生物制藥GMP潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的耗能特點和節(jié)能措施

一、潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的特點

潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)之所以與一般民用建筑的空調(diào)系統(tǒng)不同，是因為它對潔凈區(qū)域的潔凈度要求很高。潔凈廠房內(nèi)，如果由于空氣潔凈度級別、壓力梯度、甚至溫濕度超標(biāo)，都有可能導(dǎo)致污染的發(fā)生。根據(jù)GMP對潔凈廠房的要求，潔凈廠房在運行期間，必須保持相應(yīng)的潔凈度級別和壓力梯度。同時，還對溫度、濕度、震動、噪音、新風(fēng)量、外排風(fēng)等都有不同程度的要求。因此，潔凈廠房空調(diào)凈化系統(tǒng)(包括送、排風(fēng)系統(tǒng))在運行時，要求與其配套的冷、熱源及相應(yīng)的各級空氣行，以滿足GMP對潔凈廠房的工作環(huán)境要求。這些要求，也與一般民用建筑空調(diào)系統(tǒng)極其不同。長時間的高要求運行也使其耗能較高。因此，潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能更具有潛力和意義。

二、潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的耗能的特點

為了減小潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的耗能，首先要對其耗能的特點進(jìn)行分析。

1、送風(fēng)量大

必要的潔凈度級別和壓力梯度，是保證GMP潔凈廠房在生產(chǎn)過程中防止產(chǎn)生污染的首要條件，也是GMP潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時的首要目標(biāo)，這一目標(biāo)必須依靠很高的送、排風(fēng)量實現(xiàn)，是以高耗能為代價的。就送風(fēng)量而言，一般的寫字樓中央空調(diào)要求換氣次數(shù)為10h-1左右，而大規(guī)模的GMP潔凈廠房內(nèi)，為了滿足相應(yīng)的潔凈度級別，要求GMP潔凈廠房內(nèi)必須保持很高的換氣次數(shù)，致使送排風(fēng)量非常大。100級潔凈室的換氣次數(shù)一般要求是400h-1，10000級潔凈室的換氣次數(shù)一般要求是40 h-1，100000級潔凈室的換氣次數(shù)一般也要達(dá)到30 h-1。

2、新風(fēng)負(fù)荷大

在GMP潔凈廠房中，某些區(qū)域必須用全新風(fēng)系統(tǒng)，如化學(xué)、生物制劑車間，為了防止生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)積累和逃逸，就必須保持這類潔凈室的全負(fù)壓全新風(fēng)狀態(tài)，同時還必須在排風(fēng)系統(tǒng)中也安裝高效過濾單元，這就加大了系統(tǒng)的新風(fēng)量消耗和壓力損失。潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷中，新風(fēng)負(fù)荷所占比重最大，通?？梢赃_(dá)到總體冷熱負(fù)荷的20％～70％之多。

3、系統(tǒng)冷熱負(fù)荷大

在GMP潔凈廠房中，除了維持潔凈廠房潔凈室內(nèi)規(guī)定的溫度需要消耗一定的冷熱負(fù)荷外，GMP潔凈廠房的設(shè)備，根據(jù)所產(chǎn)產(chǎn)品和工藝的不同，有些生產(chǎn)過程所需的設(shè)備需要消毒滅菌、或者需要在與環(huán)境溫度有較大的溫差下運行。這些設(shè)備在消毒，發(fā)酵、恒溫培養(yǎng)、低溫儲存的過程中會釋放大量的冷熱能，這就需要消耗額外的冷熱負(fù)荷。

總之，潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)具有送風(fēng)量大、排風(fēng)量大、新風(fēng)負(fù)荷大、工藝設(shè)備產(chǎn)熱大、送排風(fēng)系統(tǒng)阻力大和風(fēng)機(jī)靜壓高的特點，這些特點導(dǎo)致了潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的耗能較高。

三、節(jié)能措施

GMP潔凈廠房的空調(diào)系統(tǒng)雖然有別于一般民用建筑空調(diào)系統(tǒng)，但都具有送排風(fēng)單元、送排風(fēng)管路、制冷制熱系統(tǒng)等組成。因此，在送排風(fēng)單元中選用高效節(jié)能驅(qū)動設(shè)備、送排風(fēng)管路圍護(hù)采取高效保溫措施、過濾單元選用低阻長效產(chǎn)品、制冷、加熱系統(tǒng)選用節(jié)能設(shè)備等，都可以取得很好的節(jié)能效果。同時，GMP潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)又有自己的特點，也就具有獨特的節(jié)能方式。

1、潔凈風(fēng)量與空氣調(diào)節(jié)風(fēng)量分開

潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)往潔凈室輸送的風(fēng)量中，一是要進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)(對空氣進(jìn)行溫、濕度處理，以滿足潔凈室的溫、濕度要求)；二是要進(jìn)行空氣凈化（空氣過濾凈化滿足潔凈室的潔凈度要求)。一般情況下凈化風(fēng)量大大超過空氣調(diào)節(jié)風(fēng)量。假如讓空調(diào)系統(tǒng)同時進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)和空氣凈化的作用，即空氣調(diào)節(jié)風(fēng)量和凈化風(fēng)量不區(qū)分，所有的回風(fēng)都經(jīng)由空調(diào)箱統(tǒng)一處理。如此非常大的風(fēng)量經(jīng)由回風(fēng)管路系統(tǒng)返回空氣處理設(shè)備時，阻力會很大，風(fēng)機(jī)耗能急劇增大。冷熱抵消，造成不必要的浪費。而假如把送風(fēng)量中的空氣調(diào)節(jié)風(fēng)量和凈化風(fēng)量分開處理，凈化風(fēng)量可就近進(jìn)行過濾處理，大大縮短凈化風(fēng)量輸送管道長度，減少輸送耗能；而對于空氣調(diào)節(jié)風(fēng)量，由于風(fēng)量變小，可以減少空氣冷熱處理耗能，同時也可以減小輸送斷面和輸送耗能。

2、合理布局和選材，做好絕熱措施，減少冷熱損失

GMP潔凈廠房針對不同的生產(chǎn)工藝對潔凈室的溫度有具體要求，在廠房布局規(guī)劃時，針對溫度級別需求不同的潔凈室應(yīng)按照生產(chǎn)工藝做合理布局，防止出現(xiàn)大溫差的潔凈室相鄰布置，從而杜絕冷熱量互相傳遞導(dǎo)致的能源損耗。有研究表明，當(dāng)潔凈廠房壁板結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差每上升1℃，熱傳遞損失將增加0.6％。當(dāng)相鄰潔凈室溫度差不可避免時，應(yīng)選用低傳導(dǎo)材質(zhì)壁板結(jié)構(gòu)，也能很好的阻止熱傳遞損失的增加。當(dāng)潔凈廠房內(nèi)設(shè)備處于消毒、發(fā)酵、恒溫培養(yǎng)及低溫儲存的過程時，與潔凈室內(nèi)的環(huán)境溫度存在溫度差，為了減少這些設(shè)備的冷熱釋放，應(yīng)對這些設(shè)備采取保溫絕熱措施。以減少潔凈室的冷熱負(fù)荷消耗。綜上所述，潔凈室廠房的合理布局和壁板合理選材以及潔凈廠房熱源設(shè)施的保溫絕熱，都對潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能有著重要的意義。

3、合理的氣流組織

凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量取決于潔凈廠房潔凈室的換氣次數(shù)和房間體積。因此，減少系統(tǒng)的送風(fēng)量可以從減少換氣次數(shù)和減小潔凈室空間兩方面入手。換氣次數(shù)的多少取決于潔凈度級別和氣流組織。

對潔凈室內(nèi)的空氣流動形態(tài)和分布進(jìn)行合理的設(shè)計，稱作氣流流型。潔凈室的氣流流型主要分為三類：單向流、非單向流、混合流。單向流潔凈室的氣流是從室內(nèi)的送風(fēng)一側(cè)平穩(wěn)地流向其相對應(yīng)的回風(fēng)一側(cè)，因此，能得到很高的潔凈度。但其要求的風(fēng)量大，耗能也大。非單向流的氣流速度、方向在潔凈室內(nèi)不同地方不同，把通過高效過濾器處理的潔凈空氣輸送進(jìn)潔凈室從而將污染物沖淡稀釋，以保持室內(nèi)所需的空氣潔凈度等級。混合流是將單向流和非單向流在潔凈室內(nèi)組合使用，其特點是：在需要空氣潔凈度嚴(yán)格的部位采用單向流流型，其他則為非單向流流型，這樣既滿足了使用要求，也節(jié)省了設(shè)備投資。

為了實現(xiàn)潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，應(yīng)根據(jù)廠房內(nèi)不同區(qū)域?qū)崈舳鹊燃壍牟煌?，采用相?yīng)的氣流組織方式?？赏ㄟ^CFD模擬等手段，進(jìn)行科學(xué)的氣流組織，可以合理的降低潔凈室均勻氣流速度，換氣次數(shù)，降低送風(fēng)量，從而降低系統(tǒng)耗能。

4、設(shè)置局部高級別凈化區(qū)域

設(shè)置局部高級別凈化區(qū)域，一方面，可以降低同一潔凈室非核心區(qū)域的凈化等級；另一方面，還可以減少和有效控制人員對高級別凈化區(qū)域的影響。把潔凈度級別要求高的凈化區(qū)域與周圍潔凈度級別要求不高的凈化區(qū)域加以物理分割，即對重點凈化區(qū)域采用圍護(hù)的方式與周圍區(qū)域隔離，這樣，可以減少單向流的凈化面積。例如：在潔凈室的操作臺區(qū)域、疫苗分裝的核心區(qū)域通常設(shè)置單向流層流罩等局部凈化區(qū)域。同時，在單向流凈化區(qū)域周圍設(shè)置垂簾圍擋。由于單向流能夠得到很高的潔凈度，這樣即滿足了核心區(qū)域的高潔凈度級別要求。又降低了非核心區(qū)域的潔凈度級別，從而減輕了空調(diào)系統(tǒng)的凈化量，達(dá)到降低耗能的作用。

5、減少新風(fēng)量

因為在潔凈廠房的空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)負(fù)荷占有較大比例，因此，減少新風(fēng)量，對降低潔凈空調(diào)系統(tǒng)的耗能有著重要意義。

要減少系統(tǒng)的新風(fēng)量，首先要減少系統(tǒng)的排風(fēng)量。在GMP潔凈廠房中，根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品和工藝的不同，尤其是化學(xué)制劑的生產(chǎn)中，要使用大量的酸、堿及有機(jī)溶劑，會產(chǎn)生各種有毒有害氣體。對此，應(yīng)盡量采用局部排風(fēng)。用足夠的局部排風(fēng)，控制有害氣體的擴(kuò)散，并將其排至室外。根據(jù)有害氣體產(chǎn)生的場所結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在不妨礙工藝流程的情況下，可以設(shè)置各種相應(yīng)的排氣罩。同時為減少有害氣體的擴(kuò)散，排風(fēng)口應(yīng)盡量靠近有害氣體產(chǎn)生部位。

GMP潔凈廠房根據(jù)工藝要求，不同潔凈度級別潔凈室要維持必要的壓力梯度，而壓力梯度的保持與送排風(fēng)風(fēng)量的動態(tài)平衡及潔凈室的密封性有關(guān)。在假設(shè)空調(diào)凈化系統(tǒng)漏風(fēng)為零的情況下，在完全循環(huán)風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)消耗將趨向零。因此，保持系統(tǒng)的氣密性，也是減少空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量需求的重要因素。在凈化空調(diào)系統(tǒng)的施工過程中，做好送排風(fēng)管路及空調(diào)機(jī)箱的氣密性施工和驗證、選用氣密性優(yōu)良的潔凈室門窗、做好潔凈室壁板的拼板施工及板縫封膠、做好潔凈室管線設(shè)施的穿墻密封等都能杜絕系統(tǒng)漏風(fēng)。同時，優(yōu)良的系統(tǒng)氣密性也對保證潔凈室的潔凈度級別有幫助。

6、系統(tǒng)風(fēng)量、溫濕度精確控制

從節(jié)能的角度分析，潔凈室的送風(fēng)量應(yīng)該是保持潔凈室必要的潔凈度級別、潔凈室的溫度、濕度的最小送風(fēng)量。由于各種原因，系統(tǒng)中的風(fēng)量和溫濕度是經(jīng)常變化的。這就要求凈化空調(diào)的控制系統(tǒng)，及時根據(jù)潔凈室壓差、風(fēng)流量的變化以及溫濕度變化做出實時的送風(fēng)量、溫濕度調(diào)整，在保證必要的壓力梯度和潔凈度級別的情況下，盡可能的降低送風(fēng)量，從而減少耗能損失。通常，可在凈化空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)管、送風(fēng)管處設(shè)風(fēng)量傳感變送器、溫濕度傳感器，并與監(jiān)測潔凈室房間壓力的微壓差變送器相配合，將檢測信號送至凈化空調(diào)系統(tǒng)的PLC控制器，并利用十分成熟的變頻節(jié)能驅(qū)動技術(shù)，實時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)量的最優(yōu)化運行。同時，可利用PLC參照作息時間，適時調(diào)整凈化空調(diào)系統(tǒng)運行工況，讓凈化空調(diào)系統(tǒng)在非工作時間，處于低耗運行狀態(tài)。這些措施，都能起到降低潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)耗能目的。

當(dāng)然，正如前面所說的，GMP潔凈廠房的凈化空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能還包括很多其他方面。本文只是根據(jù)GMP潔凈廠房凈化空調(diào)系統(tǒng)的特點，討論其相應(yīng)的節(jié)能措施。與一般空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能相同的其他方面，已有很多文章做了較多的探討，本文不再贅述。