對醫(yī)藥潔凈空調(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)的探索

王紅霞

（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，江蘇南京 210012）

對醫(yī)藥潔凈空調(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)的探索

王紅霞

（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，江蘇南京 210012）

簡述了排風(fēng)熱回收的幾種方式，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，著重對熱管式熱回收和中間熱媒式熱回收進(jìn)行了分析，指出顯熱回收的方式在冬天回收熱量上有較大優(yōu)勢。另外，簡單介紹了冷凝排風(fēng)熱回收和蒸汽凝結(jié)水回收。關(guān)鍵詞 熱管熱回收；中間熱媒式熱回收；冷凝排風(fēng)熱回收；蒸汽凝結(jié)水回收

醫(yī)藥潔凈空調(diào)系統(tǒng)由于是全空氣系統(tǒng)，且有一定的新風(fēng)量需求，這就導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗較高。為響應(yīng)國家節(jié)能減排的基本國策，如能在設(shè)計(jì)階段，降低整個系統(tǒng)的冷熱量，也可一定程度上降低輸配能耗，這就能夠給制藥企業(yè)降低生產(chǎn)成本。下面就設(shè)計(jì)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 排風(fēng)熱回收技術(shù)

醫(yī)藥廠房中，受工藝過程的限制，如產(chǎn)塵、有異味產(chǎn)生的房間，均需要設(shè)置排風(fēng)。因此排風(fēng)量一般較大，導(dǎo)致需要補(bǔ)充的新風(fēng)增加，能耗增加。如能回收排風(fēng)中的能量，其節(jié)能量是可觀的。傳統(tǒng)的熱回收分全熱回收和顯熱回收，具體熱回收方式有板翅式、轉(zhuǎn)輪式、熱管式、中間熱媒式等。綜合文獻(xiàn)[1-2]各種熱回收方式的優(yōu)缺點(diǎn)經(jīng)過比較，如表1所示。

在醫(yī)藥廠房中，尤其需要注意防止交叉污染，因此需要謹(jǐn)慎選擇熱回收方式。這里著重介紹無交叉污染的熱管式熱回收和中間熱媒式熱回收。

1.1 熱管式回收

工作原理：熱管是一種借助工質(zhì)的相變進(jìn)行熱傳遞的換熱原件。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，在抽成真空的管子里充以適當(dāng)?shù)墓ぷ饕?，再將其兩端密封，具體如圖1所示。熱管既是蒸發(fā)器又是冷凝器。熱流吸熱的一端是蒸發(fā)段，工質(zhì)吸收熱后蒸發(fā)汽化，流動至另一端即冷凝段放熱液化，并依靠毛細(xì)力作用流回蒸發(fā)段，自動完成循環(huán)[3]。熱管換熱器由單根熱管集裝在一起，中間用隔板將蒸發(fā)段與冷凝段分開，每一根熱管就是一個無動力的制冷循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 熱管結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of heat pipe

熱管的形式較多，有整體式吸液芯熱管、整體式重力熱管、分離熱管。空調(diào)所用的熱管式回收一般采用重力熱管形式。當(dāng)重力熱管的蒸發(fā)段從流經(jīng)熱管的熱氣流吸收熱量后，熱管內(nèi)的揮發(fā)性液體蒸發(fā)，產(chǎn)生飽和蒸汽流向冷凝段，冷氣流吸收了蒸汽釋放的冷凝熱后，這些蒸汽冷凝成液體并依靠重力回流到蒸發(fā)段，如此就完成了蒸發(fā)到冷凝的循環(huán)。

熱管熱交換器安裝在新風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)中回收排風(fēng)中的冷、熱量，通過熱管蒸發(fā)段和冷凝段的熱傳遞過程，將排風(fēng)的冷、熱量傳遞給引入系統(tǒng)的新風(fēng)，屬于純被動式進(jìn)行熱交換。熱管內(nèi)部工質(zhì)依靠重力和毛細(xì)循環(huán)動力的作用完成熱量的傳遞，沒有額外的運(yùn)行費(fèi)用。新排風(fēng)不接觸，避免了交叉感染，非常適合衛(wèi)生環(huán)境要求高的潔凈場所。沒有運(yùn)動部件，維護(hù)費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少。

一般應(yīng)用于組合式空調(diào)箱時，有上下式和水平式兩種結(jié)構(gòu)形式。其中上下式如圖2所示，該種結(jié)構(gòu)形式受限于重力作用，僅適合用于上部通冷風(fēng)，下部通熱風(fēng)的形式。水平式結(jié)構(gòu)無限制，可同時滿足夏季冷量和冬季熱量回收。熱管式熱回收器的工作溫度一般在-40 ～ 80 ℃，熱管冷熱端之間的隔板宜采用雙層結(jié)構(gòu)，防止漏風(fēng)而造成交叉污染。

1.2 中間熱媒式熱回收

在系統(tǒng)的排風(fēng)管和新風(fēng)管上分別設(shè)置水-空氣換熱器，通過液體循環(huán)，將熱量傳遞給新風(fēng)或排風(fēng)，從而預(yù)熱或預(yù)冷新風(fēng)。這種顯熱回收稱之為液體循環(huán)式熱回收或者中間熱媒式熱回收，其裝置被稱為液體循環(huán)式熱回收裝置，主要由循環(huán)泵，排風(fēng)換熱器，新風(fēng)換熱器和密閉式膨脹罐組成，具體如圖3所示。循環(huán)液體通常為水，為了降低水的冰點(diǎn)，一般在水中加入一定比例的乙二醇溶液。

排風(fēng)和新風(fēng)在管路上完全隔離，不會發(fā)生新風(fēng)、排風(fēng)間的交叉污染，適用于醫(yī)院、無菌動物實(shí)驗(yàn)室以及排放有毒、有害氣體的工業(yè)廠房，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長。換熱器之間通過管道連接，布置靈活、安裝方便，占地空間小，便于舊系統(tǒng)改造。但是由于是通過循環(huán)液體與排風(fēng)和新風(fēng)進(jìn)行間接的換熱，換熱效率較低。另由于配備循環(huán)水泵并且排風(fēng)、新風(fēng)換熱器有一定的空氣阻力，因而有一定的動力能耗。防結(jié)霜措施，通常采用循環(huán)液體供回水管之間設(shè)電動三通調(diào)節(jié)閥，根據(jù)排風(fēng)盤管回水溫度和新風(fēng)盤管出風(fēng)溫度，來確定開啟度。

表1 各種熱回收方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of heat recovery modes

圖2 上下式熱管熱回收式空調(diào)箱Fig. 2 Combined up and down heat pipe heat recovery used in air handling unit

圖3 中間熱媒式熱回收系統(tǒng)Fig. 3 Medium of heat transmission heat recovery system

1.3 熱回收量計(jì)算及簡析

以常州某動物房為例來說明熱回收量的計(jì)算過程。計(jì)算依據(jù)如下：

夏季室外空調(diào)干球溫度為34.6 ℃，濕球溫度28.1 ℃，室內(nèi)溫度為23 ℃，相對濕度50 %，冬季室外干球溫度-3.5 ℃，相對濕度75 %，室內(nèi)溫度22 ℃，相對濕度50 %。排風(fēng)量為10 800 m3/h，新風(fēng)量9 200 m3/h，采用全新風(fēng)系統(tǒng)。擬采用熱管式熱回收，冬夏熱回收的效率為50 %。夏季冷負(fù)荷156 kW，冬季熱負(fù)荷92 kW。

由文獻(xiàn)[4]，熱回收處理后的空氣干球溫度為：

式中：t1為室外空氣干球溫度； t2為熱回收處理后空氣干球溫度； t3為室內(nèi)空氣干球溫度； η為顯熱交換效率。

顯熱回收量為：

式中：Cp為空氣定壓比熱容。

因此，根據(jù)公式（1），夏季熱回收處理后空氣干球溫度：t2= 34.6 - ( 34.6-23 )×0.5 = 28.8℃ 冬季熱回收處理后空氣干球溫度：t2= -3.5- ( -3.5-22 )×0.5 = 9.25 ℃。同時根據(jù)公式（2）可得，夏季回收冷量：Q = 9 200 / 3 600×1.2×1.01×( 28.8-34.6 ) = -18 kW；冬季回收熱量：Q = 9 200 / 3 600×1.2×1.01× [ 9.25- ( -3.5 )] = 39.5 kW。則夏天回收的冷量約占冷負(fù)荷的11.5 %，冬天回收的熱量約占熱負(fù)荷的42.9 %?？梢钥闯鲲@熱回收的優(yōu)勢在冬季更為明顯，這是因?yàn)槎臼覂?nèi)外的溫差較大，可回收的能量較大。而很多改造項(xiàng)目的空調(diào)機(jī)房寬度有限，熱管式組合空調(diào)箱需采用上、下放置，而新風(fēng)需處理的段數(shù)較多，設(shè)計(jì)上一般采用新風(fēng)在下、排風(fēng)在上的機(jī)組形式。由前文的描述可知，該型機(jī)組只能回收夏天的冷量，此種情況下，需要權(quán)衡比較設(shè)備的初投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，再考慮是否采用熱管式熱回收技術(shù)。而采用中間熱媒式的熱回收方式可以實(shí)現(xiàn)冬、夏季均可回收，由此，可以看出中間熱媒式更適合改造項(xiàng)目。此外，由于凈化空調(diào)系統(tǒng)對溫度、濕度的處理要求較高，一般從節(jié)能的角度出發(fā)，采用二次回風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致組合式空調(diào)箱的段數(shù)較多。此時采用表1中的前兩種熱回收方式，均會造成設(shè)備過于復(fù)雜，風(fēng)管接管混亂。從設(shè)計(jì)及運(yùn)行角度考慮，建議熱管熱回收和中間熱媒式熱回收應(yīng)用于全新風(fēng)系統(tǒng)。

2 冷凝排風(fēng)熱回收

冷凝排風(fēng)熱回收與前面幾種熱回收方式不同，它是將冷凝器設(shè)計(jì)在排風(fēng)通道中，對排風(fēng)進(jìn)行熱回收，大幅度提高了設(shè)備的COP值。夏季制冷工況時，利用排風(fēng)進(jìn)行冷凝，大幅度降低機(jī)組冷凝溫度，改善機(jī)組運(yùn)行工況，極大地提高了設(shè)備的可靠性。冬季制熱工況時，機(jī)組蒸發(fā)器置于排風(fēng)通道中，因此機(jī)組冬季不會出現(xiàn)結(jié)霜問題。加入過濾器、加濕器等配件，在具備熱回收功能的基礎(chǔ)上，適用于對空氣品質(zhì)有較高要求的場所，可應(yīng)用于醫(yī)藥項(xiàng)目中。機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該機(jī)組較普通全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組節(jié)能在30 %以上，且自帶冷熱源，無需水管，設(shè)計(jì)安裝簡單，但是機(jī)組風(fēng)量只能做到15 000 CMH左右，適用于小型的項(xiàng)目中。

圖4 冷凝排風(fēng)熱回收機(jī)組Fig. 4 Condensation heat recovery unit

3 蒸汽凝結(jié)水回收

蒸汽在用汽設(shè)備中放出汽化潛熱后，變?yōu)閹缀跬瑴赝瑝合碌娘柡湍Y(jié)水，凝結(jié)水具有的熱量可達(dá)蒸汽全熱量的20 % ～ 30 %，壓力和溫度越高，凝結(jié)水具有的熱量就越多。醫(yī)藥廠房中，蒸汽用量較多，加熱、加濕等，一般采用0.2 MPa的飽和蒸汽，對應(yīng)的飽和溫度約為120 ℃，如加以回收利用，也能回收一部分熱量和水量。通常根據(jù)凝結(jié)水是否與大氣相通，可以將這些系統(tǒng)分為開式和閉式凝結(jié)水回收與利用系統(tǒng)[5]。開式凝結(jié)水回收，通常是凝結(jié)水的集水箱敞開于大氣。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，初始投資小，但是經(jīng)濟(jì)效益差，且由于凝結(jié)水直接與大氣接觸，凝結(jié)水中的溶氧濃度提高，易產(chǎn)生設(shè)備腐蝕。閉式凝結(jié)水回收，系統(tǒng)是封閉的。系統(tǒng)中凝結(jié)水所具有的能量大部分通過一定的回收設(shè)備直接回收，凝結(jié)水的溫度僅喪失在管網(wǎng)的降溫部分，由于封閉，水質(zhì)有保證，減少了回收水處理費(fèi)。優(yōu)點(diǎn)是凝結(jié)水回收的經(jīng)濟(jì)效益好，設(shè)備的工作壽命長，但是系統(tǒng)的初始投資大。醫(yī)藥項(xiàng)目中，采用蒸汽凝結(jié)水回收技術(shù)通?？梢曰厥找欢ǖ臒崃縼眍A(yù)熱新風(fēng)，或者回到鍋爐房，加熱熱水等。

4 結(jié)束語

熱回收作為一種節(jié)能技術(shù)手段，已在空調(diào)領(lǐng)域有了比較成熟的發(fā)展，熱回收的形式多種多樣，在具體項(xiàng)目中需要權(quán)衡考慮，合理選擇，尤其是醫(yī)藥項(xiàng)目中，能夠防止交叉污染的熱回收方式是首選。合理的熱回收方式，能夠節(jié)約能源，提高能源利用效率。

[1]郝景濤，貢振軍. 淺談空調(diào)系統(tǒng)中的熱回收技術(shù)[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù). 2011，（4）：51-54.

[2]吳宇紅，梁江. 空調(diào)排風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用淺析[J]. 暖通空調(diào). 2008，38（9）：60-63.

[3]莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4]趙德飛，劉東，董寶春. 空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱（冷）量回收經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 節(jié)能技術(shù). 2005，23（133）：440-443.

[5]陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調(diào)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Study of Heat Recovery Technology Used in Pharmaceutical Cleaning Airconditioning System

Wang Hongxia
（The IT Electronics Eleventh Design & Research Institute, Jiangsu Nanjing 210012）

Several methods in heat recovery from discharged air were introduced. The advantages and disadvantages of these methods were then compared. Emphatically, the heat recovery methods using heat pipe and transmission medium were analyzed. It was indicated that in winter the method of sensible heat recovery is more advantageous. In addition, in this article, the method of heat recovery from discharged air for condensation and the method of condensing water recovery were brief l y introduced.

heat recovery using heat pipe; heat recovery using transmission medium; heat recovery from discharged air for condensation; recovery of water condensed from steam

TU 834.8

A

2095-817X（2017）01-0054-004

2016-03-17

王紅霞（1985—），女，注冊暖通工程師，主要從事醫(yī)藥廠房暖通設(shè)計(jì)。