熱能回收裝置在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

盧子建 何國(guó)熙

（廣州醫(yī)藥集團(tuán)有限公司 廣州）

一、概述

潔凈空調(diào)系統(tǒng)是藥品生產(chǎn)廠房保證環(huán)境溫濕度、潔凈度符合GMP規(guī)范要求的關(guān)鍵公用系統(tǒng)，也是公用系統(tǒng)中的能耗大戶，占總能耗70%左右。藥品生產(chǎn)車(chē)間產(chǎn)塵量較大、有刺激性以及易燃易爆氣體揮發(fā)的工序較多采用直排方式，以保證車(chē)間內(nèi)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(fèi)，特別是在高溫潮濕的南方地區(qū)，這種狀況對(duì)運(yùn)行成本帶來(lái)了不可低估的影響。

使用熱能回收裝置，吸收利用排風(fēng)的能量，既能達(dá)到節(jié)能降耗、低碳環(huán)保的效果，又可為企業(yè)節(jié)約運(yùn)行成本。不同類(lèi)型的熱能回收裝置原理和特點(diǎn)各異，以下結(jié)合藥品生產(chǎn)廠房潔凈空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)熱能回收裝置應(yīng)用效果進(jìn)行比較分析。

二、熱能回收裝置類(lèi)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(nèi)排風(fēng)的余熱（冷），達(dá)到節(jié)能降耗的目的。熱能回收的形式較多，按回收熱量的類(lèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪式換熱器。通過(guò)輪體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中材料的蓄熱和放熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)兩股氣流之間熱量交換的熱回收裝置（圖1）。轉(zhuǎn)輪的蓄熱體為圓盤(pán)蜂窩狀，一般由特殊復(fù)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(zhuǎn)輪可以對(duì)潛熱進(jìn)行回收。室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)由轉(zhuǎn)輪入口吸入，將熱量傳遞給轉(zhuǎn)輪，新風(fēng)從另一側(cè)入口吸入，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)將積蓄在轉(zhuǎn)輪上的熱量傳遞給新風(fēng)。

（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(dāng)進(jìn)排氣兩側(cè)存在溫差和水蒸汽壓力差時(shí)就會(huì)產(chǎn)生濕熱交換，從而實(shí)現(xiàn)全熱回收。

（3）熱泵式換熱器。該換熱器由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等一系列配套設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)與普通風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本相同（圖 3），蒸發(fā)器和冷凝器分別設(shè)在排風(fēng)氣流和新風(fēng)氣流中，利用排風(fēng)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(tǒng)的能效比，處理新風(fēng)。夏季，新風(fēng)流過(guò)蒸發(fā)器，排風(fēng)流過(guò)冷凝器；冬季，蒸發(fā)器改為冷凝器，冷凝器改為蒸發(fā)器。

圖1 轉(zhuǎn)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(nèi)產(chǎn)生相態(tài)變化和吸液芯多孔材料的毛細(xì)作用，進(jìn)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(zhì)（氨、氟利昂、丙酮、甲醇等）的相變進(jìn)行熱傳遞。熱管一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段。當(dāng)一端受熱時(shí)，液體迅速蒸發(fā)，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(jié)為液體，液體沿多孔材料以毛細(xì)作用和重力流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)，熱量不斷進(jìn)行傳遞。

圖4 熱管式換熱器

（2）中間熱媒式換熱器。在新風(fēng)和排風(fēng)側(cè)，分別使用一個(gè)氣液換熱器，排風(fēng)側(cè)的空氣流過(guò)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中的冷媒進(jìn)行冷卻，在新風(fēng)側(cè)被冷卻的冷媒將冷量轉(zhuǎn)移到進(jìn)入的新風(fēng)上，冷媒在泵的作用下不斷地在系統(tǒng)中循環(huán)，供熱側(cè)和受熱側(cè)通過(guò)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(zhuǎn)輪式換熱器

中間換熱媒介單一，換熱效率高?？諝饬鬟^(guò)轉(zhuǎn)輪時(shí)的迎風(fēng)面風(fēng)速越小，效率越高；反之，迎面風(fēng)速越大，效率越低。通常迎面風(fēng)速取2.5～4m/s。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和效率有一定關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于4r/min時(shí)，效率明顯下降；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至10r/min以上時(shí)，效率幾乎不再發(fā)生變化。熱回收效率可達(dá)70%～80%。

2．板翹式換熱器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有傳動(dòng)設(shè)備，基本上不消耗電力，運(yùn)行可靠性高。新風(fēng)和排風(fēng)不直接接觸，減少了污染物質(zhì)從排風(fēng)到新風(fēng)轉(zhuǎn)移，全熱回收效率可達(dá)70%。氣流在層之間流動(dòng)，會(huì)使換熱膜片擾動(dòng)，氣流大時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的阻力和噪聲，甚至吹破膜片，結(jié)構(gòu)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(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資成本高。壓縮機(jī)消耗電能，運(yùn)行費(fèi)用高。

4．熱管式換熱器

基本上僅能回收顯熱，不需要?jiǎng)恿υ?，基本上不產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)用。其性能受工作時(shí)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(dòng)力設(shè)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(diào)系統(tǒng)熱能回收裝置應(yīng)用分析

潔凈室溫度和相對(duì)濕度要保證藥品生產(chǎn)工藝要求，并保證藥品生產(chǎn)環(huán)境和操作人員的舒適性。藥品在潔凈室生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)與空氣發(fā)生接觸，溫度對(duì)某些特殊藥品質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)于吸濕性物料，暴露于濕度過(guò)大的環(huán)境會(huì)出現(xiàn)增重現(xiàn)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(diào)控的難度，與舒適性空調(diào)系統(tǒng)著重于溫度控制相比，潔凈空調(diào)系統(tǒng)更須注重溫度、濕度控制。因此，選擇熱能回收裝置應(yīng)考慮以下三方面。

1．具有全熱回收功能

潔凈空調(diào)系統(tǒng)中需要進(jìn)行熱回收處理的空氣，基本是由產(chǎn)塵量大、揮發(fā)刺激性氣味以及使用易燃易爆原料的潔凈室排出，此類(lèi)潔凈室一般產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量不大。夏季，排風(fēng)溫濕度遠(yuǎn)低于室外新風(fēng)，將排風(fēng)顯熱和潛熱回收，用于新風(fēng)預(yù)處理，可有效降低處理新風(fēng)耗冷量。冬季，排風(fēng)溫濕度高于室外新風(fēng)，回收排風(fēng)顯熱和潛熱，用于新風(fēng)預(yù)處理，可有效降低空調(diào)系統(tǒng)的加熱量和加濕量。因此，潔凈空調(diào)系統(tǒng)宜選擇具有全熱回收功能的裝置。

2．熱能轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行費(fèi)用低

無(wú)菌制劑生產(chǎn)操作環(huán)境潔凈級(jí)別通常為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)，潔凈度級(jí)別高，換氣次數(shù)高，B級(jí)、C級(jí)換氣次數(shù)達(dá)到每小時(shí)20次以上。非無(wú)菌口服制劑生產(chǎn)操作環(huán)境潔凈級(jí)別通常為D級(jí)，換氣次數(shù)為每小時(shí)15次左右。在產(chǎn)塵量大或使用易燃易爆原料的生產(chǎn)環(huán)境中，為確保有足夠的流動(dòng)空氣帶走塵埃粒子和易燃易爆氣體，需要通過(guò)加大換氣次數(shù)，保證符合潔凈度級(jí)別和安全要求。潔凈區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)處理新風(fēng)量往往較大，處理新風(fēng)能耗很高，熱能轉(zhuǎn)換裝置需要有較高的轉(zhuǎn)換效率才能最大限度回收排風(fēng)能量，降低空調(diào)系統(tǒng)處理新風(fēng)的能耗。

圖5 熱回收轉(zhuǎn)輪潔凈空調(diào)系統(tǒng)

使用熱能回收裝置的目的是降低能耗，節(jié)約運(yùn)行成本。需要額外大功率動(dòng)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(shí)際上達(dá)不到真正意義上的節(jié)能降耗，節(jié)約運(yùn)行成本的效果也不明顯。

3．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便

潔凈空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于藥品生產(chǎn)廠房來(lái)說(shuō)猶如人體的肺部，呼吸不暢將直接影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作。潔凈度、溫度、濕度是潔凈廠房符合生產(chǎn)要求必須同時(shí)滿足的三個(gè)物理?xiàng)l件，空調(diào)系統(tǒng)的局部故障導(dǎo)致其中某一條件缺失，將使整個(gè)生產(chǎn)陷于停頓。結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性通常情況下不如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備。藥品生產(chǎn)企業(yè)維護(hù)人員一般只精于工藝生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)公用設(shè)備的熟悉程度不如專(zhuān)業(yè)人員，設(shè)置過(guò)多公用設(shè)備專(zhuān)業(yè)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(shè)備必須以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)為前提，既提高運(yùn)行可靠性，又便于日常維護(hù)保養(yǎng)。

五、熱能回收裝置應(yīng)用

某制藥企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間，由于工藝需要，操作間空氣必須全部排出，但該工序產(chǎn)熱量不大，排出的空氣溫升不高，采用傳統(tǒng)全排方式浪費(fèi)冷量較多。因此，在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中使用了熱能回收裝置。

該企業(yè)位于南方地區(qū)，夏季高溫高濕，宜選用全熱回收裝置。板翹式換熱器由紙質(zhì)材料組成，雖有較好傳熱、透濕性，但大氣流、大擾動(dòng)條件下隔板容易破損，新風(fēng)和排風(fēng)之間存在較大的交叉污染風(fēng)險(xiǎn)。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(jié)能效果不理想，維護(hù)保養(yǎng)難度大。轉(zhuǎn)輪式換熱器具有較高的熱回收效率、維護(hù)簡(jiǎn)便，額外動(dòng)力能耗低，比較符合藥品生產(chǎn)潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)要求。帶有熱回收轉(zhuǎn)輪裝置的潔凈空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

熱回收轉(zhuǎn)輪上下兩個(gè)半圓分別處于空調(diào)風(fēng)柜新風(fēng)段、排風(fēng)段。夏季運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)低溫排風(fēng)經(jīng)過(guò)初效、中效過(guò)濾后，通過(guò)上半圓熱回收轉(zhuǎn)輪處理，轉(zhuǎn)輪溫度降低，水分含量減少，當(dāng)上半圓轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)入下半圓時(shí)進(jìn)入新風(fēng)段，與室外新鮮空氣接觸，轉(zhuǎn)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(nèi)回風(fēng)經(jīng)過(guò)初效、中效過(guò)濾后再由轉(zhuǎn)輪處理，有效保證了轉(zhuǎn)輪不沾染粉塵，避免交叉污染，達(dá)到GMP規(guī)范要求。在轉(zhuǎn)輪上下以及新風(fēng)、排風(fēng)段之間設(shè)置旁通閥，可在進(jìn)行系統(tǒng)滅菌消毒時(shí)轉(zhuǎn)換為全回風(fēng)狀態(tài)。中和消毒劑時(shí)，將上下旁通閥打開(kāi)，可增加新風(fēng)流量迅速中和消毒劑。

以夏季運(yùn)行狀況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)采用全排不回收和熱能回收兩種方式的能耗進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果：全排不回收方式需表冷器冷量為562.63 kW，經(jīng)過(guò)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%。