药品生产车间空调系统运行形式的选择

顾 婧

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

新版GMP规范已正式发布施行，与原标准相比，无论在洁净级别的划分、洁净区微生物指标的确定，还是对洁净生产环境的控制等方面，均有质的提高，以此规范新建或改建的药品生产车间，其空调系统总体能耗有较大上升，各药品生产企业成本负担加重，必将寻找解决或缓解的办法。

无论什么建筑，空调系统能耗主要取决于空调负荷，空调负荷分为房间负荷和系统负荷两部分，发生在空调房间内的负荷为房间负荷，而一些发生在空调房间以外的负荷，如：新风负荷、再热负荷、风管传热产生的负荷等，为系统负荷。房间负荷受建筑物的使用性质影响，新风负荷受建筑物所在地的室外参数影响，再热负荷受空调系统的运行形式影响，风管传热产生的负荷受风管的材料、保温及施工质量影响。从节约能耗方面来讲，笔者认为最关键的是要解决空调负荷中的再热负荷，即冷热抵消现象。为此，在新版的国家标准GB 50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》中也新增加了相应的条文“一般中、大型恒温恒湿类空气调节系统和对湿度有上限控制要求的空气调节系统，其空气处理的设计，应采取新风预处理，除去多余的含湿量在随后的处理中取消再热过程，杜绝冷热抵消现象”。

药品生产车间室内负荷的特点是以热负荷为主，发湿量很小可忽略不计；室内设计参数的允许波动范围：温度一般在±2℃以内，湿度的一般在±10%以内；所以，空调系统主要采用的是定新风比、定送风量的恒温恒湿净化空调系统。而目前，药品生产车间对于这类空调系统的运行形式大量运用的是再热式一次回风式，这种形式的空调系统主要优点是适用范围广，控制直观、简单，抗干扰性强等，但在新标准整体能耗上升的前提下，其能耗大，冷热抵消问题突出的缺点，需要引起药品生产企业的重视。

如何才能解决冷热抵消问题呢？笔者提出建议采用新风预处理一次回风形式的空调系统。以下将从空调负荷计算原理分析、模型计算等方面来比较两种形式的空调系统。

1 空调系统负荷计算原理分析

1.1 再热式一次回风系统夏季负荷计算

空调机组先将W点的新风与N点的回风混合成C点，把C点的空气冷却减湿处理到L点，然后再从L点加热处理到O点，最后送入房间，吸收房间负荷Q0后到N点。整个处理过程可写成：

夏季空气处理过程在焓湿图上表示如图1所示。室内状态点N，室外状态点W，混合状态点C，机器露点L，送风状态点O。

图1 再热式一次回风系统夏季处理过程

根据图1分析，该空调系统为了把风量为G的空气从C点降温减湿到L点，所需冷量即为夏季处理空气所需的总冷量；再从L点加热到O点，所需热量即为夏季处理空气所需的再加热量。即：

其中：G = GN+ GW

将（2）代入式（1），得：

式中：hN— 室内状态点N的空气比焓值 (kJ/kg ·干)

hW— 室外状态点W的空气比焓值 (kJ/kg ·干)

hC— 混合状态点C的空气比焓值 (kJ/kg ·干)

hL— 机器露点L的空气比焓值 (kJ/kg ·干)

hO— 送风状态点O的空气比焓值 (kJ/kg ·干)

G — 系统送风量 (kg/h)

GN— 系统回风量 (kg/h)

GW— 系统新风量 (kg/h)

Q-— 系统总冷量 (kW)

Q+— 系统再加热量 (kW)

从空气处理和房间所组成的系统的热平衡关系来分析，再热式一次回风系统夏季的总冷量Q+由三个部分组成：

（1）风量为G，参数为O的空气到达室内后，吸收室内的余热余湿，变化到参数为N的空气后离开房间，这部分负荷称为计算冷负荷，即房间冷负荷，其值为：

Q1= G (hN- hO) = Q0(kW)；

（2）新风GW进入系统时的焓为hW，排出时焓为hN，这部分负荷称为新风冷负荷，其值为：

Q2= GW(hW- hN) (kW)；

（3）为了减少送风温差，需要把已处理到露点的空气再一次加热，抵消这部分热量所需的冷量称为再热冷负荷，其值为：

Q3= G (hO- hL) = Q+(kW)；

上述三部分冷量之和就是系统所需要的总冷量Q-= Q1+ Q2+ Q3，即：

1.2 新风预处理一次回风系统夏季负荷计算

空调机组先把W点的新风冷却减湿处理到L点后再与N点的室内回风混合成C点，然后把C点的空气冷却或加热处理到O点，最后送入房间，吸收房间负荷Q0后变为N点。整个处理过程可表示为：

夏季空气处理过程在焓湿图上表示如图2所示。室内状态点N，室外状态点W，混合状态点C，机器露点L，送风状态点O。

根据图2分析，该空调系统为了把风量为GW的新风从W点降温减湿到L点，所需冷量即为夏季处理空气所需的新风冷量Q-1；再把L点的新风与N点的回风混合后的C点冷却(加热)到O点，所需冷量(热量) 即为夏季处理空气所需的再冷量Q-2(再加热量Q+)。即：

图2 新风预处理一次回风系统夏季处理过程

或：

其中：

将式（7）代入式（5）、式（6），得：

或：

式中：Q-1— 系统新风冷量 (kW)

Q-2— 系统再冷量 (kW)

其余同上

从空气处理和房间所组成的系统的热平衡关系来分析，当系统新风比并不很大时，新风预处理一次回风系统夏季的总冷量Q+仅由两个部分组成：

（1）计算冷负荷，即房间冷负荷，其值为：

Q1= G (hN- hO) = Q0(kW)；

（2）新风冷负荷，其值为：

Q2= GW(hW- hN) (kW)；

上述两部分冷量之和就是系统所需要的总冷量Q-= Q1+ Q2，即：

1.3 新风预处理一次回风系统节能分析

比较式（4）与式（10）可知，为了保证必须的送风温差，再热式一次回风系统在夏季需要再加热，产生再热冷负荷，从而出现冷热抵消的现象；而新风预处理一次回风系统将新风湿负荷与房间热负荷分开处理，在新风比并不很大的情况下，则能完全取消再加热，避免了冷热抵消现象的产生，达到了节约能耗的目的，并可以降低全年的运行费用。

另外，比较式（3）与式（9）可知，在新风预处理一次回风系统的新风比比较大时，夏季也需要再加热，出现冷热抵消现象，但系统的总冷量和再加热量均比再热式一次回风系统有所减少，也能起到一定的节能效果。

2 空调系统负荷模型计算

从以上原理分析中，可以得出新风预处理一次回风系统比再热式一次回风系统更加节能。下面，笔者再从具体模型数据中加以比较。

以上海地区为例，设定空调系统设计风量为10000 m3/h，室内设计温度为24℃，室内设计相对湿度为50%，送风温度为18℃，比较在系统新风比不同的情况下，再热式一次回风系统与新风预处理一次回风系统的夏季空调负荷。

2.1 再热式一次回风系统夏季空调负荷

根据图1描述的空气处理过程，可计算得出。计算结果见表1。

从表1中可见，不论系统新风比如何变化，该系统均会产生再热负荷，且负荷数值恒定不变。

2.2 新风预处理一次回风系统夏季空调负荷

根据图2描述的空气处理过程，可计算得出。计算结果见表2。

从表2中可见，当系统新风比小于等于50%时，该系统没有再热负荷；当系统新风比大于50%时，该系统会产生再热负荷，负荷值随系统新风比的增大而增大；但在除新风比为100%的情况下，其负荷值均比再热式一次回风系统小。

2.3 新风预处理一次回风系统节能效果

将表1和表2的结果相比较，可进一步得出新风预处理一次回风系统夏季空调负荷的相对节能率，见表3、图3。

从表3和图3可见，与再热式一次回风系统相比，夏季空气处理过程采用新风预处理一次回风系统，系统的总冷量和再加热量会随着系统新风比的降低不断减小，系统节能率会不断提高，节能效果十分明显。

图3 新风预处理一次回风系统夏季空调负荷的节能率

表1 再热式一次回风系统夏季空调负荷

表2 新风预处理一次回风系统夏季空调负荷

表3 新风预处理一次回风系统夏季空调负荷的节能率

2.4 空调设备的投资分析

常用的再热式一次回风系统的空调箱形式如图4所示。

新风预处理一次回风系统的空调箱形式如图5所示。

比较两种箱体形式，不难看出，采用新风预处理一次回风系统的空调设备并不会增加初投资费用，风机压头略有增加，但设备运行费用没有变化。

图4 再热式一次回风系统的空调箱形式

图5 新风预处理一次回风系统的空调箱形式

因此，采用新风预处理一次回风系统不仅节能优势明显，能减小冷冻设备装机容量，而且不需要增加空调设备的投资费用和运行费用。在新风比较小的情况下，经过精确的计算并采用合理的控制手段，或许还可以降低空调设备的初投资费用。

3 新风预处理一次回风系统的局限性

新风预处理一次回风系统虽然节能效果明显，但从表2中也可看出随着系统新风比的不断增大，新风经过处理后再与室内回风混合后的状态点的焓值会低于送风状态点的焓值，为了保证室内的温湿度，再加热便不可避免，节能效果将明显降低，因此，比较适用于新风量比例不是很大的空调系统。

从图2所示的夏季空气处理过程可知，如果室内有湿负荷，处理系统新风后的机器露点将更低，且不容易确定和控制，因此，比较适用于室内发湿量很小，以至于在工程设计中可以忽略不计的空调系统。

另外，在该空气调节控制系统中，夏季湿度控制环节采用的恒定露点温度控制方式，对室内相对湿度参数而言是开环控制，因此，只适用于室内相对湿度控制允许波动范围不是特别严格的空调系统。

4 应用效果

以下再以某制药厂项目来比较其节能效果。

江苏某新建药厂前处理车间生产区域和提取车间生产净化要求为D级，夏季室内设计温度为24℃±2℃，夏季室内设计相对湿度为50%±10%，冬季室内设计温度为20℃±2℃，冬季室内设计相对湿度为45%±10%。设有AHU-1～3三个净化空调系统，空调系统设计方案进行了采用新风预处理一次回风形式，与常规再热式一次回风形式能耗比较，见表4：

表4 AHU-1净化空调系统能耗比较

表5 AHU-2净化空调系统能耗比较

表6 AHU-3净化空调系统能耗比较

由表4～6可见，采用新风预处理一次回风系统与常规方式相比，杜绝了冷热抵消现象，明显节省了空调系统使用的冷冻设备用量，并随着空调系统新风比的降低，节能效果更加显著。

5 总结

新版GMP规范下药品生产车间空调系统运行形式的选择，应主要考虑新风预处理系统。不但投入不需要增加，而且对药品企业来说整体划算，环保节能。

另外，随着我国建筑的迅速发展，对湿度有控制要求的工业及公共建筑也越来越多，有些工业的室内负荷也是以热负荷为主，如：电子工业。因此，为了降低空调系统的运行能耗和运行成本，新风预处理一次回风形式的空调系统必将具有相当广泛和深远的实践应用意义。

[1] 赵荣义等. 空气调节[M]（第三版）. 北京：中国建筑工业出版社, 2003.

[2] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社, 2006.

[3] 采暖通风与空气调节设计规范 GB 50019-2003.

[4] 药品生产质量管理规范（2010年修订）.