雙碳背景下重慶某醫(yī)藥陰涼庫空調(diào)系統(tǒng)低碳設(shè)計(jì)實(shí)踐

張華廷，孫曼莉，孫杰，毛偉

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

根據(jù)《醫(yī)藥工業(yè)倉儲(chǔ)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51073—2014），溫度不高于20℃，且相對(duì)濕度為35%～75%的倉庫為陰涼庫。隨著健康中國戰(zhàn)略深度實(shí)施以及《藥品經(jīng)營質(zhì)量管理規(guī)范》不斷修訂升級(jí)，藥品對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的要求日益嚴(yán)格，陰涼庫的建設(shè)需求愈發(fā)旺盛。據(jù)調(diào)查，在陰涼庫項(xiàng)目整體能耗中，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為80%～90%。因此，在雙碳目標(biāo)背景下，探討陰涼庫空調(diào)系統(tǒng)的低碳設(shè)計(jì)意義重大。

關(guān)于醫(yī)藥陰涼庫的設(shè)計(jì)，已有專家進(jìn)行了不同角度和不同程度的研究。陳敏[1]以福州某工業(yè)物流園內(nèi)醫(yī)藥陰涼庫通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)為背景，從空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)3 個(gè)角度出發(fā)，分析了設(shè)計(jì)過程中需注意的要點(diǎn)。朱棟等[2]采用全年能耗模擬軟件Energyplus 對(duì)夏熱冬冷地區(qū)藥品陰涼庫節(jié)能策略進(jìn)行了研究。謝敏琴[3]以相關(guān)法規(guī)對(duì)藥品生產(chǎn)企業(yè)陰涼庫的要求為切入點(diǎn)，對(duì)藥品生產(chǎn)企業(yè)陰涼庫控制結(jié)露進(jìn)行了全面研究。蘇凱宏等[4]對(duì)溶液除濕技術(shù)在醫(yī)藥陰涼庫中的應(yīng)用可行性和應(yīng)用方式進(jìn)行了研究。本文圍繞節(jié)能低碳，充分挖掘和利用室外氣象優(yōu)勢(shì)，對(duì)醫(yī)藥陰涼庫的設(shè)計(jì)參數(shù)取值、空氣處理方案、末端設(shè)備與氣流組織方案、冷熱源方案、低碳運(yùn)行控制策略等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)性分析探討。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于重慶市沙坪壩區(qū)，總建筑面積為53880.36m2，地下一層，地上四層，建筑高度為23.8m。主要功能有高架庫、揀配車間、冷藏間，其中冷藏間低于0℃，位于地下一層，按照低溫冷庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用制冷系統(tǒng)，不在本文的探討范圍之內(nèi)。高架庫面積為6505m2，層高為23.8m，輕鋼結(jié)構(gòu)，外墻保溫為80mm 厚硬質(zhì)玻璃絲棉保溫夾芯板，屋面保溫為100mm 厚硬質(zhì)玻璃棉。揀配車間面積為34829m2，層高為8.7m、4.8m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外墻保溫為40mm 厚難燃性擠塑聚苯板，屋面保溫為50mm 厚難燃性擠塑聚苯板保溫隔熱板。

2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)需求特征及設(shè)計(jì)取值

2.1 溫濕度需求特征及設(shè)計(jì)取值

要確保藥品質(zhì)量，儲(chǔ)存溫濕度必須滿足要求，否則，藥品質(zhì)量降低、療效下降，甚至?xí)?duì)人產(chǎn)生不良反應(yīng)和毒性，因此設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格保證藥品儲(chǔ)存溫濕度需求。陰涼庫溫濕度需求為“T ≤20℃，RH=35%～75%”，其特征為溫度、濕度均沒有控制基準(zhǔn)值和明確的控制精度要求（如±0.5℃、±1℃、±2℃），溫度只有上限要求無下限要求，濕度的控制區(qū)間范圍大。基于上述需求特征，在滿足藥品存儲(chǔ)條件和兼顧工作人員熱舒適性的前提下，以節(jié)能減排為目的，按“夏季，溫濕度均取高值；冬季，溫度維持低溫，濕度取高值”的原則進(jìn)行取值，具體取值如下：

（1）對(duì)于夏季，考慮2℃～3℃的溫度波動(dòng)范圍和10%的濕度波動(dòng)范圍，溫度設(shè)計(jì)取值可以取17℃～18℃，相對(duì)濕度設(shè)計(jì)取值可取65%，該項(xiàng)目溫濕度取值分別為18℃/65%；

（2）冬季，如果采用微量除濕方案，則溫濕度取值為4℃/65%；如果采用低溫供暖方案，則溫濕度取值為6℃/65%。詳細(xì)分析見第3 節(jié)。

2.2 新排風(fēng)需求特征及設(shè)計(jì)取值

新排風(fēng)需求具有以下特征：

（1）無工藝排風(fēng)需求，相應(yīng)地?zé)o工藝補(bǔ)風(fēng)需求；

（2）該項(xiàng)目總員工人數(shù)200 人，平均人員密度為0.0048人/m2（根據(jù)高架庫和揀配車間的總面積41334 m2進(jìn)行計(jì)算）。收發(fā)貨、檢驗(yàn)室、指揮調(diào)度中心人員密度相對(duì)較大，揀配車間人員稀疏，高架庫內(nèi)平常幾乎無人，按照人均新風(fēng)量30m3/h 計(jì)算，人員新風(fēng)需求總量??；

（3）為防止室外空氣滲透入室內(nèi)影響室內(nèi)空氣環(huán)境，室內(nèi)需維持至少5Pa 的正壓，需補(bǔ)充換氣次數(shù)為1～2 次/h 的新風(fēng)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)取值為1.5 次/h。

維持室內(nèi)正壓所需新風(fēng)遠(yuǎn)大于人員所需新風(fēng)，該項(xiàng)目將維持室內(nèi)正壓所需新風(fēng)量確定為設(shè)計(jì)新風(fēng)量。

2.3 運(yùn)行特征

相比于其他類型項(xiàng)目，案例項(xiàng)目最大的運(yùn)行特征為：無論晝夜，無論工作日還是各類假期，全年每天都需24h 維持藥品存儲(chǔ)所要求的溫濕度狀態(tài)。

3 空調(diào)系統(tǒng)方案及能源管理方案

3.1 空氣處理方案

3.1.1 重慶地區(qū)建筑熱環(huán)境氣象數(shù)據(jù)特征

重慶為夏熱冬冷地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，全年相對(duì)濕度大。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》數(shù)據(jù)，制作重慶全年8760h 的溫度變化曲線（實(shí)線）和相對(duì)濕度變化曲線（虛線），如圖1 所示。

對(duì)于溫度，圖1 表明：重慶地區(qū)室外最高溫度約為42℃～43℃，最低溫度為2℃～3℃；溫度≥20℃的小時(shí)占比約為45%，溫度＜ 20℃的小時(shí)占比約為55%，此特征說明全新風(fēng)工況利用潛力大；在同一月甚至同一天，可能出現(xiàn)部分時(shí)段溫度高于20℃而另一部分時(shí)段低于20℃的情況，此特征說明需要完善自控系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行新風(fēng)工況和回風(fēng)工況之間的相互切換。

對(duì)于相對(duì)濕度，圖1 表明：極端情況下，相對(duì)濕度會(huì)出現(xiàn)低于35%的情況，其小時(shí)數(shù)占比為0.1%；相對(duì)濕度介于35%～75%之間的小時(shí)數(shù)占比為29.3%；相對(duì)濕度≥75%的小時(shí)數(shù)占比為70.6%。全年相對(duì)濕度數(shù)據(jù)表明重慶地區(qū)的陰涼庫除濕所需時(shí)間長(zhǎng)。

圖1 重慶地區(qū)全年溫濕度變化曲線

3.1.2 夏季空氣處理方案

根據(jù)前文對(duì)室內(nèi)溫濕度需求特征的分析，該項(xiàng)目沒有明確控制精度要求，夏季空氣處理方案可采用一次回風(fēng)機(jī)械露點(diǎn)（90%）進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，即最大送風(fēng)溫差送風(fēng)?，F(xiàn)以高架庫為例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。高架庫的室內(nèi)冷負(fù)荷為1212.84kw，室內(nèi)濕負(fù)荷為9kg/h，新風(fēng)量為229300m3/h，其一次回風(fēng)機(jī)械露點(diǎn)送風(fēng)處理過程焓濕圖如圖2 所示。經(jīng)計(jì)算，送風(fēng)點(diǎn)O 的狀態(tài)參數(shù)為12.9℃/90%，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)18℃/65%所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為11.2℃。送風(fēng)溫度高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，不會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)口結(jié)露。

圖2 夏季空氣處理焓濕圖

3.1.3 冬季空氣處理方案

為了滿足重慶冬季陰涼庫的溫濕度控制要求，提出如下兩種處理方案，該項(xiàng)目最終采用微量除濕方案。

（1）微量除濕

重慶冬季空氣調(diào)節(jié)室外氣象參數(shù)為2.2℃/83%，對(duì)應(yīng)的含濕量為3.9g/kg。根據(jù)相關(guān)研究成果，在不采取供暖加熱的自然狀態(tài)下，重慶冬季室內(nèi)溫度比室外溫度高2℃～3℃，本文暫定高2℃，則自然狀態(tài)下室內(nèi)溫度為4℃。在室內(nèi)相對(duì)濕度控制為65%時(shí)，對(duì)應(yīng)的含濕量為3.4g/kg，與室外空氣的含濕量差為0.5g/kg。

以高架庫為例，在自然狀態(tài)下，假定室內(nèi)外空氣自然滲透的換氣次數(shù)0.5 次/h，滲透風(fēng)量為77400m3/h，則需要的除濕量為46.44 kg/h。

（2）低溫供暖

根據(jù)焓濕圖計(jì)算，含濕量為3.9g/kg，相對(duì)濕度為65%時(shí)，則對(duì)應(yīng)的溫度需達(dá)到5.8℃，故低溫供暖的室內(nèi)溫濕度可取值為6℃/65%。

3.2 空調(diào)冷源方案

3.2.1 冷源設(shè)備的選擇

由于該項(xiàng)目冬季不對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控，不需要熱源，故在此僅討論冷源方案。板管蒸發(fā)冷卻螺桿式冷水機(jī)組利用水蒸發(fā)吸收潛熱使制冷劑蒸氣冷凝，與風(fēng)冷機(jī)組和冷卻塔水冷式機(jī)組相比，能效比更高，且具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、節(jié)省水資源、機(jī)組一體化、節(jié)約占地面積、便于維護(hù)管理等優(yōu)勢(shì)，故冷源設(shè)備采用板管蒸發(fā)冷卻螺桿式冷水機(jī)組。該項(xiàng)目總冷負(fù)荷為9723.1kW，共設(shè)置6 臺(tái)制冷量為1760kW 的冷水機(jī)組，蒸發(fā)冷卻水采用軟水。

3.2.2 供回水溫度的確定

項(xiàng)目的送風(fēng)溫度為12.9℃，送風(fēng)溫度較低，需要慎重判斷常規(guī)7/12℃供回水溫度能否實(shí)現(xiàn)此送風(fēng)溫度。《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）規(guī)定“采用低溫送風(fēng)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，空氣冷卻器出風(fēng)溫度與冷媒進(jìn)口溫度之間的溫差不宜小于3℃”，相應(yīng)條文說明對(duì)此進(jìn)行了解釋，即“制約空氣冷卻器出風(fēng)溫度的條件是冷媒溫度，如果冷卻盤管的出風(fēng)溫度與冷媒的進(jìn)口溫度之間的溫差（接近度）過小，必然導(dǎo)致盤管傳熱面積過大而不經(jīng)濟(jì)，以致選擇盤管困難”。該項(xiàng)目空氣冷卻器的出風(fēng)溫度即送風(fēng)溫度為12.9℃，與7℃供水溫度相差5.9℃，滿足此項(xiàng)要求，故項(xiàng)目冷凍水供回水溫度仍然采用7/12℃（如果降低供水溫度，則系統(tǒng)能耗將增加），末端設(shè)備配置8 排管表冷器。

3.3 空調(diào)水系統(tǒng)方案

空調(diào)水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，設(shè)置6 臺(tái)變頻冷凍水泵，分集水器之間設(shè)置壓差旁通控制裝置。通過屋頂高位膨脹水箱進(jìn)行補(bǔ)水定壓，冷凍水主管上設(shè)置全自動(dòng)綜合水處理器。各冷水機(jī)組之間的冷凍水供回水管同程布置，空調(diào)末端設(shè)備的供回水管異程布置。

3.4 末端設(shè)備與氣流組織方案

3.4.1 末端設(shè)備方案

末端設(shè)備方案的選擇，既需把控室內(nèi)溫濕度需求特征，又需把控室外氣象特征，同時(shí)還需考慮項(xiàng)目室內(nèi)空間的幾何尺度大小。該項(xiàng)目夏季溫度低，全年24h 運(yùn)行，過渡季節(jié)新風(fēng)利用潛力大，室內(nèi)空間屬于高大空間，要求空調(diào)末端設(shè)備冷卻降溫能力強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)全新風(fēng)運(yùn)行且便于維護(hù)，因此項(xiàng)目夏季空調(diào)末端設(shè)備選擇組合式空調(diào)機(jī)組（配變頻風(fēng)機(jī)），組合式空調(diào)機(jī)組表冷器的制冷量根據(jù)室內(nèi)溫濕度參數(shù)和供回水溫度進(jìn)行修正校核。

冬季微量除濕末端設(shè)備選擇熱回收型管道除濕機(jī)，該除濕機(jī)采用制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻除濕，然后采用制冷系統(tǒng)的冷凝器對(duì)除濕處理之后的低溫空氣進(jìn)行再熱。整個(gè)機(jī)組沒有外機(jī)，除濕效果顯著，能效比高，安裝示意圖如圖3 所示。此外，在各陰涼庫的出入口設(shè)置空氣幕。

圖3 除濕機(jī)安裝示意圖

3.4.2 氣流組織方案

高架庫為輕鋼結(jié)構(gòu)，且層高為23.8m（未設(shè)置吊頂），采用上送下回的氣流組織形式，送風(fēng)管采用布袋式送風(fēng)管，沿兩長(zhǎng)邊墻體向下至標(biāo)高6m 范圍內(nèi)設(shè)送風(fēng)支管。

對(duì)于層高為8.7m 的揀配車間（未設(shè)置吊頂），采用上送下回的氣流組織形式，送風(fēng)管采用布袋式送風(fēng)管。對(duì)于層高為4.8m的揀配車間（未設(shè)置吊頂），采用上送上回的氣流組織形式，送風(fēng)管采用熱鍍鋅鋼板，送風(fēng)口為雙層百葉送風(fēng)口。

3.5 低碳運(yùn)行控制策略

參數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示：室外溫濕度、各陰涼庫室內(nèi)溫濕度、設(shè)備啟停狀態(tài)、電動(dòng)閥門狀態(tài)、設(shè)備能耗。陰涼庫室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)布置要求為：水平方向，每300m2布置1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每增加300m2則增加1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；豎向，分上、中、下三個(gè)位置進(jìn)行布置，上層測(cè)點(diǎn)終端的安裝高度不低于最上層貨架存放藥品的最高位置。

冷源與輸配系統(tǒng)控制：電動(dòng)閥、水泵、冷水機(jī)組順序啟動(dòng)及啟停連鎖控制；根據(jù)末端冷量需求，進(jìn)行冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)控制；根據(jù)供回水壓差進(jìn)行水泵臺(tái)數(shù)及變頻控制。

空調(diào)末端設(shè)備控制：夏季，當(dāng)室內(nèi)溫度超過18℃或相對(duì)濕度超過70%時(shí)，開啟空調(diào)末端設(shè)備，當(dāng)室內(nèi)溫度低于15℃時(shí)，關(guān)閉空調(diào)末端設(shè)備；夏季及過渡季節(jié)當(dāng)室外氣溫≥18℃時(shí)，則按最小新風(fēng)工況運(yùn)行，當(dāng)室外氣溫低于18℃時(shí)，則進(jìn)行全新風(fēng)工況運(yùn)行；冬季，當(dāng)室內(nèi)相對(duì)濕度≥70%，則啟動(dòng)管道式除濕機(jī)，當(dāng)室內(nèi)相對(duì)濕度≤55%，則關(guān)閉管道式除濕機(jī)。

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)分析

1 月為重慶地區(qū)全年最冷月，8 月為重慶地區(qū)全年最熱月，從自控系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫中提取高架庫最冷月和最熱月每天最低和最高溫濕度數(shù)據(jù)，整理為表1—表4。2022 年1 月溫度范圍為11.6℃～14.2℃，相對(duì)濕度范圍為42%～68%；2022 年8 月（出現(xiàn)了重慶罕見的酷熱天氣）溫度范圍為17.8℃～19.1℃，相對(duì)濕度范圍為54%～68%。數(shù)據(jù)表明項(xiàng)目溫濕度達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果，滿足規(guī)范要求，同時(shí)說明了項(xiàng)目設(shè)計(jì)所選擇的技術(shù)方案是可行的。

表1 高架庫1 月溫度數(shù)據(jù)表

表4 高架庫8 月濕度數(shù)據(jù)表

冬季室內(nèi)溫度偏高，有三方面原因：（1）除濕機(jī)采用制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻除濕之后，采用冷凝器對(duì)除濕處理之后的低溫空氣進(jìn)行再熱，除濕的潛熱和除濕機(jī)的電功率均被用于加熱室內(nèi)循環(huán)空氣；（2）物流工藝設(shè)備和照明具有一定的發(fā)熱量；（3）經(jīng)查重慶歷史氣溫?cái)?shù)據(jù)， 2022 年1 月的最低氣溫為4℃，最高氣溫為17℃，平均高溫為12℃（全月，每日最高溫的平均值），平均低溫為8℃（全月，每日最低溫的平均值）。

表2 高架庫1 月濕度數(shù)據(jù)表

表3 高架庫8 月溫度數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本文圍繞重慶地區(qū)醫(yī)藥陰涼庫空調(diào)系統(tǒng)低碳設(shè)計(jì)展開分析，可得出以下結(jié)論：

（1）陰涼庫具有“溫度、濕度均沒有控制基準(zhǔn)值和明確的控制精度要求，溫度只有上限要求無下限要求，濕度的控制區(qū)間范圍大”的溫濕度需求特征，具有“無工藝送排風(fēng)，人員新風(fēng)需求量少，維持正壓新風(fēng)需求量大”的新風(fēng)特征，且具有需全年24h 運(yùn)行的運(yùn)行特征。可按“夏季，溫濕度均取高值；冬季，溫度維持低值，濕度取高值”的原則進(jìn)行室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)取值，夏季溫濕度取值可分別為18℃/65%，冬季可取值為6℃/65%；

（2）重慶地區(qū)陰涼庫全新風(fēng)工況運(yùn)行潛力大，除濕需求時(shí)間長(zhǎng)，適宜采用“夏季組合式空調(diào)機(jī)組降溫除濕，冬季微量除濕（熱回收型管道除濕機(jī)）或低溫供暖，過渡季節(jié)全新風(fēng)運(yùn)行”的空氣處理方案和末端設(shè)備方案；

（3）重慶地區(qū)陰涼庫適宜采用板管蒸發(fā)冷卻螺桿式冷水機(jī)組，常見的冷凍水供回水溫度7/12℃仍然可滿足陰涼庫的空氣處理需求；

（4）基于充分挖掘利用氣象優(yōu)勢(shì)，重慶地區(qū)陰涼庫可采用“冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)控制，水泵臺(tái)數(shù)和變頻控制，夏季控溫、冬季控濕、過渡季節(jié)全新風(fēng)運(yùn)行”的低碳運(yùn)行控制策略。