熱能回收裝置在潔凈空調系統中的應用分析

盧子建 何國熙

（廣州醫藥集團有限公司 廣州）

一、概述

潔凈空調系統是藥品生產廠房保證環境溫濕度、潔凈度符合GMP規范要求的關鍵公用系統，也是公用系統中的能耗大戶，占總能耗70%左右。藥品生產車間產塵量較大、有刺激性以及易燃易爆氣體揮發的工序較多采用直排方式，以保證車間內的潔凈度和防火安全，大量低溫低濕的空氣直接排放到大氣中，是極大的能源浪費，特別是在高溫潮濕的南方地區，這種狀況對運行成本帶來了不可低估的影響。

使用熱能回收裝置，吸收利用排風的能量，既能達到節能降耗、低碳環保的效果，又可為企業節約運行成本。不同類型的熱能回收裝置原理和特點各異，以下結合藥品生產廠房潔凈空調系統的特點，對熱能回收裝置應用效果進行比較分析。

二、熱能回收裝置類型及分析

熱能回收裝置是將熱量從一股氣流傳遞到另一股氣流的裝置，吸收利用建筑物內排風的余熱（冷），達到節能降耗的目的。熱能回收的形式較多，按回收熱量的類型可分為全熱回收裝置和顯熱回收裝置，全熱回收裝置既能回收顯熱也能回收潛熱，顯熱回收裝置只能回收顯熱。全熱回收裝置主要有轉輪式換熱器、板翹式換熱器、熱泵式換熱器，顯熱回收裝置主要有熱管式換熱器、中間熱媒式換熱器、板式顯熱換熱器。

1.全熱回收裝置

（1）轉輪式換熱器。通過輪體旋轉過程中材料的蓄熱和放熱效應，實現兩股氣流之間熱量交換的熱回收裝置（圖1）。轉輪的蓄熱體為圓盤蜂窩狀，一般由特殊復合纖維和鋁合金箔制成，并在表面涂有二氧化硅、分子篩等吸濕材料，因此轉輪可以對潛熱進行回收。室內排風經由轉輪入口吸入，將熱量傳遞給轉輪，新風從另一側入口吸入，轉輪旋轉將積蓄在轉輪上的熱量傳遞給新風。

（2）板翹式換熱器。具有全熱換熱功能的板翹式換熱器，隔板和換熱板由具有良好傳熱和透濕性但不透氣的紙層疊組成（圖2），當進排氣兩側存在溫差和水蒸汽壓力差時就會產生濕熱交換，從而實現全熱回收。

（3）熱泵式換熱器。該換熱器由壓縮機、冷凝器、蒸發器等一系列配套設備組成，結構與普通風冷熱泵空調系統基本相同（圖 3），蒸發器和冷凝器分別設在排風氣流和新風氣流中，利用排風的溫度（夏季比室外空氣低，冬季比室外空氣高），提高熱泵系統的能效比，處理新風。夏季，新風流過蒸發器，排風流過冷凝器；冬季，蒸發器改為冷凝器，冷凝器改為蒸發器。

圖1 轉輪式換熱器

圖2 板翹式換熱器

圖3 熱泵式換熱器

2.顯熱回收裝置

（1）熱管式換熱器。利用某種工作流體在管內產生相態變化和吸液芯多孔材料的毛細作用，進行熱量傳遞（圖4）。通常采用不銹鋼或銅作為熱管殼，借助工質（氨、氟利昂、丙酮、甲醇等）的相變進行熱傳遞。熱管一端為蒸發段，另一端為冷凝段。當一端受熱時，液體迅速蒸發，蒸汽在微小壓力差的作用下流向另一端，并快速釋放熱量，而后重新凝結為液體，液體沿多孔材料以毛細作用和重力流回蒸發端，如此循環，熱量不斷進行傳遞。

圖4 熱管式換熱器

（2）中間熱媒式換熱器。在新風和排風側，分別使用一個氣液換熱器，排風側的空氣流過時，對系統中的冷媒進行冷卻，在新風側被冷卻的冷媒將冷量轉移到進入的新風上，冷媒在泵的作用下不斷地在系統中循環，供熱側和受熱側通過管道連接，位置和距離不受限制。

三、熱能回收裝置效能分析

1．轉輪式換熱器

中間換熱媒介單一，換熱效率高。空氣流過轉輪時的迎風面風速越小，效率越高；反之，迎面風速越大，效率越低。通常迎面風速取2.5～4m/s。轉輪轉速和效率有一定關系，當轉速小于4r/min時，效率明顯下降；當轉速增加至10r/min以上時，效率幾乎不再發生變化。熱回收效率可達70%～80%。

2．板翹式換熱器

結構簡單，沒有傳動設備，基本上不消耗電力，運行可靠性高。新風和排風不直接接觸，減少了污染物質從排風到新風轉移，全熱回收效率可達70%。氣流在層之間流動，會使換熱膜片擾動，氣流大時，產生強大的阻力和噪聲，甚至吹破膜片，結構受氣流限制。

3．熱泵式換熱器

可以回收大量熱能，回收效率高。但需配備壓縮機、蒸發器、冷凝器等設備，結構復雜，設備投資成本高。壓縮機消耗電能，運行費用高。

4．熱管式換熱器

基本上僅能回收顯熱，不需要動力源，基本上不產生運行費用。其性能受工作時熱管傾斜角度的影響。

5．中間熱媒式換熱器

只能回收顯熱，需要配備熱媒輸送動力設備，電能消耗較大。管道輸送熱媒溫差損失大，換熱效率低，僅為30%～40%。

四、潔凈空調系統熱能回收裝置應用分析

潔凈室溫度和相對濕度要保證藥品生產工藝要求，并保證藥品生產環境和操作人員的舒適性。藥品在潔凈室生產過程中會與空氣發生接觸，溫度對某些特殊藥品質量會產生影響，對于吸濕性物料，暴露于濕度過大的環境會出現增重現象，影響基于重量的配方。南方氣候高溫高濕，增大了潔凈室溫濕度調控的難度，與舒適性空調系統著重于溫度控制相比，潔凈空調系統更須注重溫度、濕度控制。因此，選擇熱能回收裝置應考慮以下三方面。

1．具有全熱回收功能

潔凈空調系統中需要進行熱回收處理的空氣，基本是由產塵量大、揮發刺激性氣味以及使用易燃易爆原料的潔凈室排出，此類潔凈室一般產熱量和產濕量不大。夏季，排風溫濕度遠低于室外新風，將排風顯熱和潛熱回收，用于新風預處理，可有效降低處理新風耗冷量。冬季，排風溫濕度高于室外新風，回收排風顯熱和潛熱，用于新風預處理，可有效降低空調系統的加熱量和加濕量。因此，潔凈空調系統宜選擇具有全熱回收功能的裝置。

2．熱能轉換效率高、運行費用低

無菌制劑生產操作環境潔凈級別通常為A級、B級、C級、D級，潔凈度級別高，換氣次數高，B級、C級換氣次數達到每小時20次以上。非無菌口服制劑生產操作環境潔凈級別通常為D級，換氣次數為每小時15次左右。在產塵量大或使用易燃易爆原料的生產環境中，為確保有足夠的流動空氣帶走塵埃粒子和易燃易爆氣體，需要通過加大換氣次數，保證符合潔凈度級別和安全要求。潔凈區凈化空調系統處理新風量往往較大，處理新風能耗很高，熱能轉換裝置需要有較高的轉換效率才能最大限度回收排風能量，降低空調系統處理新風的能耗。

圖5 熱回收轉輪潔凈空調系統

使用熱能回收裝置的目的是降低能耗，節約運行成本。需要額外大功率動力配套的熱能回收裝置雖然可回收大量熱能，但是由于消耗電能，實際上達不到真正意義上的節能降耗，節約運行成本的效果也不明顯。

3．結構簡單、維護方便

潔凈空調系統對于藥品生產廠房來說猶如人體的肺部，呼吸不暢將直接影響整個生產系統的運作。潔凈度、溫度、濕度是潔凈廠房符合生產要求必須同時滿足的三個物理條件，空調系統的局部故障導致其中某一條件缺失，將使整個生產陷于停頓。結構過于復雜的設備運行可靠性、穩定性通常情況下不如結構簡單的設備。藥品生產企業維護人員一般只精于工藝生產設備的維護保養，對公用設備的熟悉程度不如專業人員，設置過多公用設備專業維修人員由于使用效率低下而增加人力成本。因此，選用公用設備必須以結構簡單，便于維護為前提，既提高運行可靠性，又便于日常維護保養。

五、熱能回收裝置應用

某制藥企業生產車間，由于工藝需要，操作間空氣必須全部排出，但該工序產熱量不大，排出的空氣溫升不高，采用傳統全排方式浪費冷量較多。因此，在潔凈空調系統中使用了熱能回收裝置。

該企業位于南方地區，夏季高溫高濕，宜選用全熱回收裝置。板翹式換熱器由紙質材料組成，雖有較好傳熱、透濕性，但大氣流、大擾動條件下隔板容易破損，新風和排風之間存在較大的交叉污染風險。熱泵式換熱器可回收大量熱能，回收效率高，但需要額外消耗電能，總體節能效果不理想，維護保養難度大。轉輪式換熱器具有較高的熱回收效率、維護簡便，額外動力能耗低，比較符合藥品生產潔凈廠房空調系統要求。帶有熱回收轉輪裝置的潔凈空調系統結構見圖5。

熱回收轉輪上下兩個半圓分別處于空調風柜新風段、排風段。夏季運行時，室內低溫排風經過初效、中效過濾后，通過上半圓熱回收轉輪處理，轉輪溫度降低，水分含量減少，當上半圓轉輪轉入下半圓時進入新風段，與室外新鮮空氣接觸，轉輪吸收高溫高濕新鮮空氣的熱量和水分，使新鮮空氣降溫減濕。冬季與之相反。

室內回風經過初效、中效過濾后再由轉輪處理，有效保證了轉輪不沾染粉塵，避免交叉污染，達到GMP規范要求。在轉輪上下以及新風、排風段之間設置旁通閥，可在進行系統滅菌消毒時轉換為全回風狀態。中和消毒劑時，將上下旁通閥打開，可增加新風流量迅速中和消毒劑。

以夏季運行狀況對空調系統采用全排不回收和熱能回收兩種方式的能耗進行對比，計算結果：全排不回收方式需表冷器冷量為562.63 kW，經過熱能回收裝置回收冷量后，表冷器冷量為338.27kW，能耗降低39.87%。