疫苗孵房空調(diào)系統(tǒng)及自控設(shè)計

朱曄

（上海生物制品研究所有限責(zé)任公司，上海 200051）

疫苗孵房空調(diào)系統(tǒng)及自控設(shè)計

朱曄*

（上海生物制品研究所有限責(zé)任公司，上海 200051）

孵房是疫苗生產(chǎn)過程中重要的場所，其對環(huán)境的要求比較高。為生產(chǎn)水痘減毒活疫苗，根據(jù)該疫苗的生產(chǎn)條件要求，設(shè)計了一套空調(diào)系統(tǒng)及控制流程。該系統(tǒng)的運行特性表明，該系統(tǒng)的溫度控制在（37±0.5）℃，濕度控制在45%～65%。孵房的凈化級別可以達(dá)到C級，符合該疫苗的生產(chǎn)條件要求。

疫苗孵房；空調(diào)系統(tǒng)；控制

0　引言

生物潔凈技術(shù)長期以來都與空調(diào)系統(tǒng)緊密相連，范存養(yǎng)等［1］、杜世元等［2］在多年前即予以關(guān)注。近年來，越來越多的研究者開始關(guān)注作為一種特殊生物潔凈車間的疫苗生產(chǎn)車間（孵房）。蘇麗君［3］、李曉光［4］分別對生物疫苗生產(chǎn)車間和藥廠生物潔凈室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計做了簡介。李波［5］提出，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，疫苗的生產(chǎn)技術(shù)在不斷革新，生產(chǎn)過程對環(huán)境的潔凈度、溫濕度等都有很高的要求，凈化空調(diào)系統(tǒng)作為疫苗生產(chǎn)中最核心的組成部分之一，其設(shè)計必須滿足GMP和工藝生產(chǎn)的要求。才廷波等［6］、張明等［7］認(rèn)為，在疫苗生產(chǎn)車間的設(shè)計中，除了考慮溫濕度、潔凈度等要求，還需要考慮3個因素：1）合理的氣流組織；2）嚴(yán)格控制房間正壓度；3）新風(fēng)量的控制，其中新風(fēng)量的控制既要考慮滿足工作人員的衛(wèi)生要求，也要補償室內(nèi)排風(fēng)，保證室內(nèi)正壓。這些因素為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提出了一定的要求。此外，張偉［8］根據(jù)疫苗的生產(chǎn)流程和操作程序，認(rèn)為生產(chǎn)車間的區(qū)域規(guī)劃也有一些原則，應(yīng)盡量做到物順其流，以最短路線傳遞，避免往返交叉，同時也應(yīng)做到人流物流合理分開，避免人為因素的污染。在空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)管的設(shè)計中，要根據(jù)該要求合理布管。為了達(dá)到疫苗生產(chǎn)環(huán)境的要求，李波［9］認(rèn)為空氣的處理方式也有很多的選擇，在溫濕度控制上，可以采用溫濕度聯(lián)合控制或獨立控制；在溫度控制上，根據(jù)外部環(huán)境和空氣處理要求，選擇合適的冷凍水溫度，若空氣需要加熱，可以選擇電加熱或蒸汽加熱；在除濕流程中，可以選擇轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕或者蒸汽除濕等工藝。近來，張陽等［10］以及劉寒［11］探討了生物凈化車間節(jié)能的理念。

目前，一些研究者對特定疫苗的生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計做了相關(guān)的研究，很多疫苗生產(chǎn)車間已采用內(nèi)置循環(huán)風(fēng)機(jī)在房間內(nèi)部進(jìn)行空氣混合達(dá)到房間溫度均勻的目的。但是已有報道中內(nèi)置循環(huán)風(fēng)機(jī)有以下幾個缺點：1）內(nèi)置循環(huán)風(fēng)機(jī)可能造成風(fēng)速不均勻，進(jìn)而影響溫度的均勻性；2）內(nèi)部噪聲較大；3）內(nèi)置風(fēng)機(jī)運行產(chǎn)生的熱量對溫度的均勻性有影響。為了解決這些問題，需要采用新的控制模式。本文基于目前生產(chǎn)車間存在的問題，提出了一套更加優(yōu)化的疫苗生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)及自控設(shè)計。

1　項目設(shè)計要求

該項目設(shè)計的工廠主要用以生產(chǎn)減毒活疫苗，本文主要分析孵化室的環(huán)境控制。該項目中，疫苗生產(chǎn)區(qū)分C級制備區(qū)和C級培養(yǎng)區(qū)。

C級培養(yǎng)區(qū)設(shè)置2間培養(yǎng)室，每間培養(yǎng)室相鄰設(shè)置2間37 ℃孵房，用于培養(yǎng)放孵。孵房的凈化級別為C級（滿足GMP對潔凈廠房的要求），溫度為（37±0.5）℃；濕度為45%～65%。

C級制備區(qū)設(shè)置2間制備室，每間制備室相鄰設(shè)置2間36.5 ℃孵房。該孵房的設(shè)計要求與培養(yǎng)區(qū)相同，凈化級別為C級（滿足GMP對潔凈廠房的要求），溫度為（37±0.5）℃；濕度為45%～65%。

2　項目工程實施

圖1和圖2分別是孵房環(huán)境控制的空調(diào)系統(tǒng)圖和孵房的空間布局示意圖。

圖1　空調(diào)系統(tǒng)圖

圖2　孵房布局圖

2.1空調(diào)系統(tǒng)分析

如圖1所示，空調(diào)系統(tǒng)AHU-101通過對回風(fēng)和新風(fēng)的調(diào)節(jié)，達(dá)到孵房的環(huán)境要求，從出風(fēng)口送出，進(jìn)入到疫苗生產(chǎn)車間，根據(jù)疫苗的生產(chǎn)流程和空間進(jìn)行分配。在空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中，蒸汽總管S-DN20輸送壓力0.2 MPa的蒸汽進(jìn)入到加濕器中，對空氣的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)；蒸汽總管S-DN40輸送壓力0.2 MPa的蒸汽到加熱器中，對空氣的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；冷凍水以7 ℃從進(jìn)水口CWS-DN65進(jìn)入到冷卻器，以12 ℃從出水口CWR-DN65流出，對空氣進(jìn)行預(yù)冷卻，控制空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)的溫濕度；新風(fēng)從新風(fēng)管FA以流量2,800 m3/h流入，回風(fēng)從回風(fēng)管RA以流量8,430 m3/h流入，新風(fēng)通過初濾器過濾后，與回風(fēng)混合，在冷卻器進(jìn)行初步處理，然后經(jīng)由風(fēng)機(jī)依次通過加熱器、加濕器以及中效過濾器，從出風(fēng)口出來，進(jìn)入孵房中。

該空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備的規(guī)格列于表1。

表1　空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備規(guī)格

2.2孵房布局分析

如圖2所示，進(jìn)風(fēng)口SA處風(fēng)量以11,230 m3/h的流量流入到孵房，通過風(fēng)管分配到不同的空間。為了保證孵房溫度控制的精度和穩(wěn)定性，孵房中設(shè)置緩沖區(qū)，避免對生產(chǎn)區(qū)造成污染。根據(jù)各部分空間的功能，孵房可分為緩沖區(qū)、接受區(qū)、消毒區(qū)、潔具區(qū)和暖房區(qū)等，各部分區(qū)域根據(jù)面積大小設(shè)定進(jìn)風(fēng)量。風(fēng)量的分配如表2所示。

表2　風(fēng)量分配

如圖 2所示，風(fēng)閥 ED101H-01（風(fēng)量為300 m3/h）控制消毒間（空間10）的進(jìn)風(fēng)量，該進(jìn)風(fēng)量與通過循環(huán)風(fēng)機(jī)RF-101H（風(fēng)量為3,000 m3/h）的循環(huán)風(fēng)混合，進(jìn)入到消毒間。在項目中，消毒間為并列兩間，該部分風(fēng)量分為兩部分，分別進(jìn)入到兩間消毒區(qū)，兩間消毒區(qū)結(jié)構(gòu)一樣，為了工程圖簡化，第二間消毒區(qū)沒有畫出。與此類似，風(fēng)閥ED101A-01（風(fēng)量為300 m3/h）控制暖房（空間13）的進(jìn)風(fēng)量，該進(jìn)風(fēng)量也與循環(huán)風(fēng)機(jī)RF-101A（風(fēng)量為 3,000 m3/h）的循環(huán)風(fēng)混合，為暖房提供潔凈空氣，與消毒間類似，暖房也是結(jié)構(gòu)相同的兩個空間，為了簡化制圖，暖房二在圖中省略。從風(fēng)閥ED101B-01到風(fēng)閥ED101G-01（風(fēng)量均為300 m3/h），其功能和風(fēng)閥ED101A-01的功能相同，都是控制暖房的風(fēng)量，且這些暖房都需要配置獨立的循環(huán)風(fēng)機(jī)，其流程與控制暖房一（空間13）的流程相同，在圖2中省略。

圖3　孵房空間風(fēng)量交換圖

為了最大化地利用回風(fēng)，在項目中，一些空間的空氣并不全都直接排至走廊或進(jìn)入回風(fēng)管路，而是使一部分空氣先經(jīng)過其他空間，然后排至走廊。各個空間剩余的風(fēng)量通過出風(fēng)口進(jìn)入到回風(fēng)管路。圖3是各空間風(fēng)量的交換圖，風(fēng)量的交換方向和交換量如表3所示。

表3　風(fēng)量的交換方向和交換量

2.3孵房送回風(fēng)處理設(shè)施及溫度監(jiān)測分析

送回風(fēng)布置模式：孵房采用了均流膜及增加換氣次數(shù)等技術(shù)，使風(fēng)速、溫度分布更均勻。采用加大風(fēng)速和回風(fēng)設(shè)置的辦法，使換氣次數(shù)達(dá)到100次以上，送風(fēng)速度達(dá)到 0.5 m/s以上，大風(fēng)量、小溫差的設(shè)計特點使得風(fēng)速、溫度分布更加均勻。

孵房溫度監(jiān)測：孵房溫度監(jiān)測點總共布置有11個，其中2.6 m高的孵房內(nèi)有9個布置點，在房間中央布置一個監(jiān)測點，在其四個角分別布置上下兩個測點，其中下測點在離地面250 mm～300 mm高度，對應(yīng)放孵物料最低高度。房間內(nèi)溫度布置點如圖4所示。另外兩個測點分別在送風(fēng)口和孵房門外。

圖4　房間內(nèi)溫度測點分布圖

孵房對環(huán)境的潔凈度要求較高。為了保證孵房的潔凈度，一方面對循環(huán)的空氣進(jìn)行必要的凈化處理，另一方面要對孵房進(jìn)行消毒處理。對孵房的消毒處理分為兩部分，一部分是通過空氣處理單元（AHU）系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行全局消毒，如圖3所示，通過臭氧發(fā)生器XD-101產(chǎn)生臭氧，進(jìn)入到孵房各部分空間，進(jìn)行全局消毒。另一部分是利用臭氧對循環(huán)風(fēng)機(jī)室進(jìn)行局部消毒，通過控制與消毒間或暖房有關(guān)的風(fēng)閥的開關(guān)，進(jìn)行該部分的局部消毒。以暖房為例，其他循環(huán)風(fēng)機(jī)室類似，與之有關(guān)的風(fēng)閥有ED101A-01，ED101A-02和ED101A-03，根據(jù)運行模式，該風(fēng)閥的開關(guān)情況如表4所示。

表4　運行模式與風(fēng)閥開關(guān)

2.5控制系統(tǒng)分析

2.5.1控制對象和目標(biāo)

表5是智能控制箱的控制對象及控制目標(biāo)。通過對回風(fēng)溫度、濕度的監(jiān)測，調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，達(dá)到控制溫度、濕度的目的；通過對送風(fēng)量的監(jiān)測，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器頻率，達(dá)到控制風(fēng)量的目的；通過臭氧濃度的監(jiān)測和控制，達(dá)到控制消毒運行的目的；為了保證系統(tǒng)的安全，對各設(shè)備的開關(guān)動作做了相應(yīng)的互鎖和連鎖。

表5　智能控制箱的控制對象及控制目標(biāo)

該控制系統(tǒng)的設(shè)定值如下。

1）AHU設(shè)定值及范圍

溫度需求為（18～26）℃，設(shè)定值范圍為（20～24）℃，默認(rèn)值為21 ℃。濕度需求為45%～65%，設(shè)定值范圍為 50%～60%，默認(rèn)值為55%。正常模式風(fēng)量為 10,000 m3/s（可以設(shè)定）。消毒模式風(fēng)量為 5,000 m3/s（可以設(shè)定）。排風(fēng)模式風(fēng)量為2,500 m3/s（可以設(shè)定）。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù)。計數(shù)資料以百分比表示；計量資料以x±s表示，采用t檢驗、方差分析進(jìn)行單因素分析；采用Pearson分析相關(guān)性，采用多元逐步回歸分析影響因素。檢驗水準(zhǔn)α=0.05。

2）循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)定值

溫度需求為（36.5～37.5）℃，默認(rèn)設(shè)定值為37 ℃。濕度需求為45%～65%，默認(rèn)設(shè)定值為55%。

2.5.2保護(hù)及報警系統(tǒng)分析

1）AHU系統(tǒng)

互鎖與聯(lián)鎖：排風(fēng)機(jī) EU-101-01與排風(fēng)閥ED-101-03聯(lián)鎖，只有排風(fēng)閥EU-101-03開啟后，才能開啟排風(fēng)機(jī) EU-101-01；排風(fēng)機(jī) EU101-01、EU-101-02與送風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，只有送風(fēng)機(jī)開啟后，才能開啟排風(fēng)機(jī)EU101-01、EU-101-02；冷水閥、蒸汽加熱閥、蒸汽加濕閥與送風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，只有送風(fēng)機(jī)開啟后，才能開始調(diào)節(jié)冷水閥、蒸汽加熱閥、蒸汽加濕閥。

報警：變頻器報警；溫濕度超限報警；排風(fēng)機(jī)過載報警。

2）循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

互鎖與聯(lián)鎖：電加熱，循環(huán)風(fēng)機(jī)和高溫限制開關(guān)聯(lián)鎖，當(dāng)高溫開關(guān)動作的時候，系統(tǒng)停止。電加熱和風(fēng)機(jī)壓差聯(lián)鎖，當(dāng)風(fēng)機(jī)兩端壓差開關(guān)動作（無風(fēng)壓）時候，電加熱器停止。

報警：電加熱器高溫報警；溫濕度超限報警。

2.5.3運行模式分析

1）正常運行模式

第一步：開啟8臺循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)正常模式。

8臺循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為相同控制邏輯，以孵化室一為例：開啟風(fēng)閥 ED101A-1，ED101A-2，ED101A-3，延時 60 s后，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)；通過房間溫度和房間溫度設(shè)定值比較，計算調(diào)節(jié)電加熱器功率；通過房間濕度和房間濕度設(shè)定值比較，計算調(diào)節(jié)蒸汽加濕閥開度。

第二步：開啟AHU101系統(tǒng)正常模式。

開啟新風(fēng)閥ED101-1、回風(fēng)閥ED-101-02；延遲30 s，開啟風(fēng)機(jī)AHU101，再延時30 s后，開啟排風(fēng)機(jī) EU-101-02；通過回風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度設(shè)定值比較，計算調(diào)節(jié)蒸汽加熱閥開度和冷水閥開度；通過回風(fēng)濕度和回風(fēng)濕度設(shè)定值比較，計算調(diào)節(jié)蒸汽加濕閥開度及冷水閥開度；通過送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)量設(shè)定值比較，計算調(diào)節(jié)變頻器頻率。

本項目在建成后進(jìn)行了大量實測。表6記錄了從2014年2月13日21:00至2014年2月14日21:00共24 h內(nèi)，每5 min自動記錄一次數(shù)據(jù)所得到的每個測點289個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

表6　溫度監(jiān)測點數(shù)據(jù)表

從表6數(shù)據(jù)可以看出，所有測點溫度均控制在（36.6～37.1）℃范圍內(nèi)，溫度的分布及穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

2）其它模式

除了正常運行模式外，系統(tǒng)還有關(guān)機(jī)和消毒運行模式，以下簡單介紹。

對于關(guān)機(jī)模式，首先關(guān)閉AHU101系統(tǒng)，然后關(guān)閉8臺循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

消毒運行模式包括AHU消毒和循環(huán)風(fēng)機(jī)室消毒。

對于AHU消毒，基于正常模式下開啟AHU101消毒模式，進(jìn)入消毒模式后10 min內(nèi)必須關(guān)閉8臺循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到默認(rèn)消毒時間后，自動轉(zhuǎn)入排風(fēng)模式，排風(fēng)模式會持續(xù)進(jìn)行，直到系統(tǒng)被人為停止。

對于循環(huán)風(fēng)機(jī)室消毒，以孵化室一為例說明，循環(huán)風(fēng)機(jī)室必須逐一單獨消毒排風(fēng)。首先AHU101處于正常模式，并開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)消毒模式，達(dá)到默認(rèn)消毒時間后，自動轉(zhuǎn)入排風(fēng)模式，然后停止循環(huán)風(fēng)機(jī)，最后人為停止排風(fēng)模式。

3　結(jié)論

本項目應(yīng)用新的控制模式，解決了采用內(nèi)置循環(huán)風(fēng)機(jī)控制疫苗生產(chǎn)車間溫度均勻性存在的問題。通過采用均流膜、加大換氣次數(shù)、增大風(fēng)速及設(shè)置回風(fēng)等方法，疫苗生產(chǎn)車間的溫度分布更加均勻，溫度控制更加精準(zhǔn)。在實際項目的測試中，所有房間均滿足項目提出的（37±0.5）℃溫控要求；濕度可以控制在 45%～65%范圍。項目投產(chǎn)后，疫苗孵化合格率和產(chǎn)量大幅提高。

［1］ 范存養(yǎng), 沈晉明. 生物潔凈技術(shù)在醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］. 制冷技術(shù), 1991, 11（4）: 9-13.

［2］ 杜世元, 徐文華. 潔凈室壓差風(fēng)量主動控制方法探討［J］.制冷技術(shù), 2007, 27（1）: 38-42.

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Design of Air Conditioning System and Automatic Control for Vaccine Hatch Room

ZHU Ye*
（Shanghai Institute of Biological Products CO., LTD, Shanghai 200051, China）

Hatch room is the important space for vaccine production, and demands a high quality of environment. In the present study, an air conditioning system and the automatic control process for the production of varicella attenuated live vaccine was designed based on requirement of the production conditions. The operation performance of this system shows that, the temperature is controlled within（37±0.5）oC and the humidity is controlled within 45%～65%. The purity of air can reach up to level C, which is in accordance with the requirement of production conditions.

Vaccine hatch room； Air conditioning system； Control

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.207

*朱曄（1964-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷及暖通空調(diào)。聯(lián)系地址：上海市奉賢區(qū)廣豐路 758號，郵編：201400。聯(lián)系電話：15021337501。E-mail：zyqzhzyq@126.com。