疫苗孵房空調系統及自控設計

朱曄

（上海生物制品研究所有限責任公司，上海 200051）

疫苗孵房空調系統及自控設計

朱曄*

（上海生物制品研究所有限責任公司，上海 200051）

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

疫苗孵房；空調系統；控制

0　引言

生物潔凈技術長期以來都與空調系統緊密相連，范存養等［1］、杜世元等［2］在多年前即予以關注。近年來，越來越多的研究者開始關注作為一種特殊生物潔凈車間的疫苗生產車間（孵房）。蘇麗君［3］、李曉光［4］分別對生物疫苗生產車間和藥廠生物潔凈室的空調系統設計做了簡介。李波［5］提出，隨著現代科技的發展，疫苗的生產技術在不斷革新，生產過程對環境的潔凈度、溫濕度等都有很高的要求，凈化空調系統作為疫苗生產中最核心的組成部分之一，其設計必須滿足GMP和工藝生產的要求。才廷波等［6］、張明等［7］認為，在疫苗生產車間的設計中，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）嚴格控制房間正壓度；3）新風量的控制，其中新風量的控制既要考慮滿足工作人員的衛生要求，也要補償室內排風，保證室內正壓。這些因素為空調系統的設計提出了一定的要求。此外，張偉［8］根據疫苗的生產流程和操作程序，認為生產車間的區域規劃也有一些原則，應盡量做到物順其流，以最短路線傳遞，避免往返交叉，同時也應做到人流物流合理分開，避免人為因素的污染。在空調系統送風管的設計中，要根據該要求合理布管。為了達到疫苗生產環境的要求，李波［9］認為空氣的處理方式也有很多的選擇，在溫濕度控制上，可以采用溫濕度聯合控制或獨立控制；在溫度控制上，根據外部環境和空氣處理要求，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能的理念。

目前，一些研究者對特定疫苗的生產車間空調系統設計做了相關的研究，很多疫苗生產車間已采用內置循環風機在房間內部進行空氣混合達到房間溫度均勻的目的。但是已有報道中內置循環風機有以下幾個缺點：1）內置循環風機可能造成風速不均勻，進而影響溫度的均勻性；2）內部噪聲較大；3）內置風機運行產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。本文基于目前生產車間存在的問題，提出了一套更加優化的疫苗生產車間空調系統及自控設計。

1　項目設計要求

該項目設計的工廠主要用以生產減毒活疫苗，本文主要分析孵化室的環境控制。該項目中，疫苗生產區分C級制備區和C級培養區。

C級培養區設置2間培養室，每間培養室相鄰設置2間37 ℃孵房，用于培養放孵。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級制備區設置2間制備室，每間制備室相鄰設置2間36.5 ℃孵房。該孵房的設計要求與培養區相同，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分別是孵房環境控制的空調系統圖和孵房的空間布局示意圖。

圖1　空調系統圖

圖2　孵房布局圖

2.1空調系統分析

如圖1所示，空調系統AHU-101通過對回風和新風的調節，達到孵房的環境要求，從出風口送出，進入到疫苗生產車間，根據疫苗的生產流程和空間進行分配。在空調系統的調節中，蒸汽總管S-DN20輸送壓力0.2 MPa的蒸汽進入到加濕器中，對空氣的濕度進行調節；蒸汽總管S-DN40輸送壓力0.2 MPa的蒸汽到加熱器中，對空氣的溫度進行調節；冷凍水以7 ℃從進水口CWS-DN65進入到冷卻器，以12 ℃從出水口CWR-DN65流出，對空氣進行預冷卻，控制空氣進入風機的溫濕度；新風從新風管FA以流量2,800 m3/h流入，回風從回風管RA以流量8,430 m3/h流入，新風通過初濾器過濾后，與回風混合，在冷卻器進行初步處理，然后經由風機依次通過加熱器、加濕器以及中效過濾器，從出風口出來，進入孵房中。

該空調系統主要設備的規格列于表1。

表1　空調系統主要設備規格

2.2孵房布局分析

如圖2所示，進風口SA處風量以11,230 m3/h的流量流入到孵房，通過風管分配到不同的空間。為了保證孵房溫度控制的精度和穩定性，孵房中設置緩沖區，避免對生產區造成污染。根據各部分空間的功能，孵房可分為緩沖區、接受區、消毒區、潔具區和暖房區等，各部分區域根據面積大小設定進風量。風量的分配如表2所示。

表2　風量分配

如圖 2所示，風閥 ED101H-01（風量為300 m3/h）控制消毒間（空間10）的進風量，該進風量與通過循環風機RF-101H（風量為3,000 m3/h）的循環風混合，進入到消毒間。在項目中，消毒間為并列兩間，該部分風量分為兩部分，分別進入到兩間消毒區，兩間消毒區結構一樣，為了工程圖簡化，第二間消毒區沒有畫出。與此類似，風閥ED101A-01（風量為300 m3/h）控制暖房（空間13）的進風量，該進風量也與循環風機RF-101A（風量為 3,000 m3/h）的循環風混合，為暖房提供潔凈空氣，與消毒間類似，暖房也是結構相同的兩個空間，為了簡化制圖，暖房二在圖中省略。從風閥ED101B-01到風閥ED101G-01（風量均為300 m3/h），其功能和風閥ED101A-01的功能相同，都是控制暖房的風量，且這些暖房都需要配置獨立的循環風機，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　孵房空間風量交換圖

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

表3　風量的交換方向和交換量

2.3孵房送回風處理設施及溫度監測分析

送回風布置模式：孵房采用了均流膜及增加換氣次數等技術，使風速、溫度分布更均勻。采用加大風速和回風設置的辦法，使換氣次數達到100次以上，送風速度達到 0.5 m/s以上，大風量、小溫差的設計特點使得風速、溫度分布更加均勻。

孵房溫度監測：孵房溫度監測點總共布置有11個，其中2.6 m高的孵房內有9個布置點，在房間中央布置一個監測點，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，對應放孵物料最低高度。房間內溫度布置點如圖4所示。另外兩個測點分別在送風口和孵房門外。

圖4　房間內溫度測點分布圖

孵房對環境的潔凈度要求較高。為了保證孵房的潔凈度，一方面對循環的空氣進行必要的凈化處理，另一方面要對孵房進行消毒處理。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）系統控制邏輯進行全局消毒，如圖3所示，通過臭氧發生器XD-101產生臭氧，進入到孵房各部分空間，進行全局消毒。另一部分是利用臭氧對循環風機室進行局部消毒，通過控制與消毒間或暖房有關的風閥的開關，進行該部分的局部消毒。以暖房為例，其他循環風機室類似，與之有關的風閥有ED101A-01，ED101A-02和ED101A-03，根據運行模式，該風閥的開關情況如表4所示。

表4　運行模式與風閥開關

2.5控制系統分析

2.5.1控制對象和目標

表5是智能控制箱的控制對象及控制目標。通過對回風溫度、濕度的監測，調節蒸汽閥的開度，達到控制溫度、濕度的目的；通過對送風量的監測，調節風機變頻器頻率，達到控制風量的目的；通過臭氧濃度的監測和控制，達到控制消毒運行的目的；為了保證系統的安全，對各設備的開關動作做了相應的互鎖和連鎖。

表5　智能控制箱的控制對象及控制目標

該控制系統的設定值如下。

1）AHU設定值及范圍

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

1.3 統計學方法 采用SPSS 20.0統計軟件處理數據。計數資料以百分比表示；計量資料以x±s表示，采用t檢驗、方差分析進行單因素分析；采用Pearson分析相關性，采用多元逐步回歸分析影響因素。檢驗水準α=0.05。

2）循環風機設定值

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

2.5.2保護及報警系統分析

1）AHU系統

互鎖與聯鎖：排風機 EU-101-01與排風閥ED-101-03聯鎖，只有排風閥EU-101-03開啟后，才能開啟排風機 EU-101-01；排風機 EU101-01、EU-101-02與送風機聯鎖，只有送風機開啟后，才能開啟排風機EU101-01、EU-101-02；冷水閥、蒸汽加熱閥、蒸汽加濕閥與送風機聯鎖，只有送風機開啟后，才能開始調節冷水閥、蒸汽加熱閥、蒸汽加濕閥。

報警：變頻器報警；溫濕度超限報警；排風機過載報警。

2）循環風機系統

互鎖與聯鎖：電加熱，循環風機和高溫限制開關聯鎖，當高溫開關動作的時候，系統停止。電加熱和風機壓差聯鎖，當風機兩端壓差開關動作（無風壓）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臺循環風機系統正常模式。

8臺循環風機系統為相同控制邏輯，以孵化室一為例：開啟風閥 ED101A-1，ED101A-2，ED101A-3，延時 60 s后，開啟循環風機；通過房間溫度和房間溫度設定值比較，計算調節電加熱器功率；通過房間濕度和房間濕度設定值比較，計算調節蒸汽加濕閥開度。

第二步：開啟AHU101系統正常模式。

開啟新風閥ED101-1、回風閥ED-101-02；延遲30 s，開啟風機AHU101，再延時30 s后，開啟排風機 EU-101-02；通過回風溫度和回風溫度設定值比較，計算調節蒸汽加熱閥開度和冷水閥開度；通過回風濕度和回風濕度設定值比較，計算調節蒸汽加濕閥開度及冷水閥開度；通過送風風量和送風風量設定值比較，計算調節變頻器頻率。

本項目在建成后進行了大量實測。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，每5 min自動記錄一次數據所得到的每個測點289個數據中的最大值和最小值。

表6　溫度監測點數據表

從表6數據可以看出，所有測點溫度均控制在（36.6～37.1）℃范圍內，溫度的分布及穩定性滿足設計要求。

2）其它模式

除了正常運行模式外，系統還有關機和消毒運行模式，以下簡單介紹。

對于關機模式，首先關閉AHU101系統，然后關閉8臺循環風機系統。

消毒運行模式包括AHU消毒和循環風機室消毒。

對于AHU消毒，基于正常模式下開啟AHU101消毒模式，進入消毒模式后10 min內必須關閉8臺循環風機系統，達到默認消毒時間后，自動轉入排風模式，排風模式會持續進行，直到系統被人為停止。

對于循環風機室消毒，以孵化室一為例說明，循環風機室必須逐一單獨消毒排風。首先AHU101處于正常模式，并開啟循環風機消毒模式，達到默認消毒時間后，自動轉入排風模式，然后停止循環風機，最后人為停止排風模式。

3　結論

本項目應用新的控制模式，解決了采用內置循環風機控制疫苗生產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、增大風速及設置回風等方法，疫苗生產車間的溫度分布更加均勻，溫度控制更加精準。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。項目投產后，疫苗孵化合格率和產量大幅提高。

［1］ 范存養, 沈晉明. 生物潔凈技術在醫學科學領域中的應用［J］. 制冷技術, 1991, 11（4）: 9-13.

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

［3］ 蘇麗君. 生物疫苗生產車間空調系統設計策略［J］. 電子制作, 2014（5）: 243.

［4］ 李曉光. 藥廠生物潔凈室的空調系統設計分析［J］. 科技創新與應用, 2013（4）: 71.

［5］ 李波. 綜論生物醫藥潔凈室的凈化空調設計［J］. 醫藥工程設計, 2013, 34（5）: 57-60.

［6］ 才廷波, 周蘇文, 尹紅志, 等. 疫苗生產車間空調系統設計［J］. 中國衛生工程學, 2007, 6（4）: 253-254.

［7］ 張明, 葉發波, 周繼國, 等. 凍干人用狂犬疫苗車間凈化空調系統的設計［J］. 醫藥工程設計, 2010, 31（2）: 56-59.

［8］ 張偉. 減毒活疫苗原液生產廠房的工藝設計［J］. 機電信息, 2014（17）: 39-43.

［9］ 李波. 某生物潔凈車間空調制冷方案設計［J］. 制冷與空調（四川）, 2014, 28（1）: 49-52.

［10］ 張陽, 馮思舟, 崔文龍. 動物疫苗潔凈廠房暖通節能設計探討［J］. 制冷與空調（四川）, 2015, 29（5）: 538-540.

［11］ 劉寒. 節能理念在某生物疫苗生產廠房空調設計中的運用［J］. 暖通空調, 2015, 45（3）: 65-70.

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，學士。研究方向：制冷及暖通空調。聯系地址：上海市奉賢區廣豐路 758號，郵編：201400。聯系電話：15021337501。E-mail：zyqzhzyq@126.com。