潔凈室空調系統排風熱回收技術分析

[關鍵詞]潔凈室；空調系統；排風熱回收技術；節能性；經濟性；熱交換效率

引言

潔凈室是制藥行業提供無塵無菌條件的關鍵場所，能有效阻礙污染物傳播。為進一步優化制藥環境，需要依靠高新技術持續改進潔凈室空調排風效果，在滲透暖通自動化控制理念的同時，結合潔凈室空調能耗水平完善設計方案，使潔凈室始終保持可視化監控狀態，從而有效提高潔凈室內能量轉換的均衡性。

一、潔凈室空調系統排風能耗的影響因素

潔凈室空調系統排風能耗水平的有效把控，是制藥行業暖通自動化控制設計的重要事項。設計人員應依據影響能耗水平的主要因素完善設計方案。一般情況下，常見的因素包含機組性能參數、風機效率和關乎空調系統整體運行能量的耗電量指標。在持續運行階段，空調系統需要利用散熱方式進行排風。此時機組設備性能參數越大，往往能耗水平越小。根據已有研究顯示，機組性能參數4.5與5.5的空調系統的散熱量分別為1，034.5 kW·h/（m2·a）、982.73 kW·h/（m2·a），且該數值單位面積內每年能耗波動范圍為43.2 kW·h/m2，這進一步證實該指標屬于影響性較強的因素。風機效率的影響在65%到85%變化范圍內，且隨著風機效率逐步增加，能耗量隨之減小。另外，結合下列公式可具體了解顯熱回收及全熱回收條件下排風負荷的降幅數值（△Q），可知隨著排風量的增加，△Q也將隨之變大。

式（1）中，?表示負荷系數（0.75至0.85）， v表示熱回收機組顯熱／全熱交換效率，G表示換氣設計環節所需排風風量（m3/s），ρ表示空氣密度（kg/m3），t2、t1表示室外新風及室內設計溫度（℃），h2、h1表示室外新風及室內設計比焓值（kJ/kg）。

耗電量可以以指引設計人員在空調系統實際使用階段，合理控制運行時長，具體可參考下述公式進行計算。

式（2）中，q0表示空調電量節省數值（kW·h），T表示空調系統每日運行時長（h），D表示運行天數（d），Scop表示空調系統平均性能參數（夏季取值3.0，冬季取值2.5）。

二、潔凈室空調系統排風熱回收技術基本要求

（一）節能性好

在開展潔凈室空調系統排風設計工作時，為了縮減制藥行業運營成本，暖通自動化控制系統要求所應用的排風熱回收技術具有較高的節能性。根據《公共建筑節能設計標準GB50189-2015》有關規定，潔凈室內所運行的空調系統排風熱回收效率不宜低于60%，且送風量每小時高于3，000m3的潔凈室，其排風與新風溫度不可低于8℃。此外，還強調熱回收技術支持下，制冷交換效率應大于60%，制熱交換效率大于65%。為確保排風熱回收技術體現節能價值，還可以根據熱交換器效率分析結果進行對比研究，即顯熱效率為室外新風溫度與新風改進后溫度差值在室外室內溫差的占比率，因此可圍繞具體計算數據優選節能性相對較好的設計方案。

（二）經濟性強

除了考慮節能性，設計人員需要明確展現排風熱回收技術實施計劃的經濟效益，但熱回收技術種類多樣，且不同技術特征不一致，為進一步提高經濟效益，需要加強經濟性的合理化分析。此次研究以熱管式、熱泵式、循環式及溶液吸收式熱回收技術為研究重點，其中熱管式使用壽命較長，阻力范圍在100 Pa至500 Pa，無耗能與交叉污染情況，且具備高回收效率優勢，所以本身擁有突出的經濟性。因此，為了節省投資成本，設計人員可以采用排風熱回收技術，在直觀總結排風熱回收技術特點的基礎上，結合回收周期（B）及年運行費用（A）等指標進行評估。

A=H（a+b）（3）

B=Z/q（4）

式（3）中，H表示電價（元/kW·h），a表示夏季機組耗電量（kW·h），b表示冬季機組耗電量（kW·h）。式（4）中，Z表示潔凈室空調系統排風熱回收裝置初期投資金額（元），q表示年節省運行費用（元）。

三、潔凈室空調系統排風熱回收技術要點

（一）排風余熱回收技術

針對制藥行業所建的潔凈室中空調系統進行優化設計時，具體可運用排風余熱回收技術以盡可能減少散熱量，避免空調系統出現熱量過多散失的問題。具體而言，技術人員可以在潔凈室內安裝溶液吸收式換熱器，將該裝置與空調系統實施互聯設計。經由此裝置合理運行能夠有效促進熱介質高效交換，使排風在加熱條件下得以充分回收；同時在該技術支持下，可建立相互隔斷的設計場景，充分防范交叉污染的風險。該裝置在現實環境的應用中具備無接觸式運行特征，能夠實現全熱回收，即使在嚴寒環境中，也不會因結霜削弱綜合性能。關于熱回收熱量（Q）的有關計算，可通過下列公式予以分析：

式（5）中，Gf表示排風余熱回收技術應用后對應新風風量（m3/h），τ表示運行時間（h），d表示微積分函數。另外，隨著運行時間的延長，該技術還會引起一定能耗，此時也要考慮此能耗對整個空調系統能耗水平的具體影響。

式（6）中，E表示排風余熱回收技術應用后一個周期內的增加能耗量（kW·h），G表示風量（m3/h），ΔP表示空氣側阻力（Pa），？e表示風機綜合效率（多取值50%），Ee表示驅動條件下動力能耗（kW·h），盡表示新風預熱能耗（kW·h）。

實際上，之所以要考慮自身能耗量，是因為在潔凈室內，空調系統安裝排風余熱回收裝置后，可能會加大排風阻力，從而提高能耗水平，并且持續運行有可能增加運行成本。因此，要想展現排風余熱回收技術的實用價值，應搭配“旁通管”以應對能耗水平提高的風險。尤其是在嚴寒區域使用該技術回收排風熱量，還可采用熱水盤管預熱手段減少能耗，盡可能提供至少5℃的預熱條件。為進一步節約成本，設計人員應提醒潔凈室空調系統管理者兼顧室外溫度環境來確定是否啟動預熱處理功能。一般若室外溫度在零下10℃以下，此時需充分運用預熱功能，反之可不進行預熱處理。例如在上海賽比曼廠房設計活動中，為實現空調系統高效節能運行，可以推進預熱管理計劃，尤其在研發新品疫苗產品時，更要結合疫苗研發所需溫度條件合理控溫。

（二）雙極熱管熱回收技術

除了應用溶液吸收式熱回收技術，雙極熱管熱回收技術同樣具有較強的適用性。在實際應用階段，該技術實則是借助熱管換熱器（2套）以實現空調排風量的有效回收，使回收后的熱量再度成為送風能量，具體結構如圖1所示。不僅如此，不同季節往往具有相應的工況模式。如圖2所示，在夏季運行中，空調多以制冷為主，此時W點變化到W’點，對應換熱管蒸發功能逐漸增強。隨后開啟除濕功能后，能夠轉換為L狀態，隨即經過冷凝處理后形成O點狀態。在冬季工況模式時，將啟動單一熱管運行狀態，并隨著室外空氣的變化完成在W、W'不同狀態下的變化，使得空調系統排風始終具備顯熱交換效果。無論是在哪一種運行工況下，該技術都能展現出顯著的節能價值。

值得注意的是，為保證此技術與制藥行業實際需求相契合，還要根據區域環境設定溫度參數。以北方地區為例，在空調系統運行期間，夏日新風及室內排風入口溫度可分別調節為34℃與26℃，基本與戶外溫度持平。經過預冷處理后，溫度將出現8℃左右的降幅，隨即進行預熱處理，使溫度保持在合乎制藥廠房所需條件內。而冬日里空調系統啟動時，對應的入口溫度宜在5℃、22℃左右，并應在預熱處理后回溫至14℃。此外，為搭配空調系統排風雙極熱管熱回收裝置選擇管材時，應盡量選擇不易出現冷凝反應的熱管材料，同時加強對裝置管材性能的有效維護。例如被廣泛應用的R134a材質，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℃溫度區間內保持良好穩定性，能夠為該技術提供有效支撐。關于肋片等配件的應用，則可參考下列公式優選參數。

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）。設計人員在應用此技術期間，務必做好配件優化配置工作，使空調系統排風量得到切實控制，賦予潔凈室高效節能服務保障。

（三）熱泵排風熱回收技術

在上述兩種排風熱回收技術之上，還可以針對潔凈室空調系統安裝熱泵式熱回收裝置，這同樣能夠產生高效熱轉換效果。該技術在應用后能優化空調系統排風性能，依靠熱泵結構縮短換熱周期。相比傳統意義上使用的轉輪式換熱器，在該技術支撐下的空調系統至少能夠獲得70%的節能效果，且在低溫氣候下也能表現出使用優勢。為驗證技術可行性，可開設熱泵開啟與否對比實驗，從中判定熱泵啟動前后是否具有增效價值。

熱泵啟動后，能夠在熱泵作用下達成全熱交換條件，此時可獲得約80%的綜合換熱效率。與未啟動熱泵下的空調系統排風性能比較，雖然新風出口溫度有一定降幅，但增設熱泵后能減輕散熱過程引發的熱量損耗風險。在對顯熱換熱效率條件下對應排風氣流干球溫度（ε）進行分析時，可參考以下公式，根據室外新風及新風換熱后、室內排風對應狀態參數（x1、x2、x3）、送風氣流量（ms）、最小氣流量（mmin）等參數進行計算。

因熱泵使用期間可能形成能耗，故還需根據壓縮機功耗變化情況確定其是否符合預期投資標準。設計人員可協助潔凈室空調系統負責人找到滿足上述兩項基本要求的最佳熱回收技術，并在恰當時機內開啟熱泵，以期最大程度削弱壓縮機等熱泵自帶結構引發的功耗缺陷。

（四）液體循環式熱回收技術

液體循環式熱回收技術在原理上與上述提及的溶液吸收式熱回收技術存在相似性，都是以液體介質回收新風，使空調系統排風量得以回收利用。這樣既有穩定性強的優勢，又擁有較長的使用壽命，可延長潔凈室空調系統排風裝置更換周期。關于該技術，具體可圍繞調節標準分為帶風量、帶水量兩種循環式熱回收模式。

設計人員在設計該技術應用計劃時，主要可從熱回收裝置型式及材質兩個方面著手，前者可以多選配高資質廠家生產的空調機組設備，并以排風聯合新風機組方式增強熱回收性能。后者則可以要求潔凈室空調系統配置的熱管不含鋅成分材質。同時，還需購置膨脹罐等輔助配件，以20 m左右間距布置液體循環管路，確保制藥廠具備有利的無菌生產條件。

為進一步確認該技術是否滿足經濟性與節能性雙重要求，還可開設模擬實驗：假設在排風量為每小時3，000 m3的潔凈室內應用液體循環式熱回收裝置，需要配置8組空調機組才會達到每小時70，000 m3的新排風總量。相比傳統機組經濟效益，顯然此技術更能滿足高效運行需求。

結語

潔凈室空調系統能耗水平多與機組性能參數、風機效率及耗電量相關。故在暖通自動化控制設計階段，工作人員應遵循節能性、經濟性的基本要求，充分運用排風熱回收技術，以排風余熱回收、雙極熱管熱回收、熱泵排風熱回收、液體循環式熱回收等為技術要點，優化空調系統運行狀態，使潔凈室內空調系統能耗水平得以降低，為制藥行業的可持續發展創造條件。