雙風機空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)藥工業(yè)中的適用性分析

（醫(yī)藥集團重慶醫(yī)藥設(shè)計院有限公司，重慶 400042）

節(jié)能環(huán)保是當今社會主旋律，空調(diào)系統(tǒng)作為企業(yè)運行的耗能大戶，如何降低空調(diào)系統(tǒng)的耗能，成為現(xiàn)在綠色建筑關(guān)注的重中之重?？照{(diào)系統(tǒng)中只設(shè)置一臺風機，成為單一風機系統(tǒng)，如果空調(diào)系統(tǒng)不僅在送風管路上設(shè)置送風機，還在回風管路上設(shè)置回風機，則稱為雙風機系統(tǒng)[1]。雙風機空調(diào)系統(tǒng)以其優(yōu)越的節(jié)能性正逐步成為綠色空調(diào)設(shè)計的重要措施之一，在空調(diào)設(shè)計中也已得到廣泛的業(yè)內(nèi)認可。筆者在多年制藥行業(yè)潔凈空調(diào)設(shè)計的經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，雙風機空調(diào)系統(tǒng)與醫(yī)藥工業(yè)潔凈空調(diào)設(shè)計的特殊性在很多方面是切合的，且具有其他系統(tǒng)沒有的優(yōu)勢。

1 雙風機空調(diào)系統(tǒng)在藥廠空調(diào)設(shè)計中的適用性分析

1.1 室內(nèi)負荷特征

醫(yī)藥潔凈室以內(nèi)區(qū)房間為主，具有密閉性好的特點，除應(yīng)急門、觀察窗外，四周無外圍護結(jié)構(gòu)。醫(yī)藥潔凈室的室內(nèi)負荷呈現(xiàn)夏季冷負荷高，冬季熱負荷低，部分房間內(nèi)工藝設(shè)備散熱量大的特點。筆者在長期的設(shè)計回訪及項目反饋中發(fā)現(xiàn)，在室外干球溫度＜10℃時甚至更低時，仍有潔凈室空調(diào)在運行制冷模式。

同時，潔凈室的新風量除了要保證室內(nèi)人員的健康衛(wèi)生要求外，還需要補償室內(nèi)排風及室內(nèi)正壓值所需的空氣量之和[2]，較普通舒適性空調(diào)而言，潔凈空調(diào)的新風量需求更高，新風負荷一般占空調(diào)負荷的30%～50%，完全利用人工制冷制熱能耗較大。為了節(jié)約能耗，就宜在過渡季節(jié)乃至冬季充分利用室外新風來消除室內(nèi)的余熱。為了更大程度地利用新風，故而引入了可變新風比的方式，而實現(xiàn)可變新風比最直接有效的措施就是雙風機空調(diào)系統(tǒng)。

雙風機空調(diào)系統(tǒng)采用可變新風比的焓值控制方式，送風及排風機設(shè)變頻控制，通過調(diào)節(jié)新風量大小以達到節(jié)能的目的[3]。冬夏季時，在滿足室內(nèi)新風需求的前提下，降低新風比運行，可大幅降低空氣處理能耗，又能達到節(jié)能環(huán)保的目的。圖1為某藥廠潔凈空調(diào)雙風機段體組合圖。

1.2 空調(diào)熱回收

全新風系統(tǒng)一直是空調(diào)設(shè)計中節(jié)能改造的重點對象，藥廠中特別是原料藥廠的一些制藥工序，時常會散發(fā)易燃易爆的危險氣體和粉塵，這時應(yīng)設(shè)計為全新風空調(diào)系統(tǒng)。采用雙風機結(jié)合熱回收的空調(diào)方式，通過有效回收排風的冷熱量，則可降低空調(diào)能耗，有效解決全新風空調(diào)系統(tǒng)能耗大的疑難問題。

以筆者設(shè)計的云南某制藥項目的制劑車間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為例，由于該車間的一些生產(chǎn)工序或房間伴隨著粉塵產(chǎn)生，部分空調(diào)系統(tǒng)不允許設(shè)計回風，為了充分利用余熱，實現(xiàn)節(jié)能的目的，將這部分空調(diào)設(shè)計為雙風機系統(tǒng)，結(jié)合乙二醇顯熱回收的空氣處理器（如圖2所示）。筆者對這些系統(tǒng)進行了技術(shù)經(jīng)濟計算比較，項目設(shè)計中共有55 000 m3/h的風量采用了乙二醇顯熱回收，全年運行費用節(jié)省7 萬余元，節(jié)能效率約為27%（限于篇幅，此處不做詳細計算介紹）。在室內(nèi)外溫度差距更大的地區(qū)，該節(jié)能效率可能更高，節(jié)能效益愈發(fā)明顯。

圖1 雙風機空調(diào)處理器段體組合圖Fig.1 Air handle unit of double fan air conditioning

圖2 顯熱回收雙風機空調(diào)處理器段體組合圖Fig.2 Air handle unit of double fan air conditioning with heat recovery system

1.3 建筑物特征

從圖1和圖2不難發(fā)現(xiàn)，雙風機空調(diào)機組功能段多，機器的外形尺寸大，同時空調(diào)機組接管多，所需的風管空間也較大。在許多民用甚至公共建筑空調(diào)設(shè)計中，空間較為局限，大面積的空調(diào)機房也是難以實現(xiàn)的，這也是雙風機空調(diào)目前應(yīng)用上的重要受限因素之一。

但對藥廠設(shè)計而言，由于潔凈室區(qū)域大，空調(diào)系統(tǒng)風量大，管線復雜，往往都配備有較為充裕的走管空間及空調(diào)機房面積，這也為設(shè)計雙風機空調(diào)提供了基本條件。

1.4 風壓及噪音需求

以藥廠中的固體制劑車間為例，車間內(nèi)的粉碎、稱量、配料、混合、制粒、壓片，包衣等生產(chǎn)工序，常伴隨著各種粉塵的散發(fā)，且在多品種藥品交替生產(chǎn)的車間里，還存在著藥品交叉污染的風險。故而這些工序的生產(chǎn)房間，其空調(diào)風往往都是經(jīng)除塵器處理后達標排放，大量排風增大了空調(diào)系統(tǒng)新風比和空調(diào)能耗。隨著制藥工藝的不斷進步，工藝設(shè)備不斷改進，引入了全密閉操作，真空上料等措施，產(chǎn)塵量得到有效控制，產(chǎn)塵房間設(shè)計為空調(diào)回風已愈發(fā)廣泛。

為了避免帶有微量粉塵的回風與新風混合后送入潔凈室引起交叉污染，這類房間的回風口需增設(shè)高效過濾器，對空調(diào)回風進行處理。增加高效過濾后，使得回風阻力加大，空調(diào)處理器的余壓需在原基礎(chǔ)上增加350～450 Pa 左右，風機全壓過大，噪音加大，明顯存在不合理性。

潔凈室（區(qū)）的噪音級，動態(tài)測試時不宜超過75 dB（A）[4]。風機在高速運轉(zhuǎn)下會使?jié)崈粝到y(tǒng)噪聲和振動加大，使得系統(tǒng)在抗振降噪方面的選型和選材方面受到較大制約，噪音也對潔凈房間的工作環(huán)境造成不良影響。

采用雙風機空調(diào)設(shè)計后，送風管路與回風管路分別配置風機，有效降低了單臺風機所需的余壓，進而可降低潔凈室內(nèi)的噪音。藥廠中往往多臺空調(diào)器放置在一個集中的空調(diào)機房內(nèi)，在這種情況下的降噪效果是尤為明顯的。

1.5 消毒排風

潔凈區(qū)應(yīng)采取有效的清潔消毒方法控制空氣中粒子數(shù)和活性生物數(shù)，以滿足無菌生產(chǎn)的特殊要求[4]。藥廠都會對潔凈室和潔凈送回風管路進行消毒處理，目前使用較為廣泛的方式為臭氧消毒，即將臭氧通入潔凈空調(diào)系統(tǒng)的送風管道中，除對潔凈區(qū)空氣、設(shè)備及墻、地、吊頂進行滅菌外，同時可殺滅空氣凈化過濾系統(tǒng)和循環(huán)風道系統(tǒng)的霉菌，能有效延長高效過濾器的使用壽命。消毒后需考慮臭氧的排除問題，較為常見的設(shè)計方式為，在潔凈空調(diào)的回風總管處設(shè)三通管路，一端接至空調(diào)器回風，另一端設(shè)置一個消毒排風機排除消毒后氣體，回排風切換由電動風閥的控制實現(xiàn)。

在雙風機空調(diào)系統(tǒng)中，回風機可以直接作為消毒排風的風機使用，無需單獨另設(shè)消毒排風機，節(jié)省初投資。同時，可通過調(diào)節(jié)回排風量的大小，控制區(qū)域內(nèi)消毒后的空氣排放速度。

2 工程實例計算分析

不難發(fā)現(xiàn)，雙風機系統(tǒng)最突出的節(jié)能優(yōu)勢就是變新風比。過渡季節(jié)甚至在冬季，都可以充分利用室內(nèi)外焓差來實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能提效。

以山東濟南某固體制劑藥廠為例，該藥廠在老廠設(shè)計時考慮為單風機空調(diào)系統(tǒng)，新廠設(shè)計時采用了雙風機空調(diào)系統(tǒng)的做法，但由于新廠區(qū)尚未投入運行，筆者結(jié)合老廠區(qū)運行數(shù)據(jù)，采用模擬計算的方式，預估雙風機空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，以供參考。圖3 是根據(jù)業(yè)主提供的老廠區(qū)全年用冷數(shù)據(jù)繪制的全年冷負荷變化曲線。

圖3 全年空調(diào)冷負荷變化曲線Fig.3 Curve of annual air conditioning cooling load variation

不難發(fā)現(xiàn)，全年冷負荷變化的主要因素是室外溫度的變化，部分空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)，乃至在冬季也仍需制冷。

新廠區(qū)進行變新風比空調(diào)設(shè)計，首先要確定新風比切換臨界干球溫度。根ASHRAE90.1—2001 標準的規(guī)定，新風比切換臨界溫度當采用固定干球溫度控制方法時，其新風比切換臨界干球溫度為18℃。但考慮到此標準主要是針對民用建筑，民用建筑室內(nèi)發(fā)熱量與藥廠的差別較大，經(jīng)過修正核算，確定新風比切換臨界干球溫度為15℃。表1為山東省氣象站發(fā)布2019年濟南的月平均氣溫數(shù)據(jù)，1～3月，11～12月的平均空調(diào)干球溫度低于15℃，設(shè)計在該期間采用雙風機空調(diào)系統(tǒng)的變新風比方式運行。表2，表3分別為單風機空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)和雙風機空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)。

表1 濟南市2019年月平均溫度Tab.1 Monthly average temperature of Jinan in 2019

表2 單風機空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of single fan air conditioning system

表3 雙風機空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)Tab.3 Operating parameters of double fan air conditioning system

全年冷負荷節(jié)能分析結(jié)論：

（1）就本項目而言，1～3月與11～12月間，這5個月的平均氣溫低于15℃，可以采用雙風機空調(diào)系統(tǒng)的變新風比方式運行，全年總冷負荷約降低13%。（2）室外平均溫度低于15℃的時間越長，全年總冷負荷的下降幅度越大。雙風機變新風比系統(tǒng)在我國東北，華北和西北等嚴寒地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用，將取得顯著的節(jié)能效果。

3 技術(shù)風險

雙風機系統(tǒng)作為一種非常規(guī)的空調(diào)方式，也存在一定的技術(shù)問題有待解決。

3.1 壓差穩(wěn)定

潔凈室壓差值的恒定，對潔凈室的生產(chǎn)運行是十分重要的。雙風機系統(tǒng)在室內(nèi)壓差控制上一般采用固定空調(diào)送風量的方式，由控制系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)室內(nèi)的靜壓大小，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中回風閥的開度大小及系統(tǒng)的回風量，從而對室內(nèi)靜壓值進行調(diào)節(jié)。

雙風機系統(tǒng)設(shè)置時，如送風、回風風機的風壓選擇不合理，會出現(xiàn)以下情況，進而導致室內(nèi)靜壓失控。

（1）空調(diào)回風量偏小，室內(nèi)靜壓偏高。如果排除了管道破損、漏風、過濾器阻力增高、風機傳動等原因，那往往是由于回風風機的風壓偏小造成的。

（2）空調(diào)送風量偏小，室內(nèi)靜壓偏低。同上排除硬性問題后，應(yīng)考慮送風風機的風壓是否偏小，亦或是回風量太小導致的送風量的降低。

故雙風機的風機風壓應(yīng)通過詳細的風管水力計算，同時在一定余量考慮下合理選擇。

3.2 風機控制

雙風機串聯(lián)系統(tǒng)是混合式凈化空調(diào)系統(tǒng)的主要形式，由于是兩個風機串聯(lián)運行，對于兩個風機的匹配和運行控制有著比單風機空調(diào)系統(tǒng)更高的技術(shù)要求。

當回風機選用不當，而使得風壓過大時，會使新風口形成正壓，導致新風進不來[4]。新風閥、回風閥、排風閥三閥之間按比例自動調(diào)節(jié)難度較大。

相對單風機系統(tǒng)而言，雙風機系統(tǒng)在初投資跟安裝調(diào)試上都有更高的要求，運行管理便利性也略遜一籌。此外，由于在過渡季新風量的增大，加大了粗效過濾器及末端高效過濾器的容塵負擔，使之壽命縮短。

4 結(jié)束語

雙風機系統(tǒng)并非適用于所有車間及工況，且由于其初投資高，耗電量較大，相對單風機系統(tǒng)而言，雙風機系統(tǒng)在設(shè)計跟安裝調(diào)試上均有更高的要求，運行管理的便利性上也略遜一籌。但節(jié)能上的優(yōu)越性、結(jié)合凈化空調(diào)設(shè)計的適用性也是其得天獨厚的優(yōu)勢所在。在設(shè)計前應(yīng)先對雙風機系統(tǒng)設(shè)置是否合理進行技術(shù)經(jīng)濟比較。同時在沙塵暴易發(fā)地區(qū)，過渡季節(jié)時間較短的地區(qū)，室內(nèi)溫濕度精度要求較高的場合，采用雙風機系統(tǒng)也都不大適合。

在保證空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，研究和解決節(jié)能問題，已成為行業(yè)從業(yè)者共同的目標，如何在解決雙風機系統(tǒng)技術(shù)問題的同時充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢，是需要繼續(xù)探討和發(fā)展的方向。