机组的耗电量PC 1
= 3 580/ (4.88) = 733.6 kW，优化设计冷冻水机组的耗电量PC 2 =(3 580-298) / (5.28) = 621.6 kW，再生风机耗电量PC 3 = 4 kW。
733.6 - 621.6 - 4 = 108 耗电量节省PC 4= PC1- PC2- PC3 =
kW 。年运行费用节省CS = 108×10×200×0.65×0.7 = 98 280元。
静态投资回收期（TC 1 - TC 2） /（CS ）=（60 - 20）×10 000 / (98 280) = 4 a3. 2. 3 结论
原设计如采用优化设计方案，计算得静态投资回收期为4年，而一般空调系统的使用寿命为20年左右，优化设计方案是可行的。优化方案节约了能源消耗，又显著降低药厂空调系统运行费用，初投资增加不大，所以设计项目中适当结合实际情况来进行优化会带来较好的节能效果。
3 优化设计方案
3. 1 内容
冷冻水机组提高供水温度运行，采用供水温度10 ℃ ，回水温度 15 ℃运行。因为供水温度的提高，部分空调系统不能满足除湿需求，涉及C 级区、D 级（内包、轧盖等）、受控区域的3个空调系统。因此方案中调整此三个区域的空调系统处理方式，空气处理过程由方式一改成方式三。即采用带转轮除湿的空气处理机组。同时考虑利用冷冻机组冷凝器废热或厂区内低压蒸汽等低品位热源提供此三个系统转轮除湿机组的再生热负荷。3. 2 技术经济分析3. 2. 1 参数设定
制冷运行天数200 d，平均负荷率65 %（考虑部分负荷和运行时间等），空调运行时间10 h / d ，电价
[1] GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].[2] 陈霖新．洁净厂房的设计与施工[M]．北京：化学工业出版社，
[3] 徐伟. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].
北京：中国建筑工业出版社，2012.
Design of Air Conditioning System Used in Aseptic Preparation Workshop in
Pharmaceutical Plant
Hu Yan
（Shanghai Kunyuan Pharmaceutical Engineering Branch, Foster Wheeler (Hebei) Engineering Design Co., Ltd, Shanghai 200050）Abstract: Exampled with an aseptic preparation workshop in pharmaceutical plant and based on design conditions, the treatment process for hot and humid air was analyzed, and then appropriate air conditioning system was selected. By analyzing the cost of investment and operation from the view point of technical economy, the optimum design scheme was proposed. It was concluded finally that the energy saving scheme with enhancing the temperature of supplied chilled water was feasible in engineering.
Keywords: aseptic preparation; rotary dehumidifier; independent control of temperature and humidity; temperature of chilled water; energy saving
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药厂无菌制剂车间空调系统设计
胡衍
（福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司上海坤元医药工程分公司，上海 200050）
摘 要 以某药厂无菌制剂车间项目为例，从设计条件出发，通过分析空气热湿处理过程，选择合适的空调系统。并提出优化设计方案，且从投资和运行费用方面进行技术经济分析，得出在此项目中采用提高冷冻水供水温度等节能方案是可行的结论。
关键词 无菌制剂；转轮除湿；温湿度独立控制；冷冻水温度；节能
A 文章编号：2095-817X （2015）06-0027-000中图分类号：TQ 460.8+2 文献标识码：
药厂空调系统的设计除需满足GMP 等规范要求的同时，也应满足不同工艺生产条件要求。各类药品自身的特性决定了其生产和储存所需的环境温度各不相同。某无菌制剂生产车间项目含口服制剂和冻干粉针两个车间，其净化空调系统除需满足医药洁净室的洁净度、压差、温湿度要求的同时也具有如房间（胶囊填充、压片、包衣、制粒、混合）相对负压、大的新风比、较低湿度的特点。上述生产环境的要求使得净化空调系统具有较大风量和较高除湿能力的特点，也易造成空调系统运行能耗的浪费。因此在设计中就要特别关注节能方面的问题。
本文主要从空调系统制冷运行工况出发进行分析，提出优化设计方案来降低原设计的空调运行能耗，从而提高药厂的经济效益。
表1 室外设计参数Tab. 1 Outdoor design conditions
项目地理位置
大气压力 /Pa
冬季夏季冬季空气调节夏季空气调节夏季空气调节夏季最热月冬季最冷月
山东临沂101 73099 660-6.833.327.262.962
室外计算干球温度/ ℃室外计算湿球温度/ ℃室外计算相对湿度/ %
的产品（见表2）。
2 空调系统
2. 1 空气处理过程分析
有洁净度等级要求的区域，应采用全空气系统，利用组合式空调箱将空气处理到送风状态点送风。由于空气的处理过程多种多样，相应空调系统也就各不相同。
利用i-d 图（焓湿图）对项目中比较常见，有代表性的空气处理过程进行分析。图1为3个空气处理方式：
方式一，通过表冷盘管直接降温除湿，组合式空调箱相对简单。因为不是温湿度独立控制，在温度和湿度的控制上互相制约，一般需要再热处理（图示L-O ）使空气达到需要的送风状态点，从而造成部份冷热抵消能源浪费现象。同时，在冷水机组标准工况下（提供7 ℃/12 ℃冷冻水）除湿能力有限，在除湿要求高的空调区域也无法满足要求。若采用低温冷
1 设计资料
1. 1 基本条件
该项目位于中国山东省，生产建筑物共四层，一、二层为口服固体制剂，三、四层为冻干粉针剂。生产类别丙类（见表1）。1. 2 工艺条件
该药厂为多产品生产。冻干粉针车间包含生产低温类产品，为避免发生结露，B 级区空调系统温湿度参数设定两种工况。固体制剂车间生产低湿类
收稿日期：2015-04-05
作者简介：胡衍（1984—），男，暖通工程师，研究方向：洁净厂房空调系统的节能设计。
Tab. 2 Indoor design conditions
洁净级别B 级C 级D 级D 级控制区舒适区
区域灌装、轧盖等铝盖清洗、稀配、洗瓶等制粒、胶囊填充、压片内包、轧盖、清洗、气锁外包、控制走廊、上瓶更衣、办公、走廊等
温度/℃夏18±2、22±2
24±224±224±224±2≤28
冬18±2、20±2
20±220±220±220±2≥18
相对湿度度/ %夏
冬
≤45、55±10≤45、50±10
55±1040±1055±1055±10—
50±1040±1050±1050±10—
W
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C
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30
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K J g / k
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注：W-室外点 N-室内点 C-混合点 L-机器露点 O-送风状态点
图1 空气处理过程方式一Fig. 1 The type 1 air handling process
注：W-室外点 N-室内点 C1-混合点 L-机器露点 C2-二次混合点=送风状态点
图2 空气处理过程方式二Fig. 2 The type 2 air handling process
冻水提高除湿能力，又会造成冷水机组在性能系数较低的状态下运行；若采用直膨机组也很可能由于需要启用除霜运行而带来能源浪费。
方式二，通过表冷盘管直接降温除湿，与方式一的区别在于其利用二次回风来降低或消除再热引起的能量损耗。其除湿能力不如方式一，如图2所示，同样处理到C2状态点，需要比方式一处理到更低的机器露点L ，而L 点受冷冻水供、回水温度的影响，及需要提供更低冷冻水供、回水温度。实际工程中为了应对负荷变化和设计偏差，常常在空调箱中二次回风段后增加表冷和再热段，以控制送风温度，也相对增加了设备段位和控制的复杂程度。
方式三，采用转轮除湿，温湿度独立控制。此方式无再热能量损耗，而且除湿能力显著。如图3所示，L-D 是转轮除湿空气处理过程。因湿蒸汽凝结时放热加热空气升温，所以理论上是等焓升温。但受到转轮再生过程中加热的影响，实际空气处理过程会比
注：W-室外点 N-室内点 C-混合点 D-除湿后状态点 L-机器露点 O-送风状态点
O C
N
W
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等焓线的值要高。转轮除湿的空调处理机组相对复杂，一般增加预冷段，转轮除湿段。处理新风前先经过预冷降温除湿处理，减少转轮除湿量，从而降低对转轮的能力要求。
80
70
60
50
40
图3 空气处理过程方式三Fig. 3 The type 3 air handling process
如以下情况：
空调系统的新风量较大，则需在空调箱中旁通部分风量来减少转轮除湿处理风量。通过自控系统控制电动调节阀实现。
空调系统的散湿量比较大，新风量相对较小。新风全部经过转轮除湿处理也不满足系统除湿要求，则需要结合方式二的二次回风处理过程。将部分回风和新风混合后再经过转轮除湿处理，从而满足湿负荷的要求。
2. 2 空调系统设计
本项目设计的空调系统，除局部采用风机盘管外，其余均采用全空气风道式中央空调系统。
净化空调系统空气经初效、中效、高效过滤器三级过滤后送入室内。高效过滤器设置在送风系统末端的送风口内。换气次数：B 级≥55次/h；C 级≥35次/h；D 级≥20次/h。室内气流组织：上送，下侧回。
冷热源及参数：空调系统所用冷源采用供水温度7 ℃，回水温度12 ℃运行，加热用热媒采用60 ℃/50 ℃热水，转轮除湿机加热蒸汽采用0.5 MPa蒸汽，空调系统加湿用蒸汽采用0.2 MPa纯蒸汽。
空调系统处理方式如下：
B 级区、D 级区（制粒、压片等）除湿要求高的空调系统采用了方式三的处理过程，其余区域空调系统除部分采用风机盘管外都采用方式一的处理过程。
总制冷量 3 580 kW。
参考冷水机组能效（COP ）随出水温度的变化见表3。
表3 冷水机组COP 变化
Tab. 3 The COP change of water chilling unit
出水温度/℃
71013
COP 4.885.285.54
蒸发温度/℃
5.58.610.4
3. 2. 2 计算分析
（1）投资费用
方案调整的3个空调系统总风量177 600 m3/h，其中新风量46 000 m3/h。平均设备费用增加约20万元。其中含转轮除湿机组15万元、预冷盘管3万元、箱体等费用2万元。总设备增加的费用TC 1 = 20×3 = 60万元。
系统原设计送风点温度20 ℃（h = 44 kj/ kg），机器露点温度14.5 ℃（h = 38.4 kj/ kg）。优化后减少的再热量Q zr =177 600×1.2×（44-38.4） /（3 600）= 331.5 kW。考虑到转轮除湿实际非等焓温升。冷冻机组总冷量降低Q = 298 kW。冷冻机组及水系统减少的相关费用TC 2 = 20万元。
（2）运行费用
制冷耗电量=制冷量/COP。
全负荷运行时原设计冷冻水机组的耗电量PC 1
= 3 580/ (4.88) = 733.6 kW，优化设计冷冻水机组的耗电量PC 2 =(3 580-298) / (5.28) = 621.6 kW，再生风机耗电量PC 3 = 4 kW。
733.6 - 621.6 - 4 = 108 耗电量节省PC 4= PC1- PC2- PC3 =
kW 。年运行费用节省CS = 108×10×200×0.65×0.7 = 98 280元。
静态投资回收期（TC 1 - TC 2） /（CS ）=（60 - 20）×10 000 / (98 280) = 4 a3. 2. 3 结论
原设计如采用优化设计方案，计算得静态投资回收期为4年，而一般空调系统的使用寿命为20年左右，优化设计方案是可行的。优化方案节约了能源消耗，又显著降低药厂空调系统运行费用，初投资增加不大，所以设计项目中适当结合实际情况来进行优化会带来较好的节能效果。
3 优化设计方案
3. 1 内容
冷冻水机组提高供水温度运行，采用供水温度10 ℃ ，回水温度 15 ℃运行。因为供水温度的提高，部分空调系统不能满足除湿需求，涉及C 级区、D 级（内包、轧盖等）、受控区域的3个空调系统。因此方案中调整此三个区域的空调系统处理方式，空气处理过程由方式一改成方式三。即采用带转轮除湿的空气处理机组。同时考虑利用冷冻机组冷凝器废热或厂区内低压蒸汽等低品位热源提供此三个系统转轮除湿机组的再生热负荷。3. 2 技术经济分析3. 2. 1 参数设定
制冷运行天数200 d，平均负荷率65 %（考虑部分负荷和运行时间等），空调运行时间10 h / d ，电价
[1] GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].[2] 陈霖新．洁净厂房的设计与施工[M]．北京：化学工业出版社，
[3] 徐伟. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].
北京：中国建筑工业出版社，2012.
Design of Air Conditioning System Used in Aseptic Preparation Workshop in
Pharmaceutical Plant
Hu Yan
（Shanghai Kunyuan Pharmaceutical Engineering Branch, Foster Wheeler (Hebei) Engineering Design Co., Ltd, Shanghai 200050）Abstract: Exampled with an aseptic preparation workshop in pharmaceutical plant and based on design conditions, the treatment process for hot and humid air was analyzed, and then appropriate air conditioning system was selected. By analyzing the cost of investment and operation from the view point of technical economy, the optimum design scheme was proposed. It was concluded finally that the energy saving scheme with enhancing the temperature of supplied chilled water was feasible in engineering.
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