双碳背景下重庆某医药阴凉库空调系统低碳设计实践

张华廷，孙曼莉，孙杰，毛伟

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

根据《医药工业仓储工程设计规范》（GB 51073—2014），温度不高于20℃，且相对湿度为35%～75%的仓库为阴凉库。随着健康中国战略深度实施以及《药品经营质量管理规范》不断修订升级，药品对存储环境的要求日益严格，阴凉库的建设需求愈发旺盛。据调查，在阴凉库项目整体能耗中，中央空调系统能耗占比为80%～90%。因此，在双碳目标背景下，探讨阴凉库空调系统的低碳设计意义重大。

关于医药阴凉库的设计，已有专家进行了不同角度和不同程度的研究。陈敏[1]以福州某工业物流园内医药阴凉库通风空调设计为背景，从空调系统、空调水系统、排烟系统3 个角度出发，分析了设计过程中需注意的要点。朱栋等[2]采用全年能耗模拟软件Energyplus 对夏热冬冷地区药品阴凉库节能策略进行了研究。谢敏琴[3]以相关法规对药品生产企业阴凉库的要求为切入点，对药品生产企业阴凉库控制结露进行了全面研究。苏凯宏等[4]对溶液除湿技术在医药阴凉库中的应用可行性和应用方式进行了研究。本文围绕节能低碳，充分挖掘和利用室外气象优势，对医药阴凉库的设计参数取值、空气处理方案、末端设备与气流组织方案、冷热源方案、低碳运行控制策略等关键内容进行系统性分析探讨。

1 项目概况

项目位于重庆市沙坪坝区，总建筑面积为53880.36m2，地下一层，地上四层，建筑高度为23.8m。主要功能有高架库、拣配车间、冷藏间，其中冷藏间低于0℃，位于地下一层，按照低温冷库设计标准采用制冷系统，不在本文的探讨范围之内。高架库面积为6505m2，层高为23.8m，轻钢结构，外墙保温为80mm 厚硬质玻璃丝棉保温夹芯板，屋面保温为100mm 厚硬质玻璃棉。拣配车间面积为34829m2，层高为8.7m、4.8m，钢筋混凝土框架结构，外墙保温为40mm 厚难燃性挤塑聚苯板，屋面保温为50mm 厚难燃性挤塑聚苯板保温隔热板。

2 室内环境参数需求特征及设计取值

2.1 温湿度需求特征及设计取值

要确保药品质量，储存温湿度必须满足要求，否则，药品质量降低、疗效下降，甚至会对人产生不良反应和毒性，因此设计必须严格保证药品储存温湿度需求。阴凉库温湿度需求为“T ≤20℃，RH=35%～75%”，其特征为温度、湿度均没有控制基准值和明确的控制精度要求（如±0.5℃、±1℃、±2℃），温度只有上限要求无下限要求，湿度的控制区间范围大。基于上述需求特征，在满足药品存储条件和兼顾工作人员热舒适性的前提下，以节能减排为目的，按“夏季，温湿度均取高值；冬季，温度维持低温，湿度取高值”的原则进行取值，具体取值如下：

（1）对于夏季，考虑2℃～3℃的温度波动范围和10%的湿度波动范围，温度设计取值可以取17℃～18℃，相对湿度设计取值可取65%，该项目温湿度取值分别为18℃/65%；

（2）冬季，如果采用微量除湿方案，则温湿度取值为4℃/65%；如果采用低温供暖方案，则温湿度取值为6℃/65%。详细分析见第3 节。

2.2 新排风需求特征及设计取值

新排风需求具有以下特征：

（1）无工艺排风需求，相应地无工艺补风需求；

（2）该项目总员工人数200 人，平均人员密度为0.0048人/m2（根据高架库和拣配车间的总面积41334 m2进行计算）。收发货、检验室、指挥调度中心人员密度相对较大，拣配车间人员稀疏，高架库内平常几乎无人，按照人均新风量30m3/h 计算，人员新风需求总量小；

（3）为防止室外空气渗透入室内影响室内空气环境，室内需维持至少5Pa 的正压，需补充换气次数为1～2 次/h 的新风，该项目设计取值为1.5 次/h。

维持室内正压所需新风远大于人员所需新风，该项目将维持室内正压所需新风量确定为设计新风量。

2.3 运行特征

相比于其他类型项目，案例项目最大的运行特征为：无论昼夜，无论工作日还是各类假期，全年每天都需24h 维持药品存储所要求的温湿度状态。

3 空调系统方案及能源管理方案

3.1 空气处理方案

3.1.1 重庆地区建筑热环境气象数据特征

重庆为夏热冬冷地区，属于亚热带季风性湿润气候，全年相对湿度大。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》数据，制作重庆全年8760h 的温度变化曲线（实线）和相对湿度变化曲线（虚线），如图1 所示。

对于温度，图1 表明：重庆地区室外最高温度约为42℃～43℃，最低温度为2℃～3℃；温度≥20℃的小时占比约为45%，温度＜ 20℃的小时占比约为55%，此特征说明全新风工况利用潜力大；在同一月甚至同一天，可能出现部分时段温度高于20℃而另一部分时段低于20℃的情况，此特征说明需要完善自控系统及时进行新风工况和回风工况之间的相互切换。

对于相对湿度，图1 表明：极端情况下，相对湿度会出现低于35%的情况，其小时数占比为0.1%；相对湿度介于35%～75%之间的小时数占比为29.3%；相对湿度≥75%的小时数占比为70.6%。全年相对湿度数据表明重庆地区的阴凉库除湿所需时间长。

图1 重庆地区全年温湿度变化曲线

3.1.2 夏季空气处理方案

根据前文对室内温湿度需求特征的分析，该项目没有明确控制精度要求，夏季空气处理方案可采用一次回风机械露点（90%）进行空调送风，即最大送风温差送风。现以高架库为例进行相关计算分析。高架库的室内冷负荷为1212.84kw，室内湿负荷为9kg/h，新风量为229300m3/h，其一次回风机械露点送风处理过程焓湿图如图2 所示。经计算，送风点O 的状态参数为12.9℃/90%，夏季室内设计参数18℃/65%所对应的露点温度为11.2℃。送风温度高于室内空气的露点温度，不会导致送风口结露。

图2 夏季空气处理焓湿图

3.1.3 冬季空气处理方案

为了满足重庆冬季阴凉库的温湿度控制要求，提出如下两种处理方案，该项目最终采用微量除湿方案。

（1）微量除湿

重庆冬季空气调节室外气象参数为2.2℃/83%，对应的含湿量为3.9g/kg。根据相关研究成果，在不采取供暖加热的自然状态下，重庆冬季室内温度比室外温度高2℃～3℃，本文暂定高2℃，则自然状态下室内温度为4℃。在室内相对湿度控制为65%时，对应的含湿量为3.4g/kg，与室外空气的含湿量差为0.5g/kg。

以高架库为例，在自然状态下，假定室内外空气自然渗透的换气次数0.5 次/h，渗透风量为77400m3/h，则需要的除湿量为46.44 kg/h。

（2）低温供暖

根据焓湿图计算，含湿量为3.9g/kg，相对湿度为65%时，则对应的温度需达到5.8℃，故低温供暖的室内温湿度可取值为6℃/65%。

3.2 空调冷源方案

3.2.1 冷源设备的选择

由于该项目冬季不对室内温度进行主动调控，不需要热源，故在此仅讨论冷源方案。板管蒸发冷却螺杆式冷水机组利用水蒸发吸收潜热使制冷剂蒸气冷凝，与风冷机组和冷却塔水冷式机组相比，能效比更高，且具有系统简单、节省水资源、机组一体化、节约占地面积、便于维护管理等优势，故冷源设备采用板管蒸发冷却螺杆式冷水机组。该项目总冷负荷为9723.1kW，共设置6 台制冷量为1760kW 的冷水机组，蒸发冷却水采用软水。

3.2.2 供回水温度的确定

项目的送风温度为12.9℃，送风温度较低，需要慎重判断常规7/12℃供回水温度能否实现此送风温度。《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2015）规定“采用低温送风空气调节系统时，空气冷却器出风温度与冷媒进口温度之间的温差不宜小于3℃”，相应条文说明对此进行了解释，即“制约空气冷却器出风温度的条件是冷媒温度，如果冷却盘管的出风温度与冷媒的进口温度之间的温差（接近度）过小，必然导致盘管传热面积过大而不经济，以致选择盘管困难”。该项目空气冷却器的出风温度即送风温度为12.9℃，与7℃供水温度相差5.9℃，满足此项要求，故项目冷冻水供回水温度仍然采用7/12℃（如果降低供水温度，则系统能耗将增加），末端设备配置8 排管表冷器。

3.3 空调水系统方案

空调水系统采用一次泵变流量系统，设置6 台变频冷冻水泵，分集水器之间设置压差旁通控制装置。通过屋顶高位膨胀水箱进行补水定压，冷冻水主管上设置全自动综合水处理器。各冷水机组之间的冷冻水供回水管同程布置，空调末端设备的供回水管异程布置。

3.4 末端设备与气流组织方案

3.4.1 末端设备方案

末端设备方案的选择，既需把控室内温湿度需求特征，又需把控室外气象特征，同时还需考虑项目室内空间的几何尺度大小。该项目夏季温度低，全年24h 运行，过渡季节新风利用潜力大，室内空间属于高大空间，要求空调末端设备冷却降温能力强、能够实现全新风运行且便于维护，因此项目夏季空调末端设备选择组合式空调机组（配变频风机），组合式空调机组表冷器的制冷量根据室内温湿度参数和供回水温度进行修正校核。

冬季微量除湿末端设备选择热回收型管道除湿机，该除湿机采用制冷系统的蒸发器对空气进行冷却除湿，然后采用制冷系统的冷凝器对除湿处理之后的低温空气进行再热。整个机组没有外机，除湿效果显著，能效比高，安装示意图如图3 所示。此外，在各阴凉库的出入口设置空气幕。

图3 除湿机安装示意图

3.4.2 气流组织方案

高架库为轻钢结构，且层高为23.8m（未设置吊顶），采用上送下回的气流组织形式，送风管采用布袋式送风管，沿两长边墙体向下至标高6m 范围内设送风支管。

对于层高为8.7m 的拣配车间（未设置吊顶），采用上送下回的气流组织形式，送风管采用布袋式送风管。对于层高为4.8m的拣配车间（未设置吊顶），采用上送上回的气流组织形式，送风管采用热镀锌钢板，送风口为双层百叶送风口。

3.5 低碳运行控制策略

参数监测与显示：室外温湿度、各阴凉库室内温湿度、设备启停状态、电动阀门状态、设备能耗。阴凉库室内温湿度测点布置要求为：水平方向，每300m2布置1 个监测点，每增加300m2则增加1 个监测点；竖向，分上、中、下三个位置进行布置，上层测点终端的安装高度不低于最上层货架存放药品的最高位置。

冷源与输配系统控制：电动阀、水泵、冷水机组顺序启动及启停连锁控制；根据末端冷量需求，进行冷水机组台数控制；根据供回水压差进行水泵台数及变频控制。

空调末端设备控制：夏季，当室内温度超过18℃或相对湿度超过70%时，开启空调末端设备，当室内温度低于15℃时，关闭空调末端设备；夏季及过渡季节当室外气温≥18℃时，则按最小新风工况运行，当室外气温低于18℃时，则进行全新风工况运行；冬季，当室内相对湿度≥70%，则启动管道式除湿机，当室内相对湿度≤55%，则关闭管道式除湿机。

4 运行数据实测分析

1 月为重庆地区全年最冷月，8 月为重庆地区全年最热月，从自控系统实测数据库中提取高架库最冷月和最热月每天最低和最高温湿度数据，整理为表1—表4。2022 年1 月温度范围为11.6℃～14.2℃，相对湿度范围为42%～68%；2022 年8 月（出现了重庆罕见的酷热天气）温度范围为17.8℃～19.1℃，相对湿度范围为54%～68%。数据表明项目温湿度达到了设计预期效果，满足规范要求，同时说明了项目设计所选择的技术方案是可行的。

表1 高架库1 月温度数据表

表4 高架库8 月湿度数据表

冬季室内温度偏高，有三方面原因：（1）除湿机采用制冷系统的蒸发器对空气进行冷却除湿之后，采用冷凝器对除湿处理之后的低温空气进行再热，除湿的潜热和除湿机的电功率均被用于加热室内循环空气；（2）物流工艺设备和照明具有一定的发热量；（3）经查重庆历史气温数据， 2022 年1 月的最低气温为4℃，最高气温为17℃，平均高温为12℃（全月，每日最高温的平均值），平均低温为8℃（全月，每日最低温的平均值）。

表2 高架库1 月湿度数据表

表3 高架库8 月温度数据表

5 结论

本文围绕重庆地区医药阴凉库空调系统低碳设计展开分析，可得出以下结论：

（1）阴凉库具有“温度、湿度均没有控制基准值和明确的控制精度要求，温度只有上限要求无下限要求，湿度的控制区间范围大”的温湿度需求特征，具有“无工艺送排风，人员新风需求量少，维持正压新风需求量大”的新风特征，且具有需全年24h 运行的运行特征。可按“夏季，温湿度均取高值；冬季，温度维持低值，湿度取高值”的原则进行室内温湿度设计取值，夏季温湿度取值可分别为18℃/65%，冬季可取值为6℃/65%；

（2）重庆地区阴凉库全新风工况运行潜力大，除湿需求时间长，适宜采用“夏季组合式空调机组降温除湿，冬季微量除湿（热回收型管道除湿机）或低温供暖，过渡季节全新风运行”的空气处理方案和末端设备方案；

（3）重庆地区阴凉库适宜采用板管蒸发冷却螺杆式冷水机组，常见的冷冻水供回水温度7/12℃仍然可满足阴凉库的空气处理需求；

（4）基于充分挖掘利用气象优势，重庆地区阴凉库可采用“冷水机组台数控制，水泵台数和变频控制，夏季控温、冬季控湿、过渡季节全新风运行”的低碳运行控制策略。