Climate change effect on pharmaceutical production’s environmental handling
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Industrial Energy Processes
Mcode
CHEM3044
Degree programme
Master’s Programme in Advanced Energy solutions (AAE)
Language
en
Pages
56
Series
Abstract
The warming climate will significantly affect the industrial buildings’ ability to maintain the sought-after indoor conditions. The cooling load, meaning the heat that is removed in the process of creating desired conditions, is expected to grow notably as the 21st century progresses. HVAC systems are typically responsible for the environmental handling of the buildings and were thus at the center of this thesis. Pharmaceutical production facilities have some special requirements for their environ-mental handling. The facilities must, for example, operate at higher pressure as compared to outside. The outdoor air must also be extensively filtered. These operations are set in place to prevent contamination of the product. Also, the temperature and humidity of these facilities must be properly maintained by the HVAC systems. Deviations from these parameters lead to the laborious investigation of the batch that is currently being produced as these factors directly affect the quality of the products. This thesis aimed to investigate how the current configuration of the HVAC system, utilized to serve the inhaler filling room and its supporting areas, must change to better com-ply with the requirements set by the warming climate. This was done by building the con-figuration into computer software. Using the software, the cooling load of the HVAC was simulated under two separate climate scenarios. The first scenario used the design cooling load values for the year 2021, thus providing an adequate understanding of the current cooling performance of the system. The second scenario used carefully selected extreme values of the year 2021 to assess the performance of the system during the temperature peaks that are expected to become more frequent by the 2050s could be assessed. Mid-century is a particularly interesting time as HVAC systems have a lifespan of 30 years indicating that systems installed now must be operational until this time. The results of the simulations showed that while the system currently maintains the pre-defined setpoints for the relative humidity and temperature within the filling room, it is unable to do so when extreme data was used. While the temperature setpoint was maintained, the configuration struggled to remove moisture. Therefore, some suggestions for future equipment were made based on novel studies to conclude this thesis. By installing a bypass mechanism for the cooling coils that are responsible for both the removal of heat and moisture, more effective moisture control can be obtained due to a re-duction in the heat transfer area. Because there are problems with controlling the humidity and heat removal using the same coil and therefore the same control logic, a more advanced solution was also suggested. By implementing an additional coil dedicated solely to dehumidification with a control logic to adjust outdoor air intake, an energy efficient way of enhanced moisture removal could be achieved. However, implementing this solution for the company’s needs requires further investigation as it is an expensive and laborious option.Lämpenevä ilmasto tulee vaikuttamaan merkittävästi siihen, miten rakennukset kykenevät ylläpitämään haluttuja sisäilman olosuhteita. Viilennyskuorman, jolla tarkoitetaan ilmastoinnin aikana poistettavan lämmön määrää, odotetaan kasvavaan huomattavasti kuluvan vuosisadan edetessä. Ilmanvaihtojärjestelmät vastaavat tyypillisesti rakennusten olosuhdehallinnasta ja ovat siksi keskeisessä osassa tätä tutkielmaa. Lääketuotantoon käytettävillä tiloilla on erityisiä vaatimuksia niiden olosuhdehallinnan suhteen. Tilojen täytyy esimerkiksi toimia korkeammassa paineessa suhteessa ulkoilmaan. Ulkoilma täytyy myös suodattaa kattavasti. Nämä toiminnot estävät tuotteiden kontaminaation. Lisäksi tilojen lämpötilaa ja kosteutta pitää hallita asianmukaisesti käyttäen ilmanvaihtojärjestelmiä. Poikkeamat näissä parametreissa johtavat käsiteltävän tuotantoerän työlääseen tutkintaan, koska ne vaikuttavat suoraan tuotteen laatuun. Tämä tutkielma pyrki selvittämään kuinka nykyisen ilmanvaihtojärjestelmän, joka vastaa inhalaattoritäyttöhuoneen sekä sen tukitilojen ilman käsittelystä, täytyy muuttua, jotta se vastaa paremmin lämpenevän ilmaston vaatimuksiin. Tämän selvittämistä varten järjestelmä sekä sen palvelevat tilat mallinnettiin tietokoneohjelmalla. Käyttäen tätä ohjelmaa järjestelmän viilennyskuormaa mallinnettiin kahdessa ilmastoskenaariossa. Ensimmäinen skenaario käytti viilennyskuorman suunnitteluarvoja vuodelta 2021 antaen täten asianmukaisen käsityksen järjestelmän nykyisestä viilennyskyvystä. Toinen skenaario käytti tarkoin valittuja ääriarvoja vuodelta 2021, joiden avulla pystyttiin mallintamaan järjestelmän viilennyksen suoriutumiskykyä lämpötilan huippuarvoissa, joiden odotetaan yleistyvän 2050-luvulle saavuttaessa. Suoriutumiskykyä vuosisadan puolivälissä on mielekästä mallintaa, sillä ilmanvaihtojärjestelmien keski-ikä on noin 30 vuotta. Tämä tarkoittaa sitä, että järjestelmien, jotka asennetaan nyt, täytyy olla käyttökelpoisia vielä 2050-luvulla. Mallinnukset osoittivat, että vaikka nykyinen järjestelmä kykenee ylläpitämään lämpötilan ja suhteellisen kosteuden täyttöhuoneessa sille asetetuissa rajoissa nykyhetkessä, ei se kykene suoriutumaan tulevaisuuden ääriolojen asettamista haasteista. Tulevaisuudessakin lämpötila pystytään pitämään sallituissa rajoissa, mutta järjestelmällä on ongelmia kosteuden poiston suhteen. Tämän takia tutkielman lopussa esitettiin mahdollisia laiteteknisiä ratkaisuja järjestelmille uusimpien tutkimusten valossa. Asentamalla ohitusmekanismin viilennyskäämiin, joka on vastuussa niin lämmön kuin kosteuden poistosta, voidaan kosteutta poistaa tehokkaammin pienentyneen lämmönsiirtopinta-alan takia. Kosteuden ja lämmön poistaminen käyttäen samaa käämiä ja kontrollilogiikkaa ei kuitenkaan ole täysin ongelmatonta. Tämän takia myös edistyneempää ratkaisua tarkasteltiin osana työtä. Lisäämällä ylimääräisen käämin, joka on vastuussa ainoastaan kosteuden poistosta sekä asentamalla älykkään kontrollilogiikan, joka hallitsee saapuvan ulkoilman määrää, saadaan kosteutta poistettua tehokkaammin ja energiaystävällisesti. Tämä on kuitenkin firmalle mahdollisesti kallis ja työläs ratkaisu, joka vaatii lisätutkimusta.Description
Supervisor
Corona, FrancescoThesis advisor
Väätäjä, HeikkiKeywords
climate change, HVAC, energy efficiency, dehumidification