李海承1 曾金鹏2
1中国医药集团联合工程有限公司 2武汉市汉阳市政建设集团有限公司
摘要 药品经营质量管理规范（GSP）对医药仓储的空调温度和湿度做了特殊要求。空调系统设计需要同时满足常温库和阴凉库的要求，同时解决阴凉库湿度控制的难题。本文提出了一种水环热泵空调系统应用形式，综合分析了阴凉库除湿模式下的热、湿平衡。公共水环路同工艺用冷却水共用系统，通过地下蓄水池来兼容不同工况下的冷却水需求。本系统设计具有使用灵活，全年运行能耗更节约。系统设计克服了阴凉库湿度控制难题，同时节省了初投资。
关键词：医药仓储、水环热泵空调系统、湿度控制、系统节能灵活
0引言
目前，我国医药工业建设顺应产业结构升级，医药企业逐渐走向标准化、规范化、国际化的发展道路。医药工业企业仓库主要用于生产用原辅料、包材及成品的存放。根据储存条件仓库类型普通库、常温库、阴凉库、冷库、冷冻库。孙朋、陆冰等对中药材和中药饮片的贮存保管的要求总结为通风好，封闭环境能最大程度上杜绝蛇虫鼠蚁的进入，同时能有效控制其温度和湿度。中药材存放的环境不当，就很容易发生虫蛀、发霉、变色、走油的问题，这将严重影响中药材的药用价值。禤雪梅、江国荣[1]等对中药材及中药饮片的贮存保管进行标记对照、统计观察分析，温度控制在0~10℃可以起到防止药材霉变或者生虫的作用。药品经营质量管理规范（GSP）[2]根据药品的质量特性规定储存药品相对湿度为35~75%。对温度也的要求做了明确规定，冷库温度为2~10℃，阴凉库温度不高于20℃，常温库温度为0~30℃。仓库内温度控制及其配置的空调、通风系统则需要满足GSP的认证要求。
1项目概况
本项目位于安徽亳州，项目占地2325亩，集工业旅游、生产区域、信息管理区、行政办公区、生活及公用工程的现代医药工业产业园。项目总建筑面积约132万平方米。生产区域主要为中药饮片、中药配方颗粒、传统经典名方汤剂和散剂的生产加工。规划符合GSP标准的中药材库共计26座。以综合仓库为例，总建筑面积：37214平米房，占地面积：9153平方米；长：120米，宽：76.2米，高：22.7米，共三层。该仓库用于存放生产用中药原药材和净药材。
2冷热源系统选择
医药仓库的空调负荷包含围护结构、地面、屋面和窗户的传热；设备、灯光及人员的散热；存放的货物热量。本工程负荷计算采用北京鸿业同行科技有限公司暖通空调负荷计算软件9.0版进行各空调系统逐时的冷热负荷计算。陈媛媛[3]等人运用DeST能耗模拟软件对长沙某具体药品阴凉库进行了全年能耗模拟。模拟结果显示，阴凉库全年96%的时间是需要进行降温措施；库内保持1~4通风换气的情况下，空调负荷率30%~50%占整个空调季总时间的70%，满负荷率占整个空调季总时间不到3%。
本项目厂区内设有动力中心，为整个厂区提供冷热源。同一座仓库含有阴凉库和常温库，辅助功能间等。在冷热源系统的选择上需充分考虑阴凉库空调季在全年占比大、部分空调负荷率运行时间较长、冬季供热量占比小的特点，同时需要兼顾常温库及辅助功能间的空气调节需求。图1表示阴凉库和常温库的温湿度控制在焓湿图上的分布情况。从分布图上可以看出，室内环境在5~20℃的情况下，其相对湿度受温度的波动影响较大。库内相对湿度受室外气候条件影响较大，空调季节的潜热量全年波动范围较大。一般来讲，对于舒适性空调在充分考虑人员新风的情况下，空调负荷中30%~50%来自潜热。医药仓储人员较少，其空调负荷中潜热量占比较少即热湿比ε数值大。在空气处理过程中，热湿比线区域垂直，仅通过冷凝除湿很难达到湿度控制要求。因此，对阴凉库的湿度调控是空调系统设计的一个重点。
通过以上对医药仓库的负荷特性分析，水冷分散式空调系统在湿度调节、经济性和运行管理方面具有较明显的使用性。
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图1、 常温库和阴凉库温、湿度控制分布图
3.空调系统设计
水冷分散式空调系统即为水环热泵空调系统的一种应用形式。该空调系统利用公共水环路将各个末端空调机组并联在一起，末端空调机组有单冷型、冷暖型两种形式，通过一套温湿度监控系统来控制单冷型、冷暖型的启停，并对库内温湿度环境进行远程监控和记录。
3.1 水冷分散式空调系统
冷源水环路系统含冷却塔、水泵、蓄水池及水处理装置等。冷却塔集中在动力中心附近地面设置，动力中心地下室设置一个蓄水池。公共水环路为一次泵变流量异程式系统，供回水总管之间设置压差旁通阀，水泵根据供回水管路压差实现变频控制。冷却水循环为一次泵定流量系统，水泵和冷却塔一对一并联设置，通过母管连接，并设置一台备用泵。冷却水系统通过冷却水温度监测进行分级控制。图2为水冷分散式空调系统原理图。
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图2、 水冷分散式空调系统原理
3.2 末端空调机组
末端空调机组分单冷型、冷暖型，其中单冷型水侧换热器进出水设计温度30/35℃，应用在常温库，风测换热器进风设计干球温度/相对湿度26℃/65%，出风干球温度14℃；应用在阴凉库，风侧换热器进风设计干球温度/相对湿度18℃/60%，出风干球温度8℃。冷暖型机型具有单冷型功能外，内置有四通换向阀具有制热功能。应用在阴凉库机型，制冷剂蒸发温度在0~3℃之间，能有效避免出现结霜情况，同时蒸发温度同空气出口温度至少有5℃的温差保证了换热器的换热效率。单冷型空调器集成了空气过滤装置、冷却水盘管、制冷压缩机、风机及相应压差探测、温度探测装置等，并集成智能化控制模块。冷暖型空调器集成了空气过滤装置、冷却水盘管、加湿装置、制冷压缩机、风机、电热装置及相应压差探测、温度、湿度探测装置等，并集成智能化控制模块。
在医药仓储空调系统设计中，阴凉库的湿度控制是主要难题。传统型空调设计有温、湿度独立控制系统，低温冷源和高温冷源的双冷源搭配使用，这些系统增加了造价又增加了操作的复杂性。将单冷型和冷暖型两种机型在阴凉库内搭配错开布置，在炎热夏季，则单冷型和冷暖型同时开启制冷模式；在除湿要求较高的情况下，开启单冷型制冷的同时开启冷暖型机型的制热模式。能够增大系统的除湿能力，同时系统复杂程度没有增加；在冬季制热及加湿情况，仅开启冷暖型空调器。如图3为平面二层阴凉库的空调器布置方式。
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图3、 阴凉库空调器布置平面
3.3末端空调机组选型计算
以阴凉库为例，同一个库内单冷型机型和冷暖型机型数量相同，交错布置。单冷型和冷暖型空调机组均为自循环方式，仓库内设置1~3次/h通风换气措施，通过门窗自然补风。在设计计算选型中，室外风和室内风混合状态点无法定量分析，参考《浙江省从事第三方药品物流业务指导原则》[4]对空调输出制冷量建议低限标注：阴凉库不低于40W/立方米/小时。同时考虑空调机组电机散热量。
空调机组处理风量G（kg/h）:
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（1）
式（1）中Q为需要消除的空调负荷；μ为显热取值系数（0.6~0.8）；N取空调机组装机容量的75~85%，kW；△t送风温差10℃。
除湿模式下空气处理过程简化分析：室外自然补风W和室内风N混合经单冷型蒸发器处理到L点，在通过冷暖型的冷凝器加热到S点。送风点tS同室内状态点的温度差一般取2~5℃。
除湿模式下焓湿图上的空气处理过程如图4所示。
单冷型蒸发器吸热：QZ=G（hC-hL） （2）
冷暖型冷凝器排热：QL=G（hS-hL） （3）
热平衡：QZ =Q+QL+ 3600N+GW·（hW-hN） （4）
湿平衡：W=WN+G（dW-dN）/1000 （5）
式中：G为空调机组风量（kg/h）；GW为自然补风风量（kg/h）；W为空调机组除湿量（kg/h）；WN为室内湿负荷（kg/h）。
式（4）表征了在除湿模式下需要的冷负荷包含了室内热负荷，新风部分，室内压缩机产生的热负荷以及除湿后回温部分的热负荷。式（5）中可以看出在室内无人员，无产湿源头的情况下，新风湿负荷占比较大。
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图4、除湿模式空气处理焓湿图
3.4公共水环路设备选型
经第2节分析指导，医药仓储全年96%的时间需要降温处理，公共水环路的设计仅考虑末端设备的散热需求。在冬季极端低温气候情况下，库内需要加热的情况通过空调机组的电辅热方式来完成。另外，厂区工艺设备的如药品反应釜、器械粉碎机等。通过冷却水泵A组和冷却水泵B组分别对空调用冷却水和工艺用冷却水提供动力，两套冷却水共用主管和冷却塔。冷却塔选型选择4台流量为625m3/h钢制横流冷却塔。冷却塔设置在蓄水池上方，冷却水经冷却塔后通过重力流回到蓄水池。共用蓄水池节省了初投资又增大的系统自身容量调节的能力。
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运行节能方面，冷却塔采用变频调速的方式进行容量调节。冷却水循环水泵梯级控制如表1所示。根据供回水温差来确定控制水泵的启动台数。控制供回水温差不小于5℃，空调热负荷越大情况下，开启水泵的台数越多，式（6）反应了在控制温差情况下，流量和空调负荷质检的关系。同时，冷却水泵进出口主管设置压差旁通，在梯级控制水泵的同时，提供系统的能源利用率。
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（6）
4、系统运行分析
针对仓库的负荷特性及全年的能耗分析，将空调运行模式分为三种：①降温模式；②除湿模式；③升温模式。降温模式：在室外气候温度较高的月份，单冷型和冷暖型空调机组均开启制冷降温，表冷除湿，并通过库内温度检测来确定开启的台数。除湿模式：春夏交接的梅雨季节，库内单冷型的空调机组开启制冷降温、表冷除湿，冷暖型空调机组冷凝排热回温。升温模式：冬季极端低温气候情况下，库内温度监测确定电热回温的开启及开启的个数。
三种运行模式的运行基于一套温、湿度在线监测控制系统。库房内温度、湿度监测设备布置需满足药品经营质量管理规范（GSP）的条文规定。温度测量范围在0℃～40℃之间，温度的最大允许误差为±0.5℃；相对湿度的最大允许误差为±5％RH。系统能够在线实时监测和记录温度、湿度、日期、时间、测点位置等信息，同时，系统根据监测到的数据对库内空调机组进行启停控制。
目前智能化控制手段为DDC和中央控制平台的方式进行，随着5G+工业互联、物联网技术的推进，在未来可以实现云数据+云处理的方式，通过云数据进行大数据分析，对各个仓库按需设计一套协同管理策略，做到方便管理和节能的目的。
5、结论
结合医药仓储的空调负荷特性，将水环热泵空调系统的一种通过智能化手段将分布式空调集成化用在医药厂房的仓库空调设计，解决了阴凉库、常温库对空调系统要求不同而系统分设带来的初投资大、运行能耗大的问题；解决了阴凉库全年中特定季节湿度超标的设计难题。将工艺用冷却水同空调用冷却水结合设计，冷塔采用重力回流至蓄水池的方式，将初投资、运行能耗进一步节约。在空调机组末端，通过一套实时在线温、湿度监测控制系统，结合三种运行模式灵活有效地调节不同库内的温度和湿度，以提高能源利用效率达到节能目的。
参考文献：
[1] 禤雪梅、江国荣.医院中药材及中药饮片的贮存保管措施分析[J].北方药学，2016（013），007:162-163
[2]国家食品药品监督管理总局. 药品经营质量管理规范(第28号令)（Z），2016
[3] 陈媛媛. 双温冷源温湿度独立控制空调系统在医药仓库的应用研究[D].2015：9-19
[4]浙江省食品药品监管局，浙江省从事第三方药品物流业务指导原则的通知（Z），2012
[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版，北京：中国建筑工业出版社，2008：1626-1646