新、回風獨立空調系統

毛樹寶 姚志勇 王洪躍 黃韋華

(上海生物制品研究所有限責任公司，上海 200052)

當前，我國已成為能耗大國，節能形勢十分嚴峻。數據顯示，2009年，我國工業能耗占全國一次能源消費的71.3%，是我國節能的最重要領域。生物制藥作為保障國民生命健康的重要生產企業，其生產能耗十分驚人，一個生物制藥基地每年的能耗都在1.5萬噸標煤以上。在生物制藥企業內，保障凈化車間環境的凈化空調系統能耗最高，平均占到整個企業能耗的70%左右，因此凈化空調節能是生物制藥領域重點研究方向。

上海生物制品研究所有限責任公司地處上海市，已有超過50年的歷史，目前是國內規模最大，集生物制品研發、生產、銷售為一體的大型高新生物技術企業之一。研究所主要開發和生產防疫制品、血液制品、抗毒素、診斷試劑、基因工程制品，為人類的防病治病、保障人民健康做出了重要貢獻。上海所下轄延安西路總所、安順路虹橋分部、奉賢分部，及在建的奉賢生物醫藥產業化基地共四個生產基地。2000年以來，上海所年平均總能耗均在1.5萬噸標煤以上，能耗十分驚人。其中，經過測試計算，2012年全所凈化空調系統總能耗達到71.3%，是全所最大的能耗系統。其中，生技中心大樓、血液試劑大樓是最主要的用能車間。

1 生物制藥常規凈化空調系統介紹

1.1 生物制藥領域凈化空調特點及要求

由于生物制藥產品的特殊性，其產品質量必須確保萬無一失。《藥品生產質量管理規范》即GMP標準是生物制藥領域國家強制頒布執行的標準技術[1]。GMP標準對藥物生產過程中的污染和交叉污染、微粒、微生物、生產環境有嚴格規定，這些問題大多都需要凈化空調來解決。

總起來說，按照GMP標準，生物制藥凈化空調系統存在如下特點：

1)空氣過濾要求嚴格。生物凈化車間主要為A級、B級、C級凈化車間，對空氣過濾有嚴格要求。

2)各區域壓力要求嚴格。為防止污染和交叉污染，生產區域各科室、各實驗室之間有嚴格的壓差要求，這些壓差控制是保證藥品不被污染以及操作人員安全生產的重要手段。

3)房間溫濕度要求高。為防止房間內藥品變質或霉變，車間都有嚴格的溫度和濕度要求。一般要求溫度在23℃，濕度為50%左右。

4)空調新風量大。為保證生產安全，一般車間都要求固定新風比，這與普通車間空調不同。且一般新風比較大，大約在50%以上。甚至一些重要的車間，如動物房等，要求100%全新風直流系統。

1.2 生物制藥車間凈化空調系統形式

生物制藥車間一般都采用全空氣空調系統，主要由冷站、鍋爐房、冷凍水輸配系統、冷卻水輸配系統、空調箱、高效過濾送風口組成。

制藥生產基地各車間冷站一般都是按照車間需求單獨設置，冷站一般采用離心式冷水機組或者螺桿式冷水機組，制備7/12℃冷水，經過冷凍水輸配系統輸送到各空調箱表冷器。同時，由于不同生產工藝可能需要部分冷凍水，因此車間冷機一般也同時承擔這部分工藝生產負荷。工藝生產對冷凍水量需求與空調相比很小，但是其特點是需要全年供給。

生產基地一般設置一個集中鍋爐房，生產0.8～1.0MPa蒸氣，大部分用于空調加熱、熱濕，另一部分用于生產工藝。

空調箱是車間最重要的設備，目前國內大多數生物制藥車間采用的都是一次回風空調箱，新風比全年固定。空調箱一般由回風段、新風段、混風段、預熱段、表冷段、加熱段、加濕段、送風段等組成。空調箱內一般會設置初效和中效過濾器。其空調箱如圖1。

圖1 車間一次回風空調箱示意圖

為了嚴格保障生產車間的溫濕度，空調箱一般都需要全年供熱，其處理流程如下：夏季新回風混合后，首先進過表冷器進行制冷除濕，將混風濕度處理到低于室內濕球溫度狀態點；之后經過加熱器，進行再熱，將溫度控制到送風溫度附近；然后再經過加濕器，進行干蒸汽加濕，處理到送風狀態點，送至末端高效送風口。在冬季，新風首先經過預熱器(北方地區)，之后與回風混合，將空氣溫度處理到設計狀態點，然后進行干蒸汽加濕處理后送入末端高效送風口。

為了保證末端壓力和房間送風量，空調箱送風機一般為變頻風機，根據過濾器阻力變化進行調節，維持風量基本不變。

車間內一般布置有帶高效過濾器的送風口，送回風口安裝有電動調節閥，根據室內壓差要求調節閥門開度。

1.3 一次回風空調箱存在問題

目前一次回風空調箱一般采用冷凝除濕原理來進行制冷降溫，同時實現除濕。由于空調箱設計主要采用設計日或設計點負荷來作為系統熱濕處理的設計依據[2]，但是由于天氣、使用條件等的變化，實際上房間顯熱負荷、潛熱負荷比例可能與設計值完全不同，而末端設備的熱濕處理能力只能按照某一特定的熱濕處理特性曲線變化[3]，因此系統運行中一定存在過度除濕和過冷的問題，在生物制藥車間，必須要對制冷除濕后的空氣進行再熱、再濕等處理，這造成冷量和熱量的大量抵消。因此，車間空調系統全年都需要供蒸汽，全年蒸汽用量極大。

實際上，生物制藥車間產濕量十分有限，只有個別房間有產濕量，大部分房間產濕量是由人員造成的。因此，夏季空調的主要濕負荷是由新風帶來的，回風基本不需要除濕[4]。但是對于新、回風混合的空調箱而言，就需要對全部送風量進行除濕、再熱、再濕，由于風量變大，因此除濕、再熱、再濕量也增大很多，從能量利用角度，十分不值當。

2 生技大樓新、回風獨立空調系統介紹

生技大樓位于上海生物制品研究所有限責任公司的安順路基地，共4層，總建筑面積為13112㎡，是在上世紀80年代由世界衛生組織援建，國際專家團隊設計。

生技大樓冷站設計有3臺制冷量為100萬大卡的螺桿冷水機組，兩用一備。冷水機組設計冷凍水進出溫度為7℃和12℃。由于設備過于陳舊，不能滿足使用需求，2010年更換為3臺新的螺桿式冷水機組。

生技大樓原設計空調系統為新、回風獨立處理空調系統。設計有兩臺新風箱(AHU-1、AHU-2)集中處理新風，然后送至11個回風空調箱。回風空調箱設計有11臺(AHU-8～18)，用來分別處理各生產區域的回風。兩臺新風空調箱風量均為32000m3/h，總風量64000 m3/h。各回風空調箱風量不等，從15000 ～30000m3/h，總回風量大約200000 m3/h，總體新風比大約為30%。

生技大樓冷站為二次泵系統。冷凍水系統二次泵分為兩組，一組供給新風空調箱和部分工藝生產，一組供給回風空調箱。冷機制備7℃冷凍水，新風空調箱供給7℃冷凍水，而回風空調箱通過供、回水混合供給14℃冷凍水。兩組二次泵在供回水管上都設有旁通閥。供給新風空調箱的二次泵系統由供水管設定壓力控制旁通閥開度。而供給回風空調箱的二次泵系統，采用供水溫度控制旁通閥，旁通閥不斷調整開度使供水溫度達到14℃。生技大樓新、回風獨立處理系統原理圖見圖2，圖3為新風空調箱。

圖2 生技大樓新、回風獨立空調系統示意圖

圖3 生技大樓新風空調箱

新風空調箱內有初效過濾段、表冷段、加熱段、加濕段、送風段組成。回風空調箱由混風段、表冷段、加熱段、送風段組成。其處理流程為：夏季新風空調箱對新風進行制冷除濕處理，之后進行一定再熱后送至各回風空調箱。各回風空調箱主要對混風進行少部分制冷處理，然后送到各房間。在冬季，新風空調箱主要對新風進行加熱加濕處理，之后送到回風空調箱，回風空調箱再對混風進行加熱后送到各房間。

除了原設計的新、回風獨立處理空調箱之外，由于生產需要，大樓內后期增加一些新的空調，這些空調為常規一次回風空調，與原設計的新、回風獨立處理空調系統在同一機房內，由二次泵系統供給7℃冷凍水。一次回風空調箱內設有新風段、回風段、混風段、表冷段、加熱段、加濕段、送風段。一次回風空調箱空氣處理流程與傳統一次回風恒溫恒濕空調箱相同。

3 生技大樓空調系統測試

為了詳細對比分析生技大樓兩種空調系統的空氣處理過程和能耗情況，于2013年7月對這兩種空調系統進行了詳細測試。分別選擇了3臺空調箱進行測試(一次回風空調箱AHU30，新風空調AHU1，回風空調箱AHU14)。測試基本方法為：在新風空調箱、回風空調箱、一次回風空調箱的表冷器前、加熱器前、加熱器后分別布置溫濕度自計議，根據溫濕度自計議記錄的各段空氣狀態，在焓濕圖上描述空調箱內空氣處理流程，從而計算能耗。

3.1 一次回風空調箱測試結果

一次回風空調箱AHU30測試結果如表1：

表1 AHU30空調箱各狀態點測試結果

將處理結果在焓濕圖上描述示意圖如圖4。

圖4 AHU30空氣處理流程示意圖

圖中，室外新風(W)在與回風(狀態點N)混合后，至狀態點M，在空調箱內被制冷除濕，至狀態點L，然后再被加熱至狀態點S后送至各回風空調箱。

表2 AHU30空調箱制冷、加熱量計算

根據以上測試結果，可以計算出其新風比大約為13%，其新風制冷量、回風制冷量、加熱量如表2。

通過表2計算結果可以看出，空氣處理理論上只需要40kW的總冷量，但是實際處理消耗了71.640kW的總冷量。消耗的再熱量與理論制冷量相比，占到理論制冷量的78.75%。也就是說，整個空氣處理過程中，由于采用新、回風混合后制冷除濕，然后再熱的方式，導致整個空調系統多付出了78.75%，也就是31.5kW的冷量，同時也多付出了31.5kW的熱量。這也解釋了為什么車間凈化空調夏季蒸氣消耗量也十分巨大。

3.2 新、回風獨立處理空調箱測試結果

新風空調箱AHU-1空氣處理結果如表3。

表3 新風空調箱AHU-1空氣狀態測試結果

回風空調箱AHU-14空氣處理結果如表4：

表4 回風空調箱AHU-14空氣狀態測試結果

總體上看，在AHU14內，新風比為14.3%，新、回風獨立處理總體空氣處理流程如圖5所示。

從圖5中可以看出，室外新風(W)在新風空調箱內被制冷除濕，至狀態點L，此過程中新風被大量除濕，其溫度甚至達到10℃，相對濕度達到95%左右。然后在新風空調箱內被加熱至16.5℃(狀態點X)后送至各回風空調箱。狀態點N是回風空調箱AHU14的回風溫度參數，與狀態點X的新風混合后至狀態點M，然后被干式表冷器降溫至送風狀態點S。該過程中冷熱量消耗量計算如表5。

表5 新、回風獨立處理空調箱制冷、加熱量計算

圖5 新、回風獨立處理空調箱空氣處理流程示意圖

通過表5可以看出，新、回風獨立處理后，整個處理過程中再熱量比例大大減小，與理論總制冷量相比，只占到理論總制冷量的7.3%。也就是說，這種空氣處理方法，使得系統比理論總制冷量只多付出了7.3%的冷量，當然，同時也多付了同量的熱量。雖然也有冷熱抵消現象，但是與一次回風空調箱相比，這種空氣處理方式無疑已經大大減少了冷、熱量抵消的現象。

3.3 兩種空氣處理方式對比小結

由兩種空氣處理過程實測數據結果對比可以得到如下結論。

1)一次回風空調系統的空氣處理方式決定了其不可避免將造成較大再熱量，如何減少或者消除這種大量的冷熱抵消現象是凈化空調系統節能的重要研究課題。

2)生技大樓原設計的新、回風獨立處理空調系統，由于把新風單獨制冷除濕再熱，使得末端回風空調箱表冷器可以運行在干工況制冷降溫狀態，大大減少了系統再熱量，節約了大量制冷和制熱能耗[5]。

3)根據生技大樓空氣處理過程，回風空調箱只需要高溫冷水，因此完全可以單獨設置一臺帶自然供冷的高溫冷水機組，這樣不僅可以提高冷機COP，同時還使得大量的自然冷源利用得到可能，這將大大減少冷機制冷能耗。

4 結 語

我國正處于經濟快速發展階段，能源消費量大、儲備能源不足已經成為制約我國經濟發展的重要戰略問題，節能已經是刻不容緩的重大問題。工業能耗占我國社會總能耗最大，是我國節能工作的重點領域。上海生物制品研究所有限責任公司作為生物制藥領域的重點企業，在節能工作上也負有不可推卸的示范帶頭責任。

在生物制藥企業，空調系統是最主要的能耗系統。本文分析了本所生技大樓的兩種空調系統：傳統一次回風空調系統和新、回風獨立處理空調系統，分別介紹了各自的組成及空氣處理過程，并根據實測數據對兩個空調系統進行了能耗對比。對比結果表明：采用新、回風獨立處理的空調系統比傳統的一次回風空調系統能大大減少再熱量以及不必要的制冷量，可以大大減少空調箱夏季的冷量和熱量需求，是一種值得在制藥領域，乃至凈化空調領域推廣的空調系統形式。

這種系統是由國際專家團隊在上世紀80年代設計，可惜直到現在，我國新建的生物制藥車間凈化空調系統仍然是以一次回風空調系統為主，這種狀況不由得讓人深思，因此筆者提出如下建議：

1)空調系統設計是空調系統運行是否節能的最重要的一環。我國凈化空調系統設計者應該多到現場了解空調實際運行情況，大膽改進設計，提出更先進更節能的凈化空調系統。

2)空調運行維護人員應該打破傳統只抄表不測試、不計量的習慣，對空調系統空氣處理過程應該有更多的深入了解，及時發現存在問題，并找出合理的解決辦法。

3)空調節能事業需要設計者、設備生產企業、工程運行維護人員通力合作，互相交流學習，共同找到最節能的系統模式。

[1]中華人民共和國衛生部.衛生部令第79號，《藥品生產質量管理規范(2010修訂版)》，2010

[2]劉憲英. 中央空調能耗現狀與節能途徑探討[J].中國建設信息供熱制冷，2005(6)：21-26

[3]韓偉國，陸亞俊. 風機盤管加新風空調系統ε值比較設計方法[J].暖通空調，2002，32(5)：80-83

[4]李先庭，郜義軍.一種基于低品位能量總線的集中空調系統[J].暖通空調，2011，41(2)：1-8

[5]劉曉華，江億.溫濕度獨立控制空調系統[M].北京：中國建筑工業出版社，2006