某免疫细胞实验室净化空调设计及建设相关问题探讨

作者 撒世忠 王晏平

作者按：从地产行业业主到工业建筑技术，做了追随建筑市场的一点初步尝试，领悟思考了一点工业工艺建筑暖通技术，不成熟和错误之处在所难免，请行业专家不吝赐教。

摘要  ：结合工程实际，介绍了免疫细胞实验室净化空调设计，包括设计参数选取、系统划分、压差控制、冷量、风量计算、再热量计算、设备选型等。分析了一个设计合理的净化空调项目，却在建设过程中出现了诸多实施缺陷，导致运营工作无法正常进行的原因，并针对现场问题的提供纠偏方案，使得该免疫细胞实验室的运营步入正常轨道。以期为小型净化空调项目的建设提供思考和探索。

0 工程概况

某免疫细胞实验室，位于江苏苏南地区，主要从事人体免疫细胞提取、保存、再生、治疗及美容基因检测等业务。即从客户体内抽取脂肪和血液，分离出免疫细胞，可在-176℃液氮罐中储存2000万种子细胞和储存工作细胞2亿达20年之久，待需要使用时复苏、培养到需要的用量后，供客户使用，提升人体免疫力及治疗疾病之用。本项目总建筑面积3886m2，其中一楼门厅、展厅、液氮储存中心，二楼办公、接待室、治疗室，三楼办公会议室，及位于二楼、三楼的实验室、相关功能性房间的外区走道均采用舒适性空调，不在本论文讨论范围内，本文重点讨论处于内区的实验室功能性用房，其详细布局如下：

二层内区左侧9-12轴（对应空调箱AHU-201所辖区域）设有一更、二更、缓冲区、疏散走道和实验室4-5等用房，面积为112m2；二层内区右侧12-16轴（对应空调箱AHU-202所辖区域）,设有一更、二更、缓冲区、疏散走道和实验室1-3等用房，面积为160m2。三层中间区域12-21轴（对应空调箱AHU-301所辖区域）设有一更、二更、缓冲区、疏散走道和实验室6-8等用房，面积为272m2。以上三个区域根据生产工艺要求并结合GB50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》中3.2.1条医药洁净室洁净等级划分标准[1]，明确洁净度等级为C级（即ISO等级7级），且三个洁净室的净高均为2420mm。

1 设计参数

1.1 室外设计参数

夏季空调室外计算干球温度35℃，夏季空调室外计算湿球温度28.3℃。冬季空调室外计算干球温度-6℃，冬季空调室外计算相对湿度73%。

1.2 室内设计参数

三个洁净区冬夏对室内环境参数均有一定要求：冬夏室内温度控制在20-24℃，冬夏室内相对湿度控制在45-60%。

2 净化空调设计

2.1 空调系统设计概况

本项目功能分区洁净度均均一致，根据业主使用要求，划分为3个洁净空间，结合功能性房间使用情况，划分为三个空调系统，空调机房均设置在3楼，其中AHU201、AHU202空调机组通过竖向送回风风管沟通连接2楼的使用空间，AHU301通过屋顶夹层布置竖向送回风风管沟通连接使用空间，空调箱设备和送回风、新风风管均位于室内，布置合理，使用外部环境良好。屋顶设置冷热源及相关配套设备。

 

图一  ：2-3层净化实验室及设备用房所辖区域

2.2 洁净室压差控制

洁净室和周围的空间必须维持一定的压差。GB50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》中3.2.5条规定：不同空气洁净度级别医药洁净室之间以及洁净室和非洁净室之间静压差不得低于10Pa，医药洁净室与室外大气之间的静压差不得小于10Pa。本项目3个功能性实验室与内外走廊之间的静压差取10Pa。洁净室维持压差所需要的压差风量，采用换气次数法，压差为10Pa时采用的换气次数为2h?1。

2.3 新风量计算

GB50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》中9.1.4条规定，医药洁净室内的新鲜空气量应取下列两者的最大值：

1）补偿室内排风量和保持室内正压的所需要的新鲜空气量之和；2）保证供给室内每人空气量不小于40m3/h。由于该洁净室人员数量较少，经过计算按照第2）条计算的新风量均小于按照第1）条计算的新风量，因此新风量取值按照补偿室内排风量和保持室内正压的所需要的新鲜空气量之和。另外，关于新风量是否一定要满足不小于总送风量的10%[2]，笔者认为不一定有这样的要求，如果总送风量根据洁净换气次数选择较大时，刻意的增加新风量将造成能耗的较大增加，也会相应增加排风量，将进一步增加能耗。

2.4 送风量计算

首先按照换气次数计算送风量，三个洁净室的洁净度等级均为C级（也即10000级），根据GB50073-2013《洁净厂房设计规范》中6.3.3条规定：换气次数选择为15-25次/h，医药工业取上限值25次/h。经计算AHU-201的送风量为：6776m3/h；AHU-202的送风量为：9680m3/h；AHU-301的送风量为：16456m3/h。按照热湿负荷计算房间的送风量经比较发现均小于按照换气次数计算的送风量，因此送风量均按照换气次数计算。

2.5 空调方案的确定

2.5.1 空气处理流程

空气处理流程（见图二）。由于本项目新风量较小，冬夏混合状态点均靠近室内状态点N，由于房间均处于内区，冬夏热湿比线保持不变。夏季再热采用可控硅精确控制，属于典型的一次回风再热处理过程。但冬季空气处理过程并非想象中的常规冬季焓湿图（加热加湿过程），咨询运营后现场管理人员得知，整个冬天并不需要制热，且始终处于制冷运行状态，根据焓湿图分析空气处理过程，冬季室内外空气混合后，需要供冷直接降温到热湿比线，并不像想象中的需要对空气进行加热和加湿处理。因此，图二中冬季空气处理过程未按照常规的混合点后加热加湿的处理过程进行绘制，而是混合点后等湿降温到室内等焓线。

 

图二  ：细胞实验室冬、夏空气处理过程

2.5.2 气流组织设计

理论及实验研究均表明，“上送下排”的气流组织形式对污染物的控制效果要优于“上送上排”的气流组织形式。各个房间气流组织选择非单相流，采用上送侧下回的送回风方式。排风口（即回风口）距离装饰完成面的地面不低于0.1m，上沿高度不超过装饰完成地面之上0.6m，排风口面风速不大于1m/s。

3 空气处理过程及空调箱的选型及冷热源选型

本项目夏季冬季空气处理过程如下图三所示[3]。

针对细胞实验室的要求，该系统末端空调箱的设备选用应满足如下要求：

1. 净化空调机组内表面及内置零部件应采用耐消毒药品腐蚀的的材料或面层，且材质表面光洁；
2. 内部结构应便于清洗，并能顺利排风清洗废水，不易结尘、滋生细菌；
3. 电加湿器最好外置，便于清洗与除垢；
4. 空调机组的箱体应密封可靠，因为洁净度为万级，当空调机组内试验压力保持1500Pa静压时，箱体的漏风率不应大于2%；
5. 表冷器的冷凝水排风口，设在正压段，须设置水封，水封高度应大于凝水盘处压力；
6. 风机应采用无蜗壳直联离心风机或EC风机，不采用皮带轮普通离心风机（皮带需要频繁更换、皮带掉渣对过滤器污染、风机能耗高）等技术要点。

 

图三  ：三个洁净室的空气处理流程

最终三套空调箱的配置情况如表一所示。

表一  ：设计文件净化空调箱及冷热源主要技术参数一览

注：以上均为设计文件数据。

4 建设过程中存在的问题分析

4.1 设计图纸存在的问题

本项目设计方案较为合理，参数选择基本正确，留有余量，设计文件完整。唯几个小问题值得讨论：

1）由于夏季空气处理过程为一次回风医疗净化空调，夏季需要通过再热来减少送风温差并精确控制相对湿度。本项目体量较小，采用了电加热方式，无可厚非，但从减少碳排放的角度，采用四管制风冷热泵（风冷热泵能量提升机）可以实现制冷时热回收，精确匹配所需冷热量，避免了夏季冷热量的相互抵消，起到节能减排的作用，近年来中小型医疗项目中，存在再热和冷热互相抵消的空气处理过程时，采用四管制风冷水系统和氟系统免费冷凝热等技术已经较为普遍。且该四管制风冷设备设备能在环境温度-10℃情况下，仍然可以稳定地实现单制冷、制冷和供热运行，特别适用于医院医疗等医疗用房内区冬季制冷场合。四管制风冷其内部结构如下图四所示，其详细运行流程见文献四[4]；

2）如果考虑排风及保持正压所需要的新风量，显然表格一中的新风量存在数据不达标的情况，从图纸上理解，洁净区不存在工艺排风，只存在一更和二更和换鞋处设置了排风口，因此认为排风是偶尔间歇运行，因此不考虑此排风量数据对新风量数据的影响，只考虑了保持正压所需新风量。

 

图四  ：风冷热泵四管制内部流程图

4.2 施工过程和实施过程中出现的问题

在有完善的设计图纸的情况下，施工单位肆意偷工减料，擅自改变冷热水管管径、不采用角铁法兰连接铁皮风管，施工质量粗糙，造成空调机房内风管严重漏风等低级错误，后续业主责令相关单位进行了改造。抛开低级错误不论，笔者查看现场及听取现场运维管理人员讲述，该空调系统仍然存在如下问题：

1）管理人员介绍，夏季室内湿度无法控制，查看现场发现，电加热无法正常按需工作，电加热量无法控制；

2）空调箱漏风较大，不满足漏风量要求；在招投标阶段未提供相关设备的技术要求，采购阶段未能选择优质空调设备，无专业人员把关，如空调箱内风机采用皮带轮普通离心风机，业主方技术、现场管理处于失控状态；

3）风冷热泵机组在-5℃室外温度下，无法实现制冷工况，说明在采购过程中未注明外机的使用工况要求，风冷热泵冷热水机组水路未采用电动阀，说明未考虑冷热源的节能运行；

4）采用了现场就地控制模块，每个空调箱内电加热分组模块未全部纳入控制，控制逻辑混乱，冷热源、风机变频控制等未纳入控制系统，无法实现整个系统的全自动节能控制；

5）当发现夏季湿度无法控制时，未能及时准确的诊断纠偏，听信施工单位主张，否定设计单位设计文件，在3套空调箱内表冷器后增加了三组造价70多万的直膨除湿设备，因为未纳入集中控制，仍然无法控制湿度，然后弃之不用，造成无效成本，在空调箱内增补直膨盘管过程中进一步破坏了空调箱的完整度和严密性；

6）实验室使用部门坚持要求，全年不间断运行，夜间不工作时空调箱风机频率仍然满负荷运转，洁净度不降低，空调冷热源仍然处于运行状态，全年运行能耗较大，须认真梳理该实验室运行状况，深入探讨。

4.3 解决方案

本项目已经处于运维状态，在不影响运营的情况下，分析设计图纸、现场现状的情况下，可以做如下改造，以解决现场出现的问题：

1）拆除空调箱内后追加的直膨除湿表冷器，并请空调箱厂家完善空调箱的完整性和严密性；

2）认真检查电加热模块的分组设置情况，配电情况，完善电加热的就地控制系统，根据定露点法实现电加热的按需供给，以确保对实验室环境的湿度控制；

3）请风冷热泵厂家调整主机内部电容等级，冬季降低风扇转速，实现-5℃以下制冷运行工况；

条件允许的情况下，可进一步完善如下工作：

4）更换风机段，采用EC风机，可节能全年风机运行能耗；

5）废弃原来就地控制，调整运行策略，重新设计、施工符合逻辑的控制系统，采用计算机仿真平台对整个空调系统（风冷热泵、水泵等）和实行集中控制；

6）约请医疗专家讨论细胞实验室实验工艺，讨论夜间和白天不工作状态下对洁净度、温湿度的要求，实现空调系统节约运行的可能性，降低全年运行能耗。

5 结语

细胞实验室为净化空调系统系统，系统较为复杂，设备精细化程度高，运能能耗高，对自动控制要求较高，虽为小型系统，但对建设管理过程、技术管理过程、采购管理过程及施工管理过程、验收过程均提出了较高要求，从该项目失败的案例的解读，我们可以看到实施一个全过程高标准的小型净化空调系统，才能一劳永逸地满足系统运行合理性、可靠性、节约性、节能性，很好的为生产工艺服务，创造良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] GB50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》[S]中华人民共和国住房与城乡建设部 中国计划出版社 2019北京:06-07

[2] 段炼 邹殿荣 王顺波 某干细胞实验楼净化空调系统设计[J] 暖通空调2014年第44卷第1期 :94-96

[3] 赵文成 中央空调节能及自动控制设计（第二版）[S]中国建筑工业出版社 2024年:267-269

[4] 刘飘 洁净手术部四管制热泵的节能分析 [J] 暖通空调2022年第52卷第9期 :110114