盧子建 何國熙

（廣州醫(yī)藥集團有限公司 廣州）

一、概述

潔凈空調系統(tǒng)是藥品生產廠房保證環(huán)境溫濕度、潔凈度符合GMP規(guī)范要求的關鍵公用系統(tǒng)，也是公用系統(tǒng)中的能耗大戶，占總能耗70%左右。藥品生產車間產塵量較大、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，以保證車間內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，特別是在高溫潮濕的南方地區(qū)，這種狀況對運行成本帶來了不可低估的影響。

使用熱能回收裝置，吸收利用排風的能量，既能達到節(jié)能降耗、低碳環(huán)保的效果，又可為企業(yè)節(jié)約運行成本。不同類型的熱能回收裝置原理和特點各異，以下結合藥品生產廠房潔凈空調系統(tǒng)的特點，對熱能回收裝置應用效果進行比較分析。

二、熱能回收裝置類型及分析

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，吸收利用建筑物內排風的余熱（冷），達到節(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）轉輪式換熱器。通過輪體旋轉過程中材料的蓄熱和放熱效應，實現兩股氣流之間熱量交換的熱回收裝置（圖1）。轉輪的蓄熱體為圓盤蜂窩狀，一般由特殊復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，因此轉輪可以對潛熱進行回收。室內排風經由轉輪入口吸入，將熱量傳遞給轉輪，新風從另一側入口吸入，轉輪旋轉將積蓄在轉輪上的熱量傳遞給新風。

（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），當進排氣兩側存在溫差和水蒸汽壓力差時就會產生濕熱交換，從而實現全熱回收。

（3）熱泵式換熱器。該換熱器由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器等一系列配套設備組成，結構與普通風冷熱泵空調系統(tǒng)基本相同（圖 3），蒸發(fā)器和冷凝器分別設在排風氣流和新風氣流中，利用排風的溫度（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。夏季，新風流過蒸發(fā)器，排風流過冷凝器；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產生相態(tài)變化和吸液芯多孔材料的毛細作用，進行熱量傳遞（圖4）。通常采用不銹鋼或銅作為熱管殼，借助工質（氨、氟利昂、丙酮、甲醇等）的相變進行熱傳遞。熱管一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段。當一端受熱時，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，而后重新凝結為液體，液體沿多孔材料以毛細作用和重力流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)，熱量不斷進行傳遞。

圖4 熱管式換熱器

（2）中間熱媒式換熱器。在新風和排風側，分別使用一個氣液換熱器，排風側的空氣流過時，對系統(tǒng)中的冷媒進行冷卻，在新風側被冷卻的冷媒將冷量轉移到進入的新風上，冷媒在泵的作用下不斷地在系統(tǒng)中循環(huán)，供熱側和受熱側通過管道連接，位置和距離不受限制。

三、熱能回收裝置效能分析

1．轉輪式換熱器

中間換熱媒介單一，換熱效率高。空氣流過轉輪時的迎風面風速越小，效率越高；反之，迎面風速越大，效率越低。通常迎面風速取2.5～4m/s。轉輪轉速和效率有一定關系，當轉速小于4r/min時，效率明顯下降；當轉速增加至10r/min以上時，效率幾乎不再發(fā)生變化。熱回收效率可達70%～80%。

2．板翹式換熱器

結構簡單，沒有傳動設備，基本上不消耗電力，運行可靠性高。新風和排風不直接接觸，減少了污染物質從排風到新風轉移，全熱回收效率可達70%。氣流在層之間流動，會使換熱膜片擾動，氣流大時，產生強大的阻力和噪聲，甚至吹破膜片，結構受氣流限制。

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、蒸發(fā)器、冷凝器等設備，結構復雜，設備投資成本高。壓縮機消耗電能，運行費用高。

4．熱管式換熱器

基本上僅能回收顯熱，不需要動力源，基本上不產生運行費用。其性能受工作時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力設備，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、潔凈空調系統(tǒng)熱能回收裝置應用分析

潔凈室溫度和相對濕度要保證藥品生產工藝要求，并保證藥品生產環(huán)境和操作人員的舒適性。藥品在潔凈室生產過程中會與空氣發(fā)生接觸，溫度對某些特殊藥品質量會產生影響，對于吸濕性物料，暴露于濕度過大的環(huán)境會出現增重現象，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控的難度，與舒適性空調系統(tǒng)著重于溫度控制相比，潔凈空調系統(tǒng)更須注重溫度、濕度控制。因此，選擇熱能回收裝置應考慮以下三方面。

1．具有全熱回收功能

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

2．熱能轉換效率高、運行費用低

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

圖5 熱回收轉輪潔凈空調系統(tǒng)

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

3．結構簡單、維護方便

潔凈空調系統(tǒng)對于藥品生產廠房來說猶如人體的肺部，呼吸不暢將直接影響整個生產系統(tǒng)的運作。潔凈度、溫度、濕度是潔凈廠房符合生產要求必須同時滿足的三個物理條件，空調系統(tǒng)的局部故障導致其中某一條件缺失，將使整個生產陷于停頓。結構過于復雜的設備運行可靠性、穩(wěn)定性通常情況下不如結構簡單的設備。藥品生產企業(yè)維護人員一般只精于工藝生產設備的維護保養(yǎng)，對公用設備的熟悉程度不如專業(yè)人員，設置過多公用設備專業(yè)維修人員由于使用效率低下而增加人力成本。因此，選用公用設備必須以結構簡單，便于維護為前提，既提高運行可靠性，又便于日常維護保養(yǎng)。

五、熱能回收裝置應用

某制藥企業(yè)生產車間，由于工藝需要，操作間空氣必須全部排出，但該工序產熱量不大，排出的空氣溫升不高，采用傳統(tǒng)全排方式浪費冷量較多。因此，在潔凈空調系統(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材料組成，雖有較好傳熱、透濕性，但大氣流、大擾動條件下隔板容易破損，新風和排風之間存在較大的交叉污染風險。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，維護保養(yǎng)難度大。轉輪式換熱器具有較高的熱回收效率、維護簡便，額外動力能耗低，比較符合藥品生產潔凈廠房空調系統(tǒng)要求。帶有熱回收轉輪裝置的潔凈空調系統(tǒng)結構見圖5。

熱回收轉輪上下兩個半圓分別處于空調風柜新風段、排風段。夏季運行時，室內低溫排風經過初效、中效過濾后，通過上半圓熱回收轉輪處理，轉輪溫度降低，水分含量減少，當上半圓轉輪轉入下半圓時進入新風段，與室外新鮮空氣接觸，轉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。

室內回風經過初效、中效過濾后再由轉輪處理，有效保證了轉輪不沾染粉塵，避免交叉污染，達到GMP規(guī)范要求。在轉輪上下以及新風、排風段之間設置旁通閥，可在進行系統(tǒng)滅菌消毒時轉換為全回風狀態(tài)。中和消毒劑時，將上下旁通閥打開，可增加新風流量迅速中和消毒劑。

以夏季運行狀況對空調系統(tǒng)采用全排不回收和熱能回收兩種方式的能耗進行對比，計算結果：全排不回收方式需表冷器冷量為562.63 kW，經過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%。