生物洁净室洁净空调系统设计

摘要：本文结合具体工程实例，阐述了生物洁净室洁净空调设计基本理念与方法，着重总结了设计计算的方法和其中一些经验数据的选取，并结合实例图纸分析了系统风管管路与机组平面布置的方法。本文采用的工程案例是具有代表性的集中式单风机洁净空调系统。

关键字：洁净空调  集中式单风机系统  计算方法

0 引言

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，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《洁净厂房设计规范》（GB50073-2001） 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。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[1]。

本文将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。

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。本工程洁净空调系统采用集中式单风机系统，一层车间洁净等级为100000 级，二层车间洁净等级为300000 级。

2 生产车间净化空调系统的设计

洁净厂房要求空调系统能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^[2]。

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]：

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

②计算新风量。取下列两项中的大者：

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.保证供给室内的新鲜空气量≥40 m³/(h·人)。

③计算洁净室的冷、热负荷。

④计算送风量。取下列三项中的最大值：

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

本工程中一层厂房洁净度等级为100000 级，二层厂房为300000 级，采用非单向流全室空气净化。一般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^[3]。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%。

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同，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^[4]。另外，对于洁净空调系统，负荷还应包括新风负荷和二次加热负荷。本工程经负荷计算后得一层总冷负荷为161 kW，总热负荷为91 kW，二层总冷负荷为203 kW，总热负荷为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，所以应结合工程实际情况进行合理分析后选取适宜的参数，使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1。

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要分两种情况，一是保证供给室内的新风量不小于40 m³/(h·人)[2]；二是保证室内新风量可以将室内的污染物稀释到卫生标准以下。比较两种情况下计算所得新风量，取其中大者为房间新风量。空调系统的新风量约占总风量的10%~30%，因洁净空调系统新风要求较高，所以新风量允许比总风量的30%略大一些。

本工程中一层新风量为6700 m³/h，新风比0.27，二层新风量为12767 m³/h，新风比0.31。

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，不同级别非单向流洁净室的经验换气次数，可根据房间的不同用途参照《洁净厂房设计规范》和《医药洁净厂房设计规范》进行选取。在本工程中，由于厂房内人员密度很小，洁净等级为100000 级的一层洁净区域换气次数取15 次/h，二层洁净等级为300000 级，换气次数取13 次/h，经计算一层总送风量为25124 m³/h，二层为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，即满足卫生标准的新风量与回风量之和等于回风量与排风量之和。而为保持房间正压，进风量与出风量应存在一个压差风量，所以总送风量应为满足卫生标准的新风量、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。则通过风量之间的平衡关系就可算得回风量与排风量：回风量= 送风量- 满足卫生标准的新风量-压差风量；排风量= 满足卫生标准的新风量。按要求本工程二层中心十字走廊做防排烟通风，排烟风量按每平米60m3/h 计算。计算结果见表1。

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。

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[1]。不同等级的洁净室以及洁净区之间的压差应不小于5 Pa，洁净区与室外的压差应不小于10 Pa。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。

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1~2 次/h；当压差值为10 Pa时，相应的换气次数为2~4 次/h[2]。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[2]。

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。

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，不应简单地按经验确定，而应该做风口的空气射流计算，自由射流计算公式如式（1）[5]。

式中：R 为空气射流到工作断面的断面半径，m；r0 为风口当量半径， ；a 为湍流系数，由喷嘴类

型决定；s 为风口至工作断面距离。

洁净室工作断面平均风速v1 取值0.3~0.5 m/s，高效过滤器风口风速v0 一般取2~3 m/s[2]，尽管喷嘴的湍流系数一般无法确定，但可以由断面平均风速公式（2）

算得的大小，则进而得到R 与r0 的关系，这样选定

风口尺寸就可以定下R 值，于是就确定了送风口间距

从而得知房间内布置几个风口。也可以定r0 而得R，只要使两个数值都比较合理即可。

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，如本工程送风系统一负担一层洁净区，送风系统二和送风系统三分别负担二层左半区与右半区，每个系统一台组合式净化空调机组。空调机房设置在一层，系统二和系统三送风干管通过机房上方风井至二层为空调区域送风。图1 为二层送风管道平面图，以二层送风管布置为例，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，分为三个系统，回风系统二、三的回风干管通过机房上方的风井把回风送入机组。排风共七个系统，分别设置七个排风机对附近房间进行排风。另外，只对二层洁净走廊设置一个防排烟系统。如图2 为二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或者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）合理计算气流组织。

4）机房布置和风管布置要结合实际情况布置，管路尽量简洁避免风管打架现象出现。

参考文献

[1] 王海桥, 李锐. 空气洁净技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2006

[2] 中华人民共和国建设部. 洁净厂房设计规范(GB50073-2001)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001

[3] 中华人民共和国药品监督管理局. 药品生产质量管理规范[S].北京: 中华人民共和国药品监督管理局, 1999

[4] 中国医药工程设计协会. 医药工业洁净厂房设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2009

[5] 龙天渝, 蔡增基. 流体力学[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2004

[6] 陆亚俊. 暖通空调[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002

[7] 陆耀庆. 采暖通风设计手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,1987