制藥廠房潔凈空調系統能耗監測及分析方法*

中國航空規劃設計研究總院有限公司 代 丹

成都生物制品研究所有限責任公司 林綠淵

中國航空規劃設計研究總院有限公司 肖 武

北京華勤潔凈科技有限公司 郜義軍

成都生物制品研究所有限責任公司 張 改

0 引言

從2003年至2009年，我國醫藥產業工業產值從3 103億元增長到10 382億元，平均年復合增長率達22.30%。截至2017年底，我國醫藥產業年產值達到了3.5萬億元，醫藥企業數量增至7 600余家。當前，隨著我國居民生活水平的提高、醫療保險制度改革的推進和人口老齡化等的出現，醫藥產業將保持較快的發展趨勢。

制藥工業各種能源消耗量非常大，其潔凈空調系統的單位面積運行能耗為常規公共建筑的數倍。制藥廠房潔凈空調系統的特殊性在于其對室內環境的要求除了滿足溫濕度參數外，還須滿足氣流組織、潔凈度、壓差控制等參數的要求。在滿足生產環境要求的前提下，如何降低能耗、節約資源、降低生產成本，成為了諸多學者的重要研究課題。隨著我國新版《藥品生產質量管理規范》的實行，制藥工業凈化空調系統的節能設計和改造備受人們的重視。顧婧指出在新版《藥品生產質量管理規范》下，制藥廠房采用新風預處理的適用性和經濟性[1]。彭敏對潔凈室的負荷和能耗進行了研究，提出減少新風負荷及送風動力能耗是節能的關鍵[2]。徐菱虹等人推導出4種熱濕處理流程的能耗計算方法，并通過實例對其進行了驗算[3]。李申等人采用提高冷水供水溫度(12 ℃)對恒溫恒濕空調系統進行優化，并與傳統系統進行比較發現節能效果顯著[4]。朱儉峰對醫藥工業空調帶轉輪熱回收裝置進行了研究，提出了在醫藥工業項目中應用空調排風熱回收技術的適用條件、設計方案和節能經濟效益[5]。由玉文等人通過對動態新風量的計算，從經濟和可行性方面對潔凈空調系統變新風量的節能控制系統進行了分析，得出了系統的節能率和單位新風節電量[6]。張帆結合具體的工程案例，針對藥廠固體制劑車間凈化空調系統能耗大的問題，提出了回排風連鎖、熱回收等節能措施，有效地降低了空調的能耗和運行成本[7]。陳益武等人對潔凈空調系統不同空氣處理方案的理論能耗進行了計算，并確定了最佳處理方案[8]。盧子建通過分析潔凈生產區平面布局和工藝流程，給出了在保持環境條件、節約能源基礎上的潔凈空調系統區域劃分思路[9]。曾天翔闡述了二次回風的新型潔凈空調系統的結構及其實現溫濕度控制的具體步驟，并對其節能率進行了論證[10]。王煥煥提出一種動靜態分開控制的節能設計方案，分析了動靜態分開控制在節能減排中的應用優勢及存在的問題[11]。

在制藥行業規模擴張的背景下，制藥廠房潔凈空調系統實際的能耗數據對揭示目前系統真實運行中的送風量冗余、新風量、冷熱源能耗、冷熱抵消等問題具有重要意義。通過能耗數據的有效分析，才能給出潔凈空調系統的節能環節、節能空間和節能措施。基于上述背景，如何能正確有效地獲得實測數據并通過合理的能耗分析方法對系統能耗水平進行分析變得非常重要。因此，本文結合實際項目，對制藥廠房潔凈空調系統能耗實地監測和數據分析方法進行了研究。

1 潔凈空調系統能耗監測方法

制藥廠房潔凈空調系統的能耗主要包括滿足負荷需求的能耗和輸配能耗兩大部分。滿足負荷需求的能耗包括冷熱源及加濕能耗，主要用于處理新風負荷、工藝負荷、圍護結構負荷等；輸配能耗包括水系統和風系統的輸送能耗。在實際的工程項目中，為了探明制藥廠房潔凈空調系統各耗能環節耗能量，需分別在制冷站和空調機房進行能耗監測。本文結合長春某疫苗生產廠房(廠房Ⅰ)和北京某制劑生產廠房(廠房Ⅱ)對潔凈空調系統的能耗監測及能耗分析方法進行詳細介紹，2間廠房的具體信息如表1所示。

表1 監測項目信息

1.1 測試原理

潔凈空調系統能耗包括冷熱源和輸配系統能耗兩大部分，如圖1所示。其中冷熱源能耗包括冷水機組和鍋爐能耗；水系統輸配能耗包括冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機能耗；風系統輸配能耗包括組合式空調機組、排風空調箱能耗。

1.1.1空調箱測試原理

以廠房Ⅰ空調機組KJ1-1(如圖2所示)為研究對象開展全年運行測試，該空調系統服務區域面積338.6 m2，服務房間功能多樣，潔凈等級以D級為主。夏季空氣處理過程為：回風與新風先混合，再冷卻除濕、加熱，處理到送風點(室內有冷負荷和濕負荷)；冬季空氣處理過程為：回風與新風先混合，再加濕、加熱(室內有熱負荷)。空調箱監測參數包括空調箱各段的空氣溫濕度，測試參數分別為預熱段、回風段、表冷段后、送風段等狀態點的空氣溫濕度參數，如圖2所示。空調箱能耗的測試內容包括：風機的電耗、耗冷量和耗熱量，其對應的測試參數分別為空調箱新風、回風、混風、表冷后、加熱后、送風6個狀態點的溫濕度，以及空調箱風量和風機電量，共14個參數。

圖2 空調機組結構示意圖

當分別采用空氣和水源側換熱量計算空調箱供冷量和供熱量時，空調箱能耗監測的主要儀器包括風機電能表、空氣溫濕度傳感器和超聲波流量計3類，測試參數及儀器如表2所示。

表2 空調箱測試參數和儀器

1.1.2制冷站測試原理

以廠房Ⅱ的制冷站為研究對象，廠房Ⅱ夏季制冷冷源由4臺冷水機組提供。其中3臺并聯，型號容量均一致(額定制冷量630 kW、功率110 kW)，第4臺功率140 kW、額定制冷量750 kW，在并聯的3臺無法滿足冷量需求的情況下開啟。制冷站系統及測點示意圖見圖3，其需測試的內容包括冷水機組耗電量、冷水泵耗電量、冷卻水泵耗電量和冷卻塔耗電量。制冷站監測點分別包括冷水進/出口、冷卻水進/出口、冷卻塔進/出風口、配電柜、冷水支管和總管、冷卻水支管和總管。

圖3 制冷站系統及測點示意圖

冷卻塔風量和水量測點布置如圖4所示，測量進、出風口的時候將測點分布在等面積線(圖4b點劃線)上，并呈中心對稱分布。監測點設置的注意事項包括：測點位置可正確反映空氣處理過程中的狀態；為了避免渦流造成測量值不可靠，在監測流量時測點應設置在橫管段且需距離管件、水處理器等設備2倍管徑以上；施工安裝過程，盡可能減少對設備的損壞及對氣流組織的影響。

圖4 冷卻塔測點布置

制冷站測試參數及儀器如表3所示，制冷站冷水機組、水泵和冷卻塔能耗的主要測試儀器包括溫度自記儀、超聲波流量計、電能表和熱球風速儀4類。

表3 制冷站測試參數及儀器

1.2 數據采集方法

數據采集系統如圖5所示，各參數采集原理：安裝在空調箱中的無線溫濕度傳感器通過無線通訊的方式將測試數據傳至安裝在空調箱外的網關，網關通過有線的方式將數據傳輸到數據采集儀，數據采集儀通過4G網絡將數據傳輸至遠端服務器，最終實現數據的采集、傳輸、存儲和分析。采樣周期：溫濕度傳感器儀表為1 min 1次，全天24 h實時監測；數據采集儀為10 min 1次；云服務器為10 min 1次。由于全年數據量龐大，并且運行時段空調箱參數比較穩定，所以處理的數據可以簡化為1 h采集1次。

圖5 數據采集系統示意圖

2 空調箱能耗監測與分析

2.1 能耗監測內容

2.1.1風量

潔凈空調KJ1-1服務區域風量測試結果如表4所示，對其車間各個送風口處進行風量測量和房間潔凈度測試，測試結果表明系統實際運行風量均滿足設計要求，潔凈度檢測合格，可初步判斷空調箱運行控制較好。空調送風機采用變頻風機，根據系統阻力、值班工況變頻運行，新風量隨之發生變化。新風比08：00—20:00為20%，其他時間段為10%。

表4 風量測試結果匯總 m3/h

2.1.2溫濕度

對潔凈空調KJ1-1新風、回風和送風溫度進行監測，如圖6所示。從圖中可以看出，雖然新風溫濕度不斷變化，但回風溫度和送風溫度24 h基本保持恒定，除新風參數變化外，空調箱其他各段空氣狀態波動很小，與設計標準規定參數[12]比較可以得出機組運行效果良好。

圖6 空調箱參數監測曲線

對潔凈空調KJ1-1各段的空氣比焓進行計算，結果如圖7所示，從圖中可以看出，混風段、表冷段、送風段比焓隨時間的變化趨勢一致。送風段空氣比焓更靠近混風段比焓，說明加熱過程耗熱量較大，系統平均耗熱量與耗冷量之比約為5∶7。

圖7 空氣比焓24 h變化曲線

2.1.3風機電耗

空調箱風機的耗電量監測方法有2種：1) 若業主安裝有電能表，可直接獲取空調箱電能表數據。2) 查看機組銘牌的額定功率，根據業主運行記錄，如風機的運行頻率、運行時間情況，通過以上信息估算風機電耗。

2.2 能耗分析方法

通過空調箱溫濕度監測數據可以得出：當混風溫度與除濕后溫度的溫差大于等于3 ℃時，認為表冷器處于啟用狀態；當溫差小于3 ℃時，認為表冷器處于非開啟狀態，不計算耗冷量。根據實驗測試，實際運行風量基本接近房間設計風量，為31 983 m3/h。已知空氣溫濕度參數，可以求出比焓差，進一步算出表冷器前后空氣比焓差；已知機組的設計送風量、空氣密度，可計算出機組處理的空氣質量流量。經計算，該空調系統平均耗冷量為105 kW，平均耗熱量為75.8 kW，系統平均耗冷量與耗熱量之比約為5∶7。

通過以上分析計算得出空調箱KJ1-1系統運行控制效果較好，但存在運行不節能的表現：耗熱量占比較大，可通過降低空調加熱段的耗熱量及優化空調系統運行策略來降低系統耗熱量。就冷熱源而言，采用新風獨立處理技術可以有效避免傳統一次回風系統的再熱過程，從而降低系統耗熱量；采用蒸汽凝結水熱回收技術可以部分減少潔凈空調系統冬季加熱能耗，并可同時降低水泵的輸配能耗。就運行策略而言，針對制藥廠房潔凈空調系統連續運行的特點，在非生產工況時采用值班運行模式可以有效降低空調箱風機能耗，從而實現系統節能運行。

3 制冷站能耗監測與分析

廠房Ⅱ制冷系統為開式系統，如圖3所示。該系統冷源由4臺冷水機組提供，為冷水機組匹配有4臺冷水泵、4臺冷卻水泵和4臺冷卻塔。其中，制冷系統1#、2#、3#冷水機組并聯，額定制冷量均為630 kW，4#為備用冷水機組，額定制冷量為750 kW。制冷系統的4臺冷水泵均為定頻水泵，在管道阻力特性確定的情況下流量近似一致。4臺冷水泵電動機功率均為18.5 kW，其中4#為備用泵。制冷系統的4臺冷卻水泵均為變頻水泵，但是其變頻器僅用作開啟時變頻使用，在運行階段定頻，在管道阻力特性確定的情況下流量近似一致。4臺冷卻水泵除4#(備用)電動機功率為15 kW外，1#、2#和3#電動機功率為30 kW。制冷系統中冷卻塔高度約為5～6 m，出水匯總到一根總管進入蓄水池，蓄水池和消防水池共用。1#、2#和#3冷卻塔風機功率為7.5 kW，備用冷卻塔4#風機功率為5.5 kW。

3.1 能耗監測內容

3.1.1冷水機組

在一個完整工作日對冷水、冷卻水溫度變化情況進行監測，結果如圖8所示，工作時段(07:00開始)冷水機組開啟，夜間非工作時段(20:00開始)冷水機組關停。冷水供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，冷卻水供/回水溫度為25 ℃/30 ℃。同時，對能效比進行測試，得出機組為5.16，制冷站系統為3.59。

圖8 2#冷水機組冷水、冷卻水溫度變化

在冷水和冷卻水管橫向管段上分別布置測點監測流量，冷卻水泵為變頻泵，以每次測量時刻的結果為準。冷水、冷卻水流量典型工況測量結果如表5所示。

表5 冷水、冷卻水流量

3.1.2水泵

1) 冷水泵。

測試工況共3臺定頻冷水泵運行，與制冷機一一對應，水泵為臥式離心水泵，3臺泵型號相同，均為SLW-125-160A。額定指標分別為揚程28 m、流量150 m3/h、功率18.5 kW、效率67.9%。分別對冷水泵揚程、流量和功率進行了測量，根據測量結果分析得出冷水泵揚程、冷水輸配系數和效率3個性能參數的數值，如圖9所示。從圖9中可以看出，1#冷水泵和2#冷水泵運行在較低的效率下，偏離額定工況較遠，輸配系數偏低。其原因為水處理器附近管道產生阻塞，在清洗水處理器后情況有所改善。

圖9 冷水輸配系統參數

2) 冷卻水泵。

冷卻水泵額定指標分別為揚程38 m、流量174 m3/h、功率30 kW、效率60%，分別對冷卻水泵揚程、流量和功率進行了測試，根據測試數據分析得到實際冷卻水輸配系統的水泵揚程、輸配系數和水泵效率，如圖10所示。3臺冷卻水泵均偏離額定工作點較遠，其中流量均僅為額定流量的一半左右。其原因為冷卻水泵選型過大，在實際使用過程中人為地關小了閥門，因此造成了流量的偏移。

圖10 冷卻水輸配系統參數

3.1.3冷卻塔

本次測試使用熱球風速儀對3臺并聯冷卻塔的風速和水量進行了測試，并計算得出風量，如表6所示。同時，計算出冷卻塔的逐時效率基本在50%～55%之間浮動，3臺冷卻塔的風水比分別為1.12、1.09和1.01，但一般冷卻塔風水比在1.0～1.5 之間時其效率會達到80%左右，因此所測試冷卻塔效率與經驗值相比偏低。

表6 冷卻塔測試結果

3.2 能耗分析方法

根據測試的數據統計得到制冷站全年總能耗：總耗冷量約2 069.638 GJ，總耗熱量約3 280.369 GJ，單位面積耗冷量4.4 GJ/(m2·a)，單位面積耗熱量7.1 GJ/(m2·a)，耗冷量與耗熱量平均比值約為3∶5。各耗能設備能耗及占比情況統計得：制冷站的整體電耗11.4×106kW·h，其中制冷機電耗79%、冷卻水泵10%、冷水泵9%和冷卻塔風機2%。制冷機能耗在制冷站總能耗中占了絕大部分比例，在動力設備中，冷卻水泵和冷水泵能耗接近，而冷卻塔風機能耗較小。由此可得，制冷機在制冷系統中節能潛力最大。由于磁懸浮冷水機組能效比基本在8.0～15.0之間，且在25%負荷率下磁懸浮制冷機比傳統制冷機能效比高250%。因此，在生物制藥廠房內應用磁懸浮冷水機組更具優勢，可以有效提高冷水機組低負荷率下的能效比和綜合能效比。

4 結語

對制藥廠房潔凈空調系統實際工程能耗調研測試方法及能耗分析方法進行了研究。結合實際項目，從測試原理、儀器、測點設置、數據采集及能耗分析等方面提出了一整套可供借鑒的測試方法。同時，針對潔凈空調系統的耗電量、耗能量及各環節能耗占比分析提出相應的節能技術：對于傳統一次回風技術，采用新風獨立處理技術降低再熱負荷；對于全時間正常風量運行，采用值班模式運行技術降低非生產時間的空調箱及新風能耗；對于傳統制冷機，采用多機頭磁懸浮冷水機組提高機組效率；相比于傳統蒸汽凝結水直接排放，利用凝結水熱回收回收熱量等。