mRNA潔凈廠房暖通設(shè)計(jì)原理及方法

蔣文平 錢 程 張 坤 焦士睿

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 201107）

1 設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

該工程位于上海市，未來(lái)將成為世界一流的溶瘤病毒、mRNA和腫瘤疫苗研發(fā)、中試和產(chǎn)業(yè)化的平臺(tái)。該文以4#廠房產(chǎn)業(yè)化基地為實(shí)例，4#廠房產(chǎn)業(yè)化基地的建筑類型為丙類高層工業(yè)廠房，耐火等級(jí)不低于二級(jí)。按照功能用途將廠房劃分如下：4A為生物制品輔助車間；4B為生物制品檢測(cè)車間；4C為生物制品中試車間，具體建筑概況見(jiàn)表1。

表1 建筑單體概況

1.2 生產(chǎn)工序環(huán)境控制要求

以《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019—2015）為依據(jù)，對(duì)各個(gè)流程的環(huán)境控制要求見(jiàn)表2。

表2 生產(chǎn)工序分區(qū)環(huán)境控制要求

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 系統(tǒng)劃分

為了保證生物疫苗的生產(chǎn)、環(huán)境和疫苗產(chǎn)品的生產(chǎn)操作、管理，避免交叉污染，其分類原則如下：

1）為了方便生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)，各個(gè)功能區(qū)均設(shè)置了獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)；2）為了防止疫苗制品的相互污染，不同的生產(chǎn)品種研發(fā)區(qū)域必須獨(dú)立分開(kāi)[1]；3）將活疫苗與滅活疫苗、活疫苗和非活疫苗、有毒和無(wú)毒的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)研發(fā)區(qū)域分開(kāi)，防止相互污染；4）在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)工藝過(guò)程或單獨(dú)房間排放的有毒、有害或易燃的物品對(duì)其他操作或房間形成污染，或影響室內(nèi)人員的健康、導(dǎo)致了交叉污染時(shí)，須分別設(shè)置潔凈空調(diào)系統(tǒng)[2]。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

利用功能劃分來(lái)選擇空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和所需形式，實(shí)現(xiàn)了操作的靈活性，可以節(jié)省資金。通風(fēng)系統(tǒng)分為一般性、事故性、設(shè)備排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，需要注意以下5點(diǎn)：1）為了方便各個(gè)潔凈空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潔凈室的風(fēng)量均衡及壓差調(diào)節(jié)，各個(gè)系統(tǒng)的通風(fēng)須分別進(jìn)行。2）針對(duì)產(chǎn)熱量高、產(chǎn)濕量大和產(chǎn)塵量大的生產(chǎn)裝置或房間，應(yīng)采用局部通風(fēng)或全室通風(fēng)。在生物安全柜中，A2型生物安全柜的氣流作用是將70%的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)行再利用，30%的氣體可以通過(guò)管道或者密封的方式排放到室內(nèi)；B2型生物安全柜須全排，其聯(lián)接方式須為密封且B2型保安箱的通風(fēng)量須考慮整個(gè)室內(nèi)風(fēng)量的改變情況。3）潔凈區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)中效過(guò)濾后送到戶外，通風(fēng)設(shè)備在天花板上，4B檢測(cè)車間區(qū)域的通風(fēng)需要高空排放并安裝活性碳處理器，4C車間的毒區(qū)采用直流系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器過(guò)濾后排出，排風(fēng)采用袋進(jìn)袋出安全過(guò)濾器[3]。4）須安裝無(wú)菌通風(fēng)裝置。由于生物潔凈室的墻面和天花板等易積累細(xì)菌，因此在更換藥物或間歇生產(chǎn)一段時(shí)間后，需要定期消毒全系統(tǒng)，消毒方式為臭氧殺菌，方便在清洗完畢后將殘余氣體排出。5）在制藥生產(chǎn)期間，例如在粉碎、稱量、配料、混合、制粒、壓片、包衣和充填等生產(chǎn)工藝中會(huì)經(jīng)常散發(fā)各種粉塵和有害物質(zhì)，為了避免空氣流通導(dǎo)致藥品的交叉污染，須將進(jìn)入室內(nèi)的氣體全部排放出去。

3 潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源

空調(diào)冷源采用集中冷源形式，由地下一層的制冷機(jī)房的冷水機(jī)組提供，空調(diào)總冷負(fù)荷4500kW，冷媒為5℃～11℃冷凍水，選用COP值為5.9的離心式冷水機(jī)組+螺桿式冷水機(jī)組作為空調(diào)冷源。變配電間、凍干機(jī)房和弱電間等高溫房間設(shè)計(jì)采用多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，冷煤采用環(huán)保型R410c。4A輔助車間為預(yù)留區(qū)，暫預(yù)留多聯(lián)機(jī)及新風(fēng)機(jī)電量和基礎(chǔ)。最大耗冷量及面積指標(biāo)如下：4B最大空調(diào)耗冷量為2446kW，單位面積冷指標(biāo)為381W/m2；4C最大空調(diào)耗冷量為2900kW，單位面積冷指標(biāo)為430W/m2。

空調(diào)總供熱加濕負(fù)荷220kW（蒸汽），空調(diào)熱水負(fù)荷400kW（60℃/50℃熱水）。廠區(qū)設(shè)有鍋爐房，由主管道連接到地下一層蒸汽分配間的分汽缸?？照{(diào)加濕系統(tǒng)用蒸汽經(jīng)減壓至0.2MPa后供至各個(gè)使用點(diǎn)。4A輔助車間為預(yù)留區(qū)，暫預(yù)留多聯(lián)機(jī)及新風(fēng)機(jī)電量和基礎(chǔ)。4B檢測(cè)車間采用空調(diào)送熱風(fēng)采暖，風(fēng)機(jī)盤管及新風(fēng)機(jī)組加熱采用60/50℃熱水。其余生產(chǎn)檢測(cè)區(qū)域空調(diào)機(jī)組采用0.2MPa普通蒸汽加熱。4C生產(chǎn)車間采用空調(diào)送熱風(fēng)采暖，空調(diào)機(jī)組采用0.2MPa普通蒸汽加熱，由動(dòng)力專業(yè)接至各個(gè)空調(diào)機(jī)房。4B檢測(cè)車間最大加熱量為1255kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為195W/m2。4C生產(chǎn)車間最大加熱量為1160kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為161W/m2。

3.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)布置

4B車間的空調(diào)系統(tǒng)按照生產(chǎn)工藝的具體要求分為舒適性空調(diào)系統(tǒng)、常溫潔凈空調(diào)系統(tǒng)和采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)。開(kāi)放式試驗(yàn)區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管＋新風(fēng)系統(tǒng)。4C車間的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括舒適性空調(diào)系統(tǒng)和常溫潔凈空調(diào)系統(tǒng)，均采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)。

4B車間分為14個(gè)空調(diào)區(qū)，4C車間有24個(gè)空調(diào)區(qū)。該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)為一次回風(fēng)制。4C空調(diào)機(jī)組對(duì)新鮮空氣進(jìn)行預(yù)冷卻，經(jīng)過(guò)初效G4、中效F6、高效H14四級(jí)過(guò)濾后送入室內(nèi)，普通空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)初效和中效兩級(jí)過(guò)濾后送入室內(nèi)。潔凈空調(diào)系統(tǒng)和PCR區(qū)域內(nèi)的空氣分布采用頂送風(fēng)和側(cè)下送風(fēng)；普通區(qū)的空氣分布采用頂送風(fēng)頂回風(fēng)。凈化空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了以下方面：1）各個(gè)工序的功能不同，須在各個(gè)工序間設(shè)置不同的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)避免交叉污染?？紤]進(jìn)行臭氧消毒，臭氧消毒壁板及風(fēng)管須采用耐臭氧腐蝕的特殊材料，消毒設(shè)備由設(shè)備承包商進(jìn)行二次選型。一臺(tái)臭氧發(fā)生器服務(wù)多臺(tái)空調(diào)機(jī)組。2）上海冬季潮濕寒冷，氣溫一般在0℃以下，在空調(diào)系統(tǒng)中安裝一個(gè)新的預(yù)熱段可以避免在冬季出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，在冬季通過(guò)兩個(gè)階段的加溫可以確保冷氣達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3）在工藝生產(chǎn)過(guò)程中，需要將潔凈區(qū)域的相對(duì)濕度控制在55%以內(nèi)，在夏季需要先除濕吹入室內(nèi)的空氣，然后通過(guò)熱盤管加熱空氣至適宜溫度才能送入。4）采用變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)不同的壓力差、溫度和濕度的需要調(diào)節(jié)不同的供風(fēng)量，達(dá)到減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的目標(biāo)。在工作時(shí)間內(nèi)可以將其調(diào)節(jié)至較低的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能[4]。

3.3 室內(nèi)氣流組織

潔凈室采用非單向流型的氣流組織形式，頂送下側(cè)回，即空氣由吊頂上的風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元機(jī)組所帶的高效過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾處理，在滿足潔凈要求后送入室內(nèi)，經(jīng)過(guò)地面回風(fēng)口之后，通過(guò)兩側(cè)回風(fēng)柱與空調(diào)機(jī)組處理過(guò)的新風(fēng)進(jìn)行混合，然后經(jīng)安裝在豎井與吊頂靜壓箱之間的干式冷盤管冷卻，最后回到吊頂靜壓箱。但大量風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元機(jī)組安裝在吊頂上帶來(lái)的缺點(diǎn)十分明顯，噪聲和振動(dòng)對(duì)潔凈室的影響較大，需要加裝AT4型彈簧減震器且數(shù)量不小于8支。

B級(jí)和C級(jí)潔凈區(qū)送風(fēng)口采用高效過(guò)濾器（相同系統(tǒng)中有效風(fēng)口的阻力和效率應(yīng)接近），回風(fēng)采用門鉸式孔板風(fēng)口。舒適性空調(diào)區(qū)采用非單向流型的氣流組織形式，上送上回/排。普通區(qū)進(jìn)風(fēng)口為方形鋁合金散熱器，進(jìn)風(fēng)口為單層鋁合金回風(fēng)百葉。潔凈室內(nèi)空氣流動(dòng)的流程圖如圖1所示。

圖1 潔凈室氣流組織流程圖

4 排風(fēng)系統(tǒng)

該疫苗廠房有別于傳統(tǒng)工業(yè)廠房，雖然廠房占地面積不大，但是出于潔凈考慮，廠房四周均設(shè)置為不可開(kāi)啟外窗。工廠內(nèi)部有很多功能室，其特征是面積小、數(shù)量多和功能復(fù)雜，需要設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)。工廠的通風(fēng)系統(tǒng)如下：1）消毒排風(fēng)系統(tǒng)。生物凈化工廠要定期進(jìn)行殺菌（細(xì)菌會(huì)增殖），其常規(guī)消毒方式為臭氧滅菌方式。臭氧的擴(kuò)散能力強(qiáng)且分布均勻，在常溫下它會(huì)分解為氧和氧。氧原子具有很高的氧化能力，可以殺滅細(xì)菌。過(guò)剩的氧可以自己形成氧分子，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染?？紤]到臭氧的特性，可以采取邊排邊循環(huán)的方法來(lái)排出消毒廢氣。與傳統(tǒng)的甲醛殺菌方式相比，臭氧殺菌省去了使用置換通風(fēng)清除殘留消毒劑的做法，降低了不必要的排風(fēng)能源消耗；2）設(shè)備排風(fēng)系統(tǒng)。潔凈區(qū)、冷凍干燥機(jī)房和消毒后室等工藝間的工藝設(shè)備應(yīng)安裝通風(fēng)裝置。為了確保室內(nèi)的壓差，空調(diào)系統(tǒng)在回風(fēng)管上安裝了一個(gè)帶有壓力傳感的電動(dòng)風(fēng)門；3）輔助房間通風(fēng)系統(tǒng)。在空調(diào)制冷站、工藝壓縮空氣站和純蒸汽站等輔助房間中應(yīng)安裝排風(fēng)和補(bǔ)風(fēng)裝置。當(dāng)布置排氣口時(shí)須考慮到產(chǎn)生大量熱量的設(shè)備，例如壓縮空氣發(fā)生器，這樣可以迅速排出室內(nèi)的高溫氣體。當(dāng)設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意通風(fēng)孔與新風(fēng)進(jìn)口的相對(duì)位置來(lái)防止新排風(fēng)短路。該工程在東西墻上設(shè)通風(fēng)孔，南北墻設(shè)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，確保進(jìn)入室內(nèi)的新鮮空氣不被污染。

5 防火及防排煙系統(tǒng)

消防控制系統(tǒng)與空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以聯(lián)動(dòng)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)通過(guò)消防控制系統(tǒng)停止所有運(yùn)行中的非消防空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，在同一防火分區(qū)中，面積小于等于300m2的場(chǎng)所排煙量不小于60m3/（h·m），最小排煙量不應(yīng)小于15000m3/h。當(dāng)一個(gè)排煙系統(tǒng)承擔(dān)多個(gè)防煙分區(qū)排煙時(shí)，其系統(tǒng)排煙量的計(jì)算采用該系統(tǒng)中最大獨(dú)立防煙分區(qū)的排煙量。

潔凈室為無(wú)外窗房間，密閉性能良好，為了確保人員的安全撤離，須安裝機(jī)械通風(fēng)裝置。按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 515251—2017）的要求劃分設(shè)置排煙系統(tǒng)如下。

地上長(zhǎng)度大于20m的走廊須疏散走廊，地上大于300m2的場(chǎng)所須設(shè)計(jì)機(jī)械排煙系統(tǒng)，4A劃分1個(gè)防煙分區(qū)，設(shè)計(jì)一套排煙系統(tǒng)，由兩臺(tái)排煙PYA1、PYA2風(fēng)機(jī)共同承擔(dān)并設(shè)置自然補(bǔ)風(fēng)窗。4B劃分12個(gè)防煙分區(qū)，設(shè)計(jì)一套排煙系統(tǒng)PYB。設(shè)計(jì)機(jī)械補(bǔ)風(fēng)窗，補(bǔ)風(fēng)量不小于50%。4C劃分16個(gè)防煙分區(qū)，設(shè)計(jì)一套排煙系統(tǒng)PYC和機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，補(bǔ)風(fēng)量不小于50%。排煙口設(shè)置在吊頂板上，潔凈區(qū)設(shè)計(jì)采用板式排煙口排煙防火閥。機(jī)械排煙系統(tǒng)的常閉排煙閥或排煙口應(yīng)具有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟、消防控制室手動(dòng)開(kāi)啟和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)啟功能，其開(kāi)啟信號(hào)應(yīng)與排煙風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)。在火災(zāi)確認(rèn)后，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在15s內(nèi)聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟相應(yīng)的防煙分區(qū)的全部排煙閥、排煙口、排煙風(fēng)機(jī)和補(bǔ)風(fēng)設(shè)施，在30s內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉與排煙無(wú)關(guān)的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)擔(dān)負(fù)兩個(gè)及以上防煙分區(qū)的排煙系統(tǒng)應(yīng)打開(kāi)著火防煙分區(qū)的排煙閥或排風(fēng)口，其他防煙分區(qū)或煙口應(yīng)呈關(guān)閉狀態(tài)。

6 設(shè)計(jì)建議

根據(jù)規(guī)范要求，在相同的凈化空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，如果對(duì)單獨(dú)區(qū)域進(jìn)行排風(fēng)或間歇性地使用醫(yī)療潔凈室內(nèi)的排風(fēng)系統(tǒng)（例如干燥消毒箱等工藝設(shè)備的通風(fēng)）卻并未采取任何措施來(lái)保證室內(nèi)氣壓，這種做法會(huì)破壞房間的空氣平衡，改變房間壓力。考慮到工程的實(shí)際設(shè)計(jì)費(fèi)用，例如在各個(gè)房間中增設(shè)變風(fēng)量閥門和恒風(fēng)量閥門會(huì)干擾其他沒(méi)有安裝壓力保護(hù)的房間的壓力，如果都增加變風(fēng)量閥門和恒風(fēng)量閥門會(huì)極大增加成本，因?yàn)槭覂?nèi)溫度和濕度的控制不需要太精確，所以沒(méi)有采用增加變風(fēng)量閥門和定風(fēng)量閥的形式，選擇了采用手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機(jī)變頻控制。

自動(dòng)化程度日益提高的今天，建議取消半自動(dòng)設(shè)備，考慮到人是最大的污染源頭，應(yīng)盡可能減少人為干涉，自動(dòng)化的聯(lián)動(dòng)灌裝線、包裝線、在線檢測(cè)、在線環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫濕度控制、密閉粉碎和制粒干燥等雖然并不完善，但是隨著新技術(shù)的不斷改進(jìn)，制品質(zhì)量會(huì)不斷提高，從而減少污染。

生物疫苗廠房是將工藝生產(chǎn)工作視為目標(biāo)的建筑物，暖通系統(tǒng)作為輔助工藝的重要組成部分能耗巨大。暖通空調(diào)設(shè)計(jì)須堅(jiān)持“節(jié)能減排”的準(zhǔn)則，有必要設(shè)置二次回風(fēng)系統(tǒng)來(lái)減少再加熱產(chǎn)生的能源浪費(fèi)，采用高COP值的冷水機(jī)組和減少不必要的空調(diào)器數(shù)目來(lái)降低成本和能耗。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在整個(gè)潔凈廠房建設(shè)中，暖通行業(yè)人員發(fā)揮了關(guān)鍵作用，暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性影響著整個(gè)項(xiàng)目的初投資和運(yùn)行成本。經(jīng)過(guò)一年的建設(shè)，該項(xiàng)目于2022年底建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目規(guī)模雖然不是最大，但是已經(jīng)成為現(xiàn)階段生物疫苗潔凈廠房設(shè)計(jì)的典型，其建設(shè)過(guò)程有許多值得借鑒的地方，希望能為更多的潔凈廠房建設(shè)提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。