潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收技術(shù)分析

[關(guān)鍵詞]潔凈室；空調(diào)系統(tǒng)；排風(fēng)熱回收技術(shù)；節(jié)能性；經(jīng)濟(jì)性；熱交換效率

引言

潔凈室是制藥行業(yè)提供無(wú)塵無(wú)菌條件的關(guān)鍵場(chǎng)所，能有效阻礙污染物傳播。為進(jìn)一步優(yōu)化制藥環(huán)境，需要依靠高新技術(shù)持續(xù)改進(jìn)潔凈室空調(diào)排風(fēng)效果，在滲透暖通自動(dòng)化控制理念的同時(shí)，結(jié)合潔凈室空調(diào)能耗水平完善設(shè)計(jì)方案，使?jié)崈羰沂冀K保持可視化監(jiān)控狀態(tài)，從而有效提高潔凈室內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的均衡性。

一、潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能耗的影響因素

潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能耗水平的有效把控，是制藥行業(yè)暖通自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的重要事項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)影響能耗水平的主要因素完善設(shè)計(jì)方案。一般情況下，常見的因素包含機(jī)組性能參數(shù)、風(fēng)機(jī)效率和關(guān)乎空調(diào)系統(tǒng)整體運(yùn)行能量的耗電量指標(biāo)。在持續(xù)運(yùn)行階段，空調(diào)系統(tǒng)需要利用散熱方式進(jìn)行排風(fēng)。此時(shí)機(jī)組設(shè)備性能參數(shù)越大，往往能耗水平越小。根據(jù)已有研究顯示，機(jī)組性能參數(shù)4.5與5.5的空調(diào)系統(tǒng)的散熱量分別為1，034.5 kW·h/（m2·a）、982.73 kW·h/（m2·a），且該數(shù)值單位面積內(nèi)每年能耗波動(dòng)范圍為43.2 kW·h/m2，這進(jìn)一步證實(shí)該指標(biāo)屬于影響性較強(qiáng)的因素。風(fēng)機(jī)效率的影響在65%到85%變化范圍內(nèi)，且隨著風(fēng)機(jī)效率逐步增加，能耗量隨之減小。另外，結(jié)合下列公式可具體了解顯熱回收及全熱回收條件下排風(fēng)負(fù)荷的降幅數(shù)值（△Q），可知隨著排風(fēng)量的增加，△Q也將隨之變大。

式（1）中，?表示負(fù)荷系數(shù)（0.75至0.85）， v表示熱回收機(jī)組顯熱／全熱交換效率，G表示換氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所需排風(fēng)風(fēng)量（m3/s），ρ表示空氣密度（kg/m3），t2、t1表示室外新風(fēng)及室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度（℃），h2、h1表示室外新風(fēng)及室內(nèi)設(shè)計(jì)比焓值（kJ/kg）。

耗電量可以以指引設(shè)計(jì)人員在空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際使用階段，合理控制運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，具體可參考下述公式進(jìn)行計(jì)算。

式（2）中，q0表示空調(diào)電量節(jié)省數(shù)值（kW·h），T表示空調(diào)系統(tǒng)每日運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)（h），D表示運(yùn)行天數(shù)（d），Scop表示空調(diào)系統(tǒng)平均性能參數(shù)（夏季取值3.0，冬季取值2.5）。

二、潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收技術(shù)基本要求

（一）節(jié)能性好

在開展?jié)崈羰铱照{(diào)系統(tǒng)排風(fēng)設(shè)計(jì)工作時(shí)，為了縮減制藥行業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，暖通自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求所應(yīng)用的排風(fēng)熱回收技術(shù)具有較高的節(jié)能性。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015》有關(guān)規(guī)定，潔凈室內(nèi)所運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收效率不宜低于60%，且送風(fēng)量每小時(shí)高于3，000m3的潔凈室，其排風(fēng)與新風(fēng)溫度不可低于8℃。此外，還強(qiáng)調(diào)熱回收技術(shù)支持下，制冷交換效率應(yīng)大于60%，制熱交換效率大于65%。為確保排風(fēng)熱回收技術(shù)體現(xiàn)節(jié)能價(jià)值，還可以根據(jù)熱交換器效率分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，即顯熱效率為室外新風(fēng)溫度與新風(fēng)改進(jìn)后溫度差值在室外室內(nèi)溫差的占比率，因此可圍繞具體計(jì)算數(shù)據(jù)優(yōu)選節(jié)能性相對(duì)較好的設(shè)計(jì)方案。

（二）經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)

除了考慮節(jié)能性，設(shè)計(jì)人員需要明確展現(xiàn)排風(fēng)熱回收技術(shù)實(shí)施計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)效益，但熱回收技術(shù)種類多樣，且不同技術(shù)特征不一致，為進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，需要加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性的合理化分析。此次研究以熱管式、熱泵式、循環(huán)式及溶液吸收式熱回收技術(shù)為研究重點(diǎn)，其中熱管式使用壽命較長(zhǎng)，阻力范圍在100 Pa至500 Pa，無(wú)耗能與交叉污染情況，且具備高回收效率優(yōu)勢(shì)，所以本身?yè)碛型怀龅慕?jīng)濟(jì)性。因此，為了節(jié)省投資成本，設(shè)計(jì)人員可以采用排風(fēng)熱回收技術(shù)，在直觀總結(jié)排風(fēng)熱回收技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合回收周期（B）及年運(yùn)行費(fèi)用（A）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

A=H（a+b）（3）

B=Z/q（4）

式（3）中，H表示電價(jià)（元/kW·h），a表示夏季機(jī)組耗電量（kW·h），b表示冬季機(jī)組耗電量（kW·h）。式（4）中，Z表示潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收裝置初期投資金額（元），q表示年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用（元）。

三、潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收技術(shù)要點(diǎn)

（一）排風(fēng)余熱回收技術(shù)

針對(duì)制藥行業(yè)所建的潔凈室中空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，具體可運(yùn)用排風(fēng)余熱回收技術(shù)以盡可能減少散熱量，避免空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)熱量過(guò)多散失的問(wèn)題。具體而言，技術(shù)人員可以在潔凈室內(nèi)安裝溶液吸收式換熱器，將該裝置與空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施互聯(lián)設(shè)計(jì)。經(jīng)由此裝置合理運(yùn)行能夠有效促進(jìn)熱介質(zhì)高效交換，使排風(fēng)在加熱條件下得以充分回收；同時(shí)在該技術(shù)支持下，可建立相互隔斷的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，充分防范交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。該裝置在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的應(yīng)用中具備無(wú)接觸式運(yùn)行特征，能夠?qū)崿F(xiàn)全熱回收，即使在嚴(yán)寒環(huán)境中，也不會(huì)因結(jié)霜削弱綜合性能。關(guān)于熱回收熱量（Q）的有關(guān)計(jì)算，可通過(guò)下列公式予以分析：

式（5）中，Gf表示排風(fēng)余熱回收技術(shù)應(yīng)用后對(duì)應(yīng)新風(fēng)風(fēng)量（m3/h），τ表示運(yùn)行時(shí)間（h），d表示微積分函數(shù)。另外，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，該技術(shù)還會(huì)引起一定能耗，此時(shí)也要考慮此能耗對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗水平的具體影響。

式（6）中，E表示排風(fēng)余熱回收技術(shù)應(yīng)用后一個(gè)周期內(nèi)的增加能耗量（kW·h），G表示風(fēng)量（m3/h），ΔP表示空氣側(cè)阻力（Pa），？e表示風(fēng)機(jī)綜合效率（多取值50%），Ee表示驅(qū)動(dòng)條件下動(dòng)力能耗（kW·h），盡表示新風(fēng)預(yù)熱能耗（kW·h）。

實(shí)際上，之所以要考慮自身能耗量，是因?yàn)樵跐崈羰覂?nèi)，空調(diào)系統(tǒng)安裝排風(fēng)余熱回收裝置后，可能會(huì)加大排風(fēng)阻力，從而提高能耗水平，并且持續(xù)運(yùn)行有可能增加運(yùn)行成本。因此，要想展現(xiàn)排風(fēng)余熱回收技術(shù)的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)搭配“旁通管”以應(yīng)對(duì)能耗水平提高的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是在嚴(yán)寒區(qū)域使用該技術(shù)回收排風(fēng)熱量，還可采用熱水盤管預(yù)熱手段減少能耗，盡可能提供至少5℃的預(yù)熱條件。為進(jìn)一步節(jié)約成本，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提醒潔凈室空調(diào)系統(tǒng)管理者兼顧室外溫度環(huán)境來(lái)確定是否啟動(dòng)預(yù)熱處理功能。一般若室外溫度在零下10℃以下，此時(shí)需充分運(yùn)用預(yù)熱功能，反之可不進(jìn)行預(yù)熱處理。例如在上海賽比曼廠房設(shè)計(jì)活動(dòng)中，為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行，可以推進(jìn)預(yù)熱管理計(jì)劃，尤其在研發(fā)新品疫苗產(chǎn)品時(shí)，更要結(jié)合疫苗研發(fā)所需溫度條件合理控溫。

（二）雙極熱管熱回收技術(shù)

除了應(yīng)用溶液吸收式熱回收技術(shù)，雙極熱管熱回收技術(shù)同樣具有較強(qiáng)的適用性。在實(shí)際應(yīng)用階段，該技術(shù)實(shí)則是借助熱管換熱器（2套）以實(shí)現(xiàn)空調(diào)排風(fēng)量的有效回收，使回收后的熱量再度成為送風(fēng)能量，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。不僅如此，不同季節(jié)往往具有相應(yīng)的工況模式。如圖2所示，在夏季運(yùn)行中，空調(diào)多以制冷為主，此時(shí)W點(diǎn)變化到W’點(diǎn)，對(duì)應(yīng)換熱管蒸發(fā)功能逐漸增強(qiáng)。隨后開啟除濕功能后，能夠轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)狀態(tài)，隨即經(jīng)過(guò)冷凝處理后形成O點(diǎn)狀態(tài)。在冬季工況模式時(shí)，將啟動(dòng)單一熱管運(yùn)行狀態(tài)，并隨著室外空氣的變化完成在W、W'不同狀態(tài)下的變化，使得空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)始終具備顯熱交換效果。無(wú)論是在哪一種運(yùn)行工況下，該技術(shù)都能展現(xiàn)出顯著的節(jié)能價(jià)值。

值得注意的是，為保證此技術(shù)與制藥行業(yè)實(shí)際需求相契合，還要根據(jù)區(qū)域環(huán)境設(shè)定溫度參數(shù)。以北方地區(qū)為例，在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，夏日新風(fēng)及室內(nèi)排風(fēng)入口溫度可分別調(diào)節(jié)為34℃與26℃，基本與戶外溫度持平。經(jīng)過(guò)預(yù)冷處理后，溫度將出現(xiàn)8℃左右的降幅，隨即進(jìn)行預(yù)熱處理，使溫度保持在合乎制藥廠房所需條件內(nèi)。而冬日里空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的入口溫度宜在5℃、22℃左右，并應(yīng)在預(yù)熱處理后回溫至14℃。此外，為搭配空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)雙極熱管熱回收裝置選擇管材時(shí)，應(yīng)盡量選擇不易出現(xiàn)冷凝反應(yīng)的熱管材料，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)裝置管材性能的有效維護(hù)。例如被廣泛應(yīng)用的R134a材質(zhì)，主要因其含有鐵、銅、鋁等金屬成分，具備不可燃及低毒性特征，能夠在零下20-100℃溫度區(qū)間內(nèi)保持良好穩(wěn)定性，能夠?yàn)樵摷夹g(shù)提供有效支撐。關(guān)于肋片等配件的應(yīng)用，則可參考下列公式優(yōu)選參數(shù)。

式（7）中，Af表示肋片表面積（mm2），e表示肋片間距（mm），S1與S2表示管間距與排間距（mm），de表示基管外徑（mm）。式（8）中，Ap表示肋片間基管外表面積（mm2），δ表示肋片厚度（mm）。設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用此技術(shù)期間，務(wù)必做好配件優(yōu)化配置工作，使空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)量得到切實(shí)控制，賦予潔凈室高效節(jié)能服務(wù)保障。

（三）熱泵排風(fēng)熱回收技術(shù)

在上述兩種排風(fēng)熱回收技術(shù)之上，還可以針對(duì)潔凈室空調(diào)系統(tǒng)安裝熱泵式熱回收裝置，這同樣能夠產(chǎn)生高效熱轉(zhuǎn)換效果。該技術(shù)在應(yīng)用后能優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)性能，依靠熱泵結(jié)構(gòu)縮短換熱周期。相比傳統(tǒng)意義上使用的轉(zhuǎn)輪式換熱器，在該技術(shù)支撐下的空調(diào)系統(tǒng)至少能夠獲得70%的節(jié)能效果，且在低溫氣候下也能表現(xiàn)出使用優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證技術(shù)可行性，可開設(shè)熱泵開啟與否對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從中判定熱泵啟動(dòng)前后是否具有增效價(jià)值。

熱泵啟動(dòng)后，能夠在熱泵作用下達(dá)成全熱交換條件，此時(shí)可獲得約80%的綜合換熱效率。與未啟動(dòng)熱泵下的空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)性能比較，雖然新風(fēng)出口溫度有一定降幅，但增設(shè)熱泵后能減輕散熱過(guò)程引發(fā)的熱量損耗風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)顯熱換熱效率條件下對(duì)應(yīng)排風(fēng)氣流干球溫度（ε）進(jìn)行分析時(shí)，可參考以下公式，根據(jù)室外新風(fēng)及新風(fēng)換熱后、室內(nèi)排風(fēng)對(duì)應(yīng)狀態(tài)參數(shù)（x1、x2、x3）、送風(fēng)氣流量（ms）、最小氣流量（mmin）等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

因熱泵使用期間可能形成能耗，故還需根據(jù)壓縮機(jī)功耗變化情況確定其是否符合預(yù)期投資標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可協(xié)助潔凈室空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人找到滿足上述兩項(xiàng)基本要求的最佳熱回收技術(shù)，并在恰當(dāng)時(shí)機(jī)內(nèi)開啟熱泵，以期最大程度削弱壓縮機(jī)等熱泵自帶結(jié)構(gòu)引發(fā)的功耗缺陷。

（四）液體循環(huán)式熱回收技術(shù)

液體循環(huán)式熱回收技術(shù)在原理上與上述提及的溶液吸收式熱回收技術(shù)存在相似性，都是以液體介質(zhì)回收新風(fēng)，使空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)量得以回收利用。這樣既有穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，又擁有較長(zhǎng)的使用壽命，可延長(zhǎng)潔凈室空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)裝置更換周期。關(guān)于該技術(shù)，具體可圍繞調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)分為帶風(fēng)量、帶水量?jī)煞N循環(huán)式熱回收模式。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)該技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃時(shí)，主要可從熱回收裝置型式及材質(zhì)兩個(gè)方面著手，前者可以多選配高資質(zhì)廠家生產(chǎn)的空調(diào)機(jī)組設(shè)備，并以排風(fēng)聯(lián)合新風(fēng)機(jī)組方式增強(qiáng)熱回收性能。后者則可以要求潔凈室空調(diào)系統(tǒng)配置的熱管不含鋅成分材質(zhì)。同時(shí)，還需購(gòu)置膨脹罐等輔助配件，以20 m左右間距布置液體循環(huán)管路，確保制藥廠具備有利的無(wú)菌生產(chǎn)條件。

為進(jìn)一步確認(rèn)該技術(shù)是否滿足經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性雙重要求，還可開設(shè)模擬實(shí)驗(yàn)：假設(shè)在排風(fēng)量為每小時(shí)3，000 m3的潔凈室內(nèi)應(yīng)用液體循環(huán)式熱回收裝置，需要配置8組空調(diào)機(jī)組才會(huì)達(dá)到每小時(shí)70，000 m3的新排風(fēng)總量。相比傳統(tǒng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益，顯然此技術(shù)更能滿足高效運(yùn)行需求。

結(jié)語(yǔ)

潔凈室空調(diào)系統(tǒng)能耗水平多與機(jī)組性能參數(shù)、風(fēng)機(jī)效率及耗電量相關(guān)。故在暖通自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)階段，工作人員應(yīng)遵循節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性的基本要求，充分運(yùn)用排風(fēng)熱回收技術(shù)，以排風(fēng)余熱回收、雙極熱管熱回收、熱泵排風(fēng)熱回收、液體循環(huán)式熱回收等為技術(shù)要點(diǎn)，優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，使?jié)崈羰覂?nèi)空調(diào)系統(tǒng)能耗水平得以降低，為制藥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。