洁净空调系统如何优化新风负荷及节能措施？

7.3.4　洁净空调系统的节能措施

能源问题、环境保护与人口问题并称当今社会“三大难题”。节能是我国可持续发展战略中的重要政策。长期以来，药厂洁净室设计中的节能问题尚未引起高度重视。随着我国医药工业全面实施GM P，GM P达标的药厂洁净室建设规模正在迅速发展与扩大。而洁净空调，是一种初投资大、运行费用高、能耗多的工程项目，其与能源、环保等方面的关系尤为突出。尤其在当前，一部分企业只注重眼前利益，相关从业人员缺少节能意识，在工程的设计、施工、运行诸阶段对节能问题缺乏应有的重视，更加重了洁净空调的高运行费用和高能耗的问题。因此，从药厂洁净室设计上采取有力措施降低能耗，节约能源，已经到了刻不容缓的地步。

1.减少冷热源能耗的措施

采取适宜的措施减少冷热源能耗，可达到节能和降低生产成本的双重目的。具体措施包括确定适宜的室内温湿度、选用必要的最小的新风量和采用热回收装置、利用二次回风节省热能以及加强对工艺热设备、风管、蒸气管、冷热水管及送风口静压箱的绝热等措施。

（1）设计车间型式及工艺设备：现代药厂的洁净厂房以建造单层大框架、正方形大面积厂房最佳。其显著优点之一是外墙面积最小，能耗少，可节约建筑、冷热负荷的投资和设备运转费用。其次是控制和减少窗/墙比，加强门窗构造的气密性要求。此外，在有高温差的洁净室设置隔热层，围护结构应采取隔热性能和气密性好的材料及构造。建筑外墙内侧保温或夹芯保温复合墙板，在湿度控制房间要有良好防潮的密封室。所有这些均能达到节能的目的。

药厂洁净室工艺装备的设计和选型，在满足机械化、自动化、程控化和智能化的同时，必须实现工艺设备的节能化。如在水针剂方面，设计入墙层流式新型针剂灌装设备，机器与无菌室墙壁连接在一起，维修在隔壁非无菌区进行，不影响无菌环境，机器占地面积小，减少了洁净车间中100级平行流所需的空间，减少了工程投资费用，减少了人员对环境洁净度的影响，大大节约了能源。同时，采取必要技术措施，减少生产设备的排热量，降低排风量，如将可能采用水冷方式的生产设备尽可能选用水冷设备。加强洁净室内生产设备和管道的隔热保温措施，尽量减少排热量，降低能耗。

（2）确定适宜的室内温湿度：洁净室温湿度的确定，既要满足工艺要求，又要考虑最大程度地节省空调能耗。室内温湿度主要根据工艺要求和人体舒适要求而定。《药品生产质量管理规范》中要求洁净室内温度控制在18～26℃，湿度控制在45%～65%。对于制药厂一般无菌室室内温度考虑到抑制细菌生长及生产人员穿无菌服等情况，夏季应取较低温度，为20～30℃，而一般非无菌室温度为24～26℃。考虑到室内相对湿度过高易长霉菌，不利洁净环境要求，过低则易产生静电使人体感觉不适等因素；夏季室内相对湿度要求愈低，所需求的冷量能耗愈大，所以设计时，在满足工艺要求的情况下，室内湿度尽量取上限，以便能更多地节省冷量。据测算，当洁净室换气次数为20/h，室温为25℃，当室内相对湿度由55%提高至60%时，系统冷量约可节省15%。

由于气象条件的多变，室外空气的参数也是多变的，而洁净空调设计时是以“室外计算参数”作为标准及系统处于最不利状况下考虑的，因此，在某些时期必然存在能源上的浪费。对空调系统进行自动控制，其节能效果是显而易见的。洁净空调的自动控制系统主要由温度传感器（新风、回风、送风、冷上水）、湿度传感器（新风、回风、送风、室内）、压力传感器（送风、回风、室内、冷回水、蒸气）、压差开关报警器（过滤器、风机）、阀门驱动器（新风、回风）、水量调节阀、蒸气调节阀（加热、加湿）、流量计（冷水、蒸气）、风机电机变频器等自控元器件组成，以实现温湿度的显示与自控、风量风压的稳定、过滤器及风机前后压差报警、换热器水量控制、新回风量自控等功能。

（3）选用必要的最小的新风量和采用热回收装置以减少新风热湿处理能耗：在洁净室热负荷中，新风负荷为最大要素。合理确定必要的最小新风量，能大大降低处理新风能耗。一般新风量由下面三项比较后取最大值：①洁净区内人员卫生要求每人不小于40m³/h；②维持洁净区正压条件下漏风量与排风量之和；③各种不同洁净等级的最小新风比：10万级为30%；1万级为20%；百级为2%～4%。

新风负荷是净化空调系统能耗中的主要组成部分，因此，在满足生产工艺和操作人员需要的情况下以及在《药品生产质量管理规范》允许的范围内，尽可能采用低的新风比。洁净空间内的回风温度、湿度接近送风温湿度要求，而且较新风要洁净。因此，能回风的净化系统，应尽可能多地采用回风以提高系统的回风利用量。不能回风或采取少量回风的系统，在组合式空调机组加装热交换器来回收排风中的有效热能，提高热能利用率，节省新风负荷，这也是一项极为重要的节能措施。特别是对采用直排式空调系统（即全部不回风）或排风量较大剂型如固体制剂，若在空调机组内设置能量回收段是一种较好的、切实可行的节能措施。当然，只有工艺设备处于良好运行状态下、粉尘的散发得到控制的情况下利用回风才有节能效果。如果工艺设备很差，室内大量散发粉尘，还是应该把这些房间的空气经过滤后直接排出。如果区内大部分房间都难以控制粉尘的大量散发，采用回风处理的方式是否经济就成疑问了。因此，还应对工艺及设备的操作和运行情况进行综合考虑，以确定采用回风方案是否经济合理。当采用回风的节能方案后，虽然要增加对回风进行处理的空气过滤器和风机等设备费用，但可以减少冷冻机、水泵、冷却塔、热水制备和水管路系统的配置费用，可以减少设备的投资费。由此看来，在利用回风后，在初投资和运行费上都有不同程度的降低，其经济效益是显而易见的。

能量回收段的实质就是一个热交换器，即在排风的同时，利用热交换原理，把排气的能量回收，进入到新风中，相当于使新风得到了预处理。根据热交换方式的不同，能量回收段分为转轮式、管式两种。

转轮式热交换器，主要构件是由经特殊处理的铝箔、特种纸、非金属膜做成的蜂窝状转轮和驱动转轮的传动装置组成。转轮下半部通过新风，上半部通过室内排风。冬季，排风温湿度高于新风，排风经过转轮时，转芯材质的温度升高，水分含量增多；当转芯经过清洗扇转至与新风接触时，转芯便向新风释放热量与水分，使新风升温、增湿。夏季，过程与此相反。转轮式热交换器又分为吸湿的全热交换方式和不吸湿的全热交换方式两种。热交换效率（即能量回收率）最大可达80%以上。由于存在“交叉污染”的可能性，转轮式热交换器排风侧的空气压力必须低于进风侧。目前转轮式热交换器用在净化空调上非常合适，为防止排风中的异味及细菌在换热过程中向新风中转移，在排风侧与送风侧之间设有角度为100°的扇形净化器，以防空气污染。

管式热交换器也有两种，一种是热管式，即单根热管（一般为传热好的铜、铝材料）两端密封并抽真空，热管内充填相变工质（如氟利昂或氨）。热管一般为竖直安装，中间分隔，一段起蒸发器，一段起冷凝器的作用。以充填氨的铝热管为例（夏季），上部通过冷的排气，下部通过进气；底部的氨液蒸发，使进风预冷，蒸发的氨气在热管上部被排风冷却成氨液，这样自然循环。另一种是盘管式，两组盘管分离式安装，即空调机组内除了原有的制冷、加热段外，分别在送、排风机组内设置盘管式换热器，之间用管道连接，内部用泵循环乙二醇等载冷剂，以回收排风的部分能量。显热回收率可达40%～60%。与转轮式相比，盘管式热交换器的优点在于不会产生“交叉污染”，新风、排风机组可以不在一处，布置时较方便。

（4）利用二次回风节省热能：药厂净化空调的特点是净化面积较大，净化级别要求相对较高。在设计中，大多数采用一次回风系统，使之满足用户对室内洁净度、温湿度、风量、风压的要求，而且一次回风系统设计及计算简单，风道布置简单，系统调试也简单。与之相比，二次回风系统要相对复杂得多。但使用一次回风系统，由于全部送风量经过空调机组处理，空调机组型号大，设备和施工费用及运行费用相应提高。而二次回风系统，只有部分风量经空调机组处理，空调机组承担的风量、冷量都少，型号小，初投资及运行费用都相应减少，有较为明显的节能效果。因此，如果在可用二次回风系统的场合使用一次回风，就会造成药厂资金（包括初投资和运行费用）的浪费。在送风量大的净化空调工程中，二次回风系统比一次回风系统节能显著，应优先采用。

（5）加强对工艺热设备、风管、蒸气管、冷热水管及送风口静压箱的绝热措施：在绝热施工中，要注重施工质量，确保绝热保温达到设计要求，起到节能和提高经济效益的目的。对于风管，常常出现绝热板材表面不平、相互接触间隙过大和不严密、保温钉分布不均匀、外面压板未压紧绝热板、保护层破坏等造成绝热不好等情况。对于水管，主要是管壳绝热层与管子未压紧密、接缝处未闭合、缝隙过大等影响绝热效果。

可用于洁净空调风管及换热段配管的保温材料很多，通常有用于保热的岩棉、硅酸铝、泡沫石棉、超细玻璃棉等，用于保冷的超细玻璃棉、橡胶海绵（NBR-PVC）聚苯乙烯和聚乙烯等。目前，在风管保温中常用的新型保温材料有超细玻璃棉、橡胶海绵。这两种保温材料，除保温效果较好外，还具有良好的不燃或阻燃性能，安装也比较简单。如橡胶海绵，热导率为0. 037W/（m・K），浸没28天吸水率＜4%，氧指数≥33，燃烧性能达到难燃的B1级。橡胶海绵安装也极为简单，风管外壁清洁后涂以专用胶水，再将裁好的橡胶海绵粘平即可，无需防水、防潮层。该保温材料外观效果好，不足之外是价格稍贵。

静压箱风口保温有两种：一种在现场静压箱安装完成后，再在静压箱外进行保温，此种保温效果和质量依现场施工质量而定。另一种为保温消声静压箱风口，一般由外层钢板箱体、保温吸声材料、防尘膜、穿孔钢板内壳组成，整体性强，保温效果好，比较好地解决了箱体的绝热保温。从文献中可知，最小规格高效过滤器送风口静压箱在无保温的情况下，能耗大体占该风口冷热能量的10. 3%，可见静压箱保温很重要。

2.减少输送动力能耗方面的措施

减少药厂洁净空调的运行费用、能耗问题，不仅可以采取减少适宜的冷热源能耗的措施，还可以采取减少输送动力能耗方面的措施来达到节能和降低生产成本的双重目的。(www.xing528.com)

（1）减少净化空调系统的送风量：采取适当的措施减少净化空气的送风量，可以减少输送方面的动能损耗，从而达到节能的目的。

1）合理确定洁净区面积和空气洁净度等级：药厂洁净室设计中对空气洁净度等级标准的确定应在生产合格产品的前提下，综合考虑工艺生产能力情况，设备的大小，操作方式和前后生产工序的连接方式，设备自动化程度，操作人员的多少，设备检修空间以及设备清洗方式等因素，以保证投资最省、运行费用最少、最为节能的总要求。因此，应按不同的空气洁净度等级要求分别集中布置，尽量减少洁净室的面积。从节能的角度出发，洁净度要求高的洁净室尽量靠近空调机房布置，以减少管线长度，减少能量损耗。通常是按生产要求确定净化等级。如对注射剂的稀配为1万级，而浓配对环境要求不高，可定为10万级。

2）灵活采用局部净化设施代替全室高净化级别：减少洁净空间体积的实用技术之一是建立洁净隧道或隧道式洁净室来达到满足生产对高洁净度环境要求和节能的双重目的。洁净工艺区空间缩小到最低限度，风量大大减少。还可采用洁净隧道层流罩装置抵抗洁净度低的操作区对洁净度高的工艺区可能存在的干扰与污染，而不是通过提高截面风速或罩子面积提高洁净度。在同样总风量下，可以扩大罩前洁净截面积5～6倍。与此同时在工艺生产局部要求洁净级别高的操作部位，可充分利用洁净工作台、自净器、层流罩、洁净隧道以及净化小室等措施，实行局部气流保护来维持该区域的高净化级别要求。此外，还可控制人员发尘对洁净区域的影响，如采用带水平气流的胶囊灌装室或粉碎室，带层流的称量工作台以及带层流装置的灌封机等，都可以减轻洁净空调系统负荷，减少该房间维持高净化级别要求的送风量。

3）减少室内粉尘及合理控制室内空气的排放：药品生产中常常会产生大量粉尘，或散发出热湿气体，或释放有机溶媒等有害物质，若不及时排除，可能会污染其他药物，对操作人员也会造成危害。

对于固体制剂，发尘量大的设备如粉碎、过筛、称量、混合、制粒、干燥、压片、包衣等设备应采取局部防排尘措施，将其发尘量减少到最低程度。没有必要将这些房间的回风全部排掉，而大大损失能量；或单纯依靠净化空调来维持该室内所需洁净要求，其能耗费用要比维持100级费用还要大。为了减少局部除尘排风浪费掉的大量能源，可选择高效性能良好的除尘装置，如美国DONALDSON公司生产的除尘器：一种为集中除尘的DOW NFLO系列沉流式除尘器，另一种为单机或小型集中除尘的VS系列振动式除尘器，其过滤效率可达99.99%（根据ASHRAE/RP831测度标准），经该除尘器净化后的空气可作为回风使用。

4）加强密封处理，减少空调系统的漏风量：由于药厂净化空调系统比一般空调系统压头大一倍，故对其严密性有较高要求，否则系统漏风会造成电能、冷热能的大大损失。

关于空调机组的漏风量，国家标准规定：用于净化空调系统的机组，内静压应保持1000Pa，洁净度＜1000级时，机组漏风率≤2%，洁净度≥1000级时，机组漏风率≤1%。但从施工现场空调机组的安装情况来看，有的仍难以满足此要求。因此，需要加强现场安装监督管理，按相关规范标准要求的方法进行现场漏风检测，采取必要措施控制机组的漏风率。

目前，国内通风与空调工程风管漏风率比较保守的和公认的数值为10%～20%。对于风管系统控制漏风的重要环节是施工现场，应从风管的制作、安装及检验上层层把关。主要关键工序是风管的咬合，法兰翻边及法兰之间的密封程度，静压箱与房间吊顶连接处的密封处理，各类阀件与测量孔如蝶阀、多叶阀、防火阀的转轴处的密封，风量测量孔，入孔等周边与风管连接处等。这些部位有的可通过检验，找出缺陷之处，有的无法测出，只能靠严格监督检查，严格要求，才能保证。

国内有关规范对于风管系统的漏风检查方法有两种，即漏光法和漏风试验法。漏光法在要求不高的风管系统使用，无法检查出漏风量多少。漏风试验法在要求较高的风管系统使用，可检查出风管系统的漏风量大小。对于药厂净化空调风管一般为中压系统，《通气与空气工程施工及验收规范》（GB50243-97）中规定，当中压风管工作压强为1000～1500Pa时，系统风管单位面积允许漏风量指标为3. 14～4. 08m³/（h・m²）。关于洁净房间的漏风问题，GB50243-97中规定，装配式洁净室组装完毕后，应做漏风量测试，当室内静压为100Pa时，漏风量不大于2m³/（h・m²）。现场洁净室装修时，吊顶或隔墙上开孔，如送风口、回风口、灯具、感烟探头的安装、各类管道的穿孔处以及门窗的缝隙等都存在一定的漏风量，施工安装时，所有缝隙均要采取密封处理，确保洁净室的严密性。

5）在保证洁净效果的前提下采用较低的换气次数：《药品生产质量管理规范》中对各洁净级别的换气次数没有做相应的规定，设计人员不应照搬以前的《规范》或所谓的设计经验，一味地扩大换气次数，而应紧密结合当地的大气含尘情况以及工程的装修效果，合理确定换气次数。在南方等城市，室外大气含尘浓度低或者工程项目的装修标准较高，室内尘粒少、工艺本身又较先进，这类项目的洁净空调可以适当降低换气次数。《洁净厂房设计规范》（GBJ73-84）中关于换气次数的推荐只能作为设计时的参考，而不是必须遵守的规定。

（2）减少空调系统的阻力：减少输送方面的动能损耗，不仅可以通过减少净化空气的送风量，还可以采取适宜措施减小空调系统的阻力来实现。

1）缩小风管半径，使净化风管系统路线最短：在工艺平面布置时，尽量将有净化要求的房间集中布置在一起，避免太分散。另外，应使空调机房紧靠洁净区，尤其使高净化级别区域尽量靠近空调机房。这样，使得送回风管路径最短，管路阻力最小，相应漏风量也最低。

2）采用低阻力的送风口过滤器：对于药厂30万级、10万级的固体制剂及液体制剂车间送风口末端的过滤器，能用低阻力亚高效过滤器满足要求的，就不用阻力较高的高效过滤器，可节省大量的动力损耗。例如采用驻极体作为静电空气过滤器，该过滤材料主要通过熔喷聚丙烯纤维生产时，电荷被埋入纤维中形成驻极体。滤材型号为ECF-1，重量为220g/m²，厚度为4mm，滤速范围为0. 2～8m/s，初阻力范围为18. 5～91. 2Pa，计数过滤效率：97.01%～87. 10%（≥1μm），100%（≥5μm）。其滤速、阻力和价格（≥15元/m²）相当于初效过滤器，但其效率已经达到了高中效空气过滤器的要求。该种滤材可大大降低系统中的阻力，从而节省大量的动力能耗，降低运行费用，因此取得很好的经济效益。

3）采用变频控制装置，节省风机功率消耗：目前，电机变频调速广泛使用于净化空调系统中，以保持风量恒定。但系统中各级过滤器随着运行时间的延长，在过滤器上的尘埃量集聚逐渐增多，使其阻力上升，整个送风系统阻力发生变化，从而导致风量的变化。而风机压力往往是按照各级过滤器最终阻力之和，即最大阻力设计的，其运行时间仅仅在有限的一段时间内。空调系统运行初始状态时，由于各级阻力较小，当风机转速不变时，风量将会过大，此时，只能调节送风阀，增加系统阻力，保持风量恒定。对于调节风量采用变频器比手动调节风阀更显示其优越性。国外资料表明，当工作位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的95%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降到50%时，变频器只消耗15%，风阀消耗73%，风阀消耗的能量几乎是变频器的四倍。在风量调节中，采用变频调速器，虽然增加了投资，但节约了运行费用，减少了风机的运行动力消耗，综合考虑是经济和合理的，而且有利于室内空气参数的调节与控制。

4）选择方便拆卸、易清洗的回风口过滤器：影响室内空气品质的因素很多，系统的优化设计、新风量、设备性能等都能对空气品质产生重要影响，要改善室内空气品质，就要从空气循环经过的每一个环节上进行控制。回风口的过滤作用往往是被忽视的一个重要环节。回风口是空调、净化工程中必备的部件之一，在工程中由于其造价占用比例较小，结构简单，很难引起设计人员及使用者的注意，通常把它作为小产品，只注意它的外观装饰作用而忽略了它的使用功能。其实，回风口的过滤器性能对于保持空调净化环境符合要求是十分重要的。它的材质优劣影响其叶片的变形程度，从而影响回风阻力及美观，表面处理不当易积灰尘且不易清洁，表面氧化不彻底还能不均匀泛黑等等。

在洁净工程中，提高回风口过滤器的效率有助于防止不同车间污染物交叉污染的程度，并延长中、高效过滤器的使用寿命。回风口过滤器应能方便拆卸更换，不影响整个空调系统的运行，便于分散管理和控制。回风口过滤器过滤效率提高将使其阻力增大。国外部分设计通常采用增大回风口面积的方式来减少回风速度，从而抵消对风机压头的要求，在经济上是合理的。目前市场上的过滤材料较多，足以满足过滤效率的要求，但有些风口的结构很难拆卸更换过滤网，使过滤材料的选用受到限制。部分可开式回风口在结构上不合理，密封不严，达不到要求或没有好的连接件，易松弛、锈蚀、阻塞。碰珠式可开风口在开启时用力太大，易损坏装饰面，并使风口变形。

目前，部分厂商生产的组合式风口针对上述问题作了改进，能方便地拆卸过滤器，并增大了回风过滤效率。这种风口由外框、内置风口、连锁件构成，安装时将外框固定在天花板或墙体上，然后将内置风口装在外框中，连锁件自动将内置风口锁紧。它的连锁件是一种迂回止动件，轻推内置风口锁紧，再次轻推内置风口解锁，解锁后可将整个内置风口取下，过滤器则安装于外框喉部，用连锁件与外框锁紧，用同样方式可取下清洗、更换滤材。此过程不需任何工具，也不需专业人员，普通的工作人员即可操作。工程交付使用后，为使用方的维护管理提供了极大的方便。过滤器滤材可根据不同要求选用，洁净空调可根据不同净化要求选用不同的滤材。选用时可将生产工艺及要求提供给生产企业，也可根据生产企业的产品说明书选用。