浅析医药厂房洁净空调系统的常见设计问题

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  【摘 要】 当前,在药厂的洁净空调系统设计当中,为了能够有效的控制车间的洁净度以及温湿度等环境参数以确保药品在生产过程中满足实际环境需求,就需要针对经常出现的一些问题对药厂的净化空调系统进行部分优化设计,笔者结合实际现场经验,对药厂净化空调系统设计中存在的问题进行了分析探讨。
  【关键词】 药厂;洁净空调系统;优化设计
  2010版GMP(药品生产质量管理规范)颁布实施后,我国逐步与国际接轨,对药品生产各个环节要求十分严格,洁净空调系统也就随之被广泛应用到药品生产车间。洁净环境的保证是制药企业能否生产处合格的药品关键因素之一。
  一、洁净空调系统的重要性
  洁净空调系统是制药厂生产合格药品的前提保证,是整个药品生产得以稳定并高效节能运行的重要支撑。洁净空调系统的设计以及安装是整个系统能够正常运行的关键因素,在安装过程中,务必要按照相关的规范或者标准进行,只有按照规定安装才能保证系统充分发挥其洁净环境的作用。所以,工程技术人员要具备丰富的净化空调系统安装的经验和理论知识,并且可以将理论和实践相结合,才可以在净化空调系统的设计安装过程中制作出经济而又节能合理的方案,得以达到当代的药品生产环境的洁净要求。
  二、工程概况介绍
  东北地区某药厂综合制剂车间建筑面积为38000m2,总高度是23.76米,车间主体结构是框架四层,一层、三层是制水设备间及库房区域,二层、四层是生产车间,本期工程是四层车间,净化区域面积在6000平米左右。按照生产工艺的总平面布置图,生产车间主要分成三个工艺相同的车间,单侧对应三个空调机房。分别有更衣室、轧盖、胶塞清洗、冻干、胶塞存放等。其洁净等级的要求为D级区、C级区、B级区、C+A级区、B+A级区。该项目空调系统流程简图有以下两种形式:
  局部排风系统:新风和回风混合后送入洁净室,洁净室有固定的排风,送风量与回风量和排风量的差值满足房间压力要求,如图1所示:
  间歇排风系统:房间有设备排风,设备排放有工作模式、值班模式、停机模式,设备排风量是一个变化值,如图2所示:
  三、药厂洁净空调系统设计中存在的问题
  笔者在该项目洁净空调系统设计的基础之上结合其它药厂项目空调系统设计总结了以下几点常见问题:
  (一)风机压头不足
  现象1:某项目在调试时发现空调机的送风量低于设计要求,对比设备铭牌和设计参数没有发现问题,导致调试一度中断;现象2:某项目因为调试时间持续较长,在调试的后期阶段发现同样的情况排风系统上,导致调试停滞。原因分析:项目所在地和生产设备所在地所处的海拔线相差较大,两地的大气压和空气密度的差别对设备的性能有较大的影响;医药厂房所用的空调通风系统设备、送/回风口、管路中布置各级过滤器的情况较多,设计所选设备参数全压考虑冗余不足。解决方案或建议:更换风机皮带轮/电机/风机;风机选型时要考虑设备的使用地域,避免因地域海拔高度差异较大而对风机性能产生影响;系统中过滤器设置的多少及初终阻力的变化对系统阻力的影响,故要考虑一定的设备全压冗余量,避免出现电机满负荷运转导致变频器调节功能丧失,能源浪费。施工阶段管路布置时尽量减少部件数量和使用局部阻力小的部件。
  (二)间隙局部排风系统对房间压力的影响
  现象1:某项目房间内的无菌隔离器开启时,该洁净室内相对大气的压差有变化,与相邻房间之间的压差梯度发生变化,导致监控系统报警。原因分析:房间内遵循总送风量=回风量+排风量+泄漏风量,设备运行时设备排风连锁启动运行,造成回风量+排风量之和增加,而送风量不变,直接导致泄漏风量的必要条件——房间绝对压力变小,以维持风量平衡。
  现象2:某药厂的西林瓶洗瓶机的排风系统在运行和停止两种状况下,洗瓶间相对大气的压差有很大变化。系统初调试是在静态下进行的,此时分装间对洗瓶间的压差可以恒定在10~20Pa(设备可启动的安全范围)之间的某值,一旦启动洗瓶机,该压差就偏离了安全范围,导致设备报警,不能正常运行。原因分析:该房间保证压差的逻辑是:排风系统在房间内同时布置两支管路,一路(M1:电动调节阀-开关型)接设备,另一路(M2:电动调节阀-开关型)接房间的回风夹道,两个电动阀状态相反,互相切换,以保证其中的一个电动阀打开,实现房间的排风量在设备运行和停止两种状态下基本相同。但忽略了以下两个问题:1、设备需要的排风量和排风风机的排风量要匹配,不能出现较大出入;2、接设备和接回风夹道的支路全阻力要基本平衡,保证M1和M2切换时系统的排风量基本不变,只因设备选型及系统设计时,没有考虑以上两种因素导致M1和M2切换时出现压差变化大的现象。
  解决方案或建议:现象1:在回风管上增设VAV,根据房间压差自动调整回风量,使送、回、排风自动平衡,维持房间的压差平衡。现象2:人为因素增加系统阻力(主管路上增设手动调节阀),以减少风机的实际排风量(该方案能耗高,最好是更换风机);调整支路走向,并增设手动调节阀保证支路阻力平衡。对有间隙局部排风房间设计的建议方案如下:
  1.连接设备的排风支路上设电动密闭阀,与设备的运行状态连锁;
  2.管路或系统的排风量需与设备排风量一致,建议管路设置无级手动调节阀,同一个排风系统负责多个房间或设备的排风时建议在支管路上分别设置CAV;
  3.不建议送风管路设置VAV,可以使用CAV;
  4.建议采用通过VAV调整回风量维持房间的压差;
  5.设备的排风系统最好是独立的系统(设备停止时也参与房间内的排风);
  (三)气流组织不合理
  现象1:某项目分装间系统回风及FFU自循环回风百叶布置过于集中及尺寸选型过高影响到了局部层流气体流型,不利于满足GMP要求“层流系统在器工作区域必须均匀送风,风速为0.36~0.54m/s”。原因分析:回风百叶布局过于集中,且为了保证回风有效面积而选用的回风百叶高度过高,导致气流流型紊乱及流程变短。解决方案:调整过于集中布局的回风百叶,提高气流流型的合理性;增加回风百叶的数量,选用高度尽量小的回风百叶,降低风口安装高度(一般做法为:风口底边距地面为200mm),但不能盲目增加数量,要考虑气流流型,适当提高回风风口处风速也可作为补救措施;在层流区安装隔离垂帘,并尽量下垂至地面。   现象2:某药厂局部层流采用成品层流罩和FFU的形式,但层流区的工作区风速过小,不能满足GMP要求。原因分析:成品层流罩或FFU布局标高过高,且采用上送上侧回的形式。解决方案:适当降低层流罩或FFU标高;层流罩或FFU标高四周安装隔离垂帘,并尽量下垂至地面;将成品层流罩回风口封死,在贴顶棚安装的层流罩顶部另开回风口,此风口连接管道引向房间的侧墙,在侧墙上面做回风夹道,从下部开回风口,堵死FFU三面,留一面在接房间内的回风夹道,实现上送下侧回风;改用直流电机的FFU(实验可证明直流电机FFU的出风风速比交流电机FFU出风风速可高出10%~20%);
  现象3:某药厂有两个房间共用一个回风夹道,在调试时出现压差非常难控制的情况。此种设置极端情况会出现两个房间通过回风夹道出现交叉“串风”的情况。原因分析:两个房间共用一个回风夹道,且两个房间的回风百叶处没有设置可以调节风量的装置,当两个房间回风量差异较大的情况下,极易出现交叉“串风”的情况。解决方案或建议:在回风百叶处分别增设暗装无级手动调节阀(不易被气流干扰到开度;重新调整回风夹道布局,避免回风夹道共用的情况;
  (四)新风管路系统布置不合理
  现象1:某药厂空调机房几台空调机共用一个新风主管道,在空调机组运行时出现其中的一台机组新风量不够的情况。原因分析:多台空调机组共用一支新风管道,且新风管道不够大(实际计算风速为3.4m/s),大系统的空调机组全压比小系统的空调机组全压要高出230Pa,直接造成小系统的机组新风量不够,极端情况下还出现气流倒流的情况。解决方案或建议:每台空调机组独立布置新风管路;根据系统的大小有选择的共用新风管路;空间允许的情况下,使用新风集中处理系统。
  现象2:新风防雨百叶堵死,导致系统新风量大大减少。原因分析:该新风防雨百叶风口带防虫网,但因为安装位置比较高,且无可拆卸检查口,不方便清洗,随着时间的推移,防虫网被飞虫尸体及其他赃物堵死。解决方案或建议:拆除新风百叶处的防虫网。新风口应设计为防雨型不带防虫网的风口,尺寸应该满足迎面风速尽量小(常规选择为2~5m/s)的原则,风口与风管之间应设适当长度的底面向外坡的连接箱。
  四、药厂洁净空调系统设计解决措施
  (一)送回风和排风系统
  根据大量的资料以及相关工作人员多年的工作经验来看,加大洁净区内的换气次数可以帮助提高洁净区的洁净程度,但是随着换气的次数增多会导致能源产生很大的浪费,一方面,这会增加药品生产单位的成本,从而造成我国药品市场价格的升高,另一方面,在能源有效的当今社会,这也造成了能源的损耗,不利于可持续经济的发展。有的生产厂房对洁净度的要求并不是很高,如口服固体车间洁净度等级为D级,《医药工业洁净厂房设计规范GB50457-2008》规定换气次数为10-15次/h,设计采用较大换气次数是可以保证洁净区域的洁净度,但一味增加风量和换气次数无疑是能源的浪费。在满足设计要求的前提下,通过对高效过滤器的泄露测试实验等方式可以保证以较小的换气次数可以实现较高的洁净等级。有的药品在生产加工中还会产生很多的热量或者释放许多余温,如果单纯地依照洁净度去决定其送风量,那么得到的设计方案和实际需要就会无法匹配。所以,在对洁净空调设计的时候要结合多方面的因素,充分去考虑如温度、湿度的变化等多种因素,制定出能够随着室内温度湿度变化而变化的自动调控系统。洁净空调系统运行中必定会有风量损耗,级别不同的洁净区域需要有不同的风量去补充,是此系统得以平衡运行。所以,设计的时候需要将补充风量考虑到,结合洁净区的级别要求进行合理的设计,保证人员和工作区域的风量平衡。
  洁净室消毒排风系统的设计主要需要注意两方面的问题:一是洁净室的定期自动排风系统的设计也就是洁净室的药品生产过程中一定要定时进行消毒排风,此项工作要彻底,消毒后的气体要通过排风系统排到室外,保证洁净室的洁净度;医药洁净室(区)空气洁净度等级如下表所示。
  (二)管路布置及净化空调机组
  在药厂洁净室净化空调系统设计中,应该确保风管线路最短,并且有效防止噪声及振动对药厂的影响。风管的布置做到合理布置风管,减少各种风管的管道交叉,通过水力计算来确定风管管径。且对于除尘净化机组级净化机组安装中,应该保证其按设计需求,布置在合理位置,避免出现机房设置太远,机组风压过大导致的震动和噪音的问题出现。同时为提升药厂室内温湿度控制水平,采取均布空调送风口的方法,采用一次回风处理方案,根据药品品种、药品洁净级别、药品运行班次、药品使用时间划分不同洁净空调系统,提升洁净空调系统使用效率。
  (三)安装高效过滤器
  高效过滤器的过滤效率应在99.97%以上,多采用超细玻璃纤维材料。设计人员在选择高效过滤器时,不能只注重过滤效率,还必须考虑其初阻力、终阻力、容尘量等等。终阻力高,使用时间会长一些,但终阻力过高,它会使空调系统风量锐减。一般情况下,设计时终阻力可定为初阻力的2倍,并在过滤器处安装压差计来监测过滤器的使用情况。高效过滤器的安装密封形式一般有两种:机械密封和液槽密封;由于液槽的密封效果优于机械密封,PAO检测易于通过,所以制药工程应选用液槽密封形式。
  高效过滤器一般安装在系统的末端,放在高效静压箱体内。因此,高效送风口的安装位置非常重要。生物医药洁净厂房不同于电子洁净厂房,它的沽净区净化等级多,各房间大小、用途均不相同。对每个净化系统考虑到它的气流组织,设计时一般把高效风口布置在各净化房间的中央,作为净化工程施工单位应根据金属顶板上的高效风口、净化灯具、烟感等安装于顶板上的构件做好二次深化设计排版图,并且要考虑好送风口、回风口的位置,注意室内的气流走向。
  (四)空调冷凝水排水
  洁净空调在运行中,排水水封内往往存在的水量对于机组的污浊空气能够隔离;但是在冬季的洁净空调系统在运行时,由于表冷段不工作,所以不会有冷凝水进行排放,机组外的污浊空气就对将机组内的洁净空气进行污染,降低了空调机组的使用寿命,因此也就对药厂的药品质量产生影响。所以在实际的洁净空调系统设计中,一定要首先将排水系统的设计进行优化,有效适当的调整空调机组的功能段,保证机组在冬季运行中可以有效的将冷凝水通过加湿段排出;同时也能够在排水管中加设补水装置,并且需要进行定期补水。这样不但能够对药厂的洁净空调系统设计方案进行优化,还能在一定程度上有效的解决冬季系统水封失效问题,使洁净空调系统达到安全经济的运行效果。   五、加强药厂洁净厂房空调的节能设计
  (一)优化方案设计
  暖通空调的设计方案对于节能的意义非常的深远,暖通空调系统很复杂,尤其是对于洁净中央空调系统,设计人员设计的好坏对于空调系统的耗能情况以及经济运行方式有着直接的影响,因此在进行优化设计中一定要重视以下几点内容:a)设计方案具有一定的操作性和可行性。对于设计方案的制定首先一定要确保其符合相关的法规,并且还要达到环境保护的标准。设计方案最基本的就是能够确保供电以及供水和供气的正常,同时还要确保这些能够长期有效的正常运行,对其中的变化情况能够有效的技术做出反应,在设计中优化选用性能比比较高的设备和机组。b)在进行设计中需要始终站在节能的角度上对设计方案进行认真仔细的比较,寻求最佳的设计方案。c)优化药厂洁净厂房气流的送、回风方式,按照下表的方式进行设计。
  (二)提高对低品位能源和可再生能源的利用
  不可再生能源是不能够进行回收利用,是无法通过人工科技手段进行再生的,同时使用过量还会导致能源的枯竭,因此在进行暖通空调设计工作的时候要尽量选择低品位能源或者可再生能源的空调系统,保证能源的有效合理利用,在建筑以及工业等领域里推行节能减排的工作,加强保护能源的思想意识建设,同时相关部门也应当积极地研发可再生能源,扩大可再生能源的使用范围,在技术上不断创新,进行热量回收利用,从而实现能源应用效率的最大化。
  六、结语
  医药厂房建筑不同于其他民用建筑和工业建筑,其内部的空气质量对药品的质量具有极其重要的作用,对于药厂洁净空调设计、安装、选用,除了要满足新版GMP认证及欧盟认证的标准,保障药品质量的必要条件以外,还应针对当地的气候条件,制药工艺生产特点及业主的经济条件和实际运行管理情况,综合考虑,以使洁净空调系统在设计和使用中能够更好地满足生产工艺要求,以达到既节省投资和运行费用,有满足净化工程的目的。
  参考文献:
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