双风机空调系统在医药工业中的适用性分析

（医药集团重庆医药设计院有限公司，重庆 400042）

节能环保是当今社会主旋律，空调系统作为企业运行的耗能大户，如何降低空调系统的耗能，成为现在绿色建筑关注的重中之重。空调系统中只设置一台风机，成为单一风机系统，如果空调系统不仅在送风管路上设置送风机，还在回风管路上设置回风机，则称为双风机系统[1]。双风机空调系统以其优越的节能性正逐步成为绿色空调设计的重要措施之一，在空调设计中也已得到广泛的业内认可。笔者在多年制药行业洁净空调设计的经验中发现，双风机空调系统与医药工业洁净空调设计的特殊性在很多方面是切合的，且具有其他系统没有的优势。

1 双风机空调系统在药厂空调设计中的适用性分析

1.1 室内负荷特征

医药洁净室以内区房间为主，具有密闭性好的特点，除应急门、观察窗外，四周无外围护结构。医药洁净室的室内负荷呈现夏季冷负荷高，冬季热负荷低，部分房间内工艺设备散热量大的特点。笔者在长期的设计回访及项目反馈中发现，在室外干球温度＜10℃时甚至更低时，仍有洁净室空调在运行制冷模式。

同时，洁净室的新风量除了要保证室内人员的健康卫生要求外，还需要补偿室内排风及室内正压值所需的空气量之和[2]，较普通舒适性空调而言，洁净空调的新风量需求更高，新风负荷一般占空调负荷的30%～50%，完全利用人工制冷制热能耗较大。为了节约能耗，就宜在过渡季节乃至冬季充分利用室外新风来消除室内的余热。为了更大程度地利用新风，故而引入了可变新风比的方式，而实现可变新风比最直接有效的措施就是双风机空调系统。

双风机空调系统采用可变新风比的焓值控制方式，送风及排风机设变频控制，通过调节新风量大小以达到节能的目的[3]。冬夏季时，在满足室内新风需求的前提下，降低新风比运行，可大幅降低空气处理能耗，又能达到节能环保的目的。图1为某药厂洁净空调双风机段体组合图。

1.2 空调热回收

全新风系统一直是空调设计中节能改造的重点对象，药厂中特别是原料药厂的一些制药工序，时常会散发易燃易爆的危险气体和粉尘，这时应设计为全新风空调系统。采用双风机结合热回收的空调方式，通过有效回收排风的冷热量，则可降低空调能耗，有效解决全新风空调系统能耗大的疑难问题。

以笔者设计的云南某制药项目的制剂车间空调系统设计为例，由于该车间的一些生产工序或房间伴随着粉尘产生，部分空调系统不允许设计回风，为了充分利用余热，实现节能的目的，将这部分空调设计为双风机系统，结合乙二醇显热回收的空气处理器（如图2所示）。笔者对这些系统进行了技术经济计算比较，项目设计中共有55 000 m3/h的风量采用了乙二醇显热回收，全年运行费用节省7 万余元，节能效率约为27%（限于篇幅，此处不做详细计算介绍）。在室内外温度差距更大的地区，该节能效率可能更高，节能效益愈发明显。

图1 双风机空调处理器段体组合图Fig.1 Air handle unit of double fan air conditioning

图2 显热回收双风机空调处理器段体组合图Fig.2 Air handle unit of double fan air conditioning with heat recovery system

1.3 建筑物特征

从图1和图2不难发现，双风机空调机组功能段多，机器的外形尺寸大，同时空调机组接管多，所需的风管空间也较大。在许多民用甚至公共建筑空调设计中，空间较为局限，大面积的空调机房也是难以实现的，这也是双风机空调目前应用上的重要受限因素之一。

但对药厂设计而言，由于洁净室区域大，空调系统风量大，管线复杂，往往都配备有较为充裕的走管空间及空调机房面积，这也为设计双风机空调提供了基本条件。

1.4 风压及噪音需求

以药厂中的固体制剂车间为例，车间内的粉碎、称量、配料、混合、制粒、压片，包衣等生产工序，常伴随着各种粉尘的散发，且在多品种药品交替生产的车间里，还存在着药品交叉污染的风险。故而这些工序的生产房间，其空调风往往都是经除尘器处理后达标排放，大量排风增大了空调系统新风比和空调能耗。随着制药工艺的不断进步，工艺设备不断改进，引入了全密闭操作，真空上料等措施，产尘量得到有效控制，产尘房间设计为空调回风已愈发广泛。

为了避免带有微量粉尘的回风与新风混合后送入洁净室引起交叉污染，这类房间的回风口需增设高效过滤器，对空调回风进行处理。增加高效过滤后，使得回风阻力加大，空调处理器的余压需在原基础上增加350～450 Pa 左右，风机全压过大，噪音加大，明显存在不合理性。

洁净室（区）的噪音级，动态测试时不宜超过75 dB（A）[4]。风机在高速运转下会使洁净系统噪声和振动加大，使得系统在抗振降噪方面的选型和选材方面受到较大制约，噪音也对洁净房间的工作环境造成不良影响。

采用双风机空调设计后，送风管路与回风管路分别配置风机，有效降低了单台风机所需的余压，进而可降低洁净室内的噪音。药厂中往往多台空调器放置在一个集中的空调机房内，在这种情况下的降噪效果是尤为明显的。

1.5 消毒排风

洁净区应采取有效的清洁消毒方法控制空气中粒子数和活性生物数，以满足无菌生产的特殊要求[4]。药厂都会对洁净室和洁净送回风管路进行消毒处理，目前使用较为广泛的方式为臭氧消毒，即将臭氧通入洁净空调系统的送风管道中，除对洁净区空气、设备及墙、地、吊顶进行灭菌外，同时可杀灭空气净化过滤系统和循环风道系统的霉菌，能有效延长高效过滤器的使用寿命。消毒后需考虑臭氧的排除问题，较为常见的设计方式为，在洁净空调的回风总管处设三通管路，一端接至空调器回风，另一端设置一个消毒排风机排除消毒后气体，回排风切换由电动风阀的控制实现。

在双风机空调系统中，回风机可以直接作为消毒排风的风机使用，无需单独另设消毒排风机，节省初投资。同时，可通过调节回排风量的大小，控制区域内消毒后的空气排放速度。

2 工程实例计算分析

不难发现，双风机系统最突出的节能优势就是变新风比。过渡季节甚至在冬季，都可以充分利用室内外焓差来实现空调系统的节能提效。

以山东济南某固体制剂药厂为例，该药厂在老厂设计时考虑为单风机空调系统，新厂设计时采用了双风机空调系统的做法，但由于新厂区尚未投入运行，笔者结合老厂区运行数据，采用模拟计算的方式，预估双风机空调系统的节能效果，以供参考。图3 是根据业主提供的老厂区全年用冷数据绘制的全年冷负荷变化曲线。

图3 全年空调冷负荷变化曲线Fig.3 Curve of annual air conditioning cooling load variation

不难发现，全年冷负荷变化的主要因素是室外温度的变化，部分空调系统在过渡季节，乃至在冬季也仍需制冷。

新厂区进行变新风比空调设计，首先要确定新风比切换临界干球温度。根ASHRAE90.1—2001 标准的规定，新风比切换临界温度当采用固定干球温度控制方法时，其新风比切换临界干球温度为18℃。但考虑到此标准主要是针对民用建筑，民用建筑室内发热量与药厂的差别较大，经过修正核算，确定新风比切换临界干球温度为15℃。表1为山东省气象站发布2019年济南的月平均气温数据，1～3月，11～12月的平均空调干球温度低于15℃，设计在该期间采用双风机空调系统的变新风比方式运行。表2，表3分别为单风机空调系统运行参数和双风机空调系统运行参数。

表1 济南市2019年月平均温度Tab.1 Monthly average temperature of Jinan in 2019

表2 单风机空调系统运行参数Tab.2 Operating parameters of single fan air conditioning system

表3 双风机空调系统运行参数Tab.3 Operating parameters of double fan air conditioning system

全年冷负荷节能分析结论：

（1）就本项目而言，1～3月与11～12月间，这5个月的平均气温低于15℃，可以采用双风机空调系统的变新风比方式运行，全年总冷负荷约降低13%。（2）室外平均温度低于15℃的时间越长，全年总冷负荷的下降幅度越大。双风机变新风比系统在我国东北，华北和西北等严寒地区和夏热冬冷地区应用，将取得显著的节能效果。

3 技术风险

双风机系统作为一种非常规的空调方式，也存在一定的技术问题有待解决。

3.1 压差稳定

洁净室压差值的恒定，对洁净室的生产运行是十分重要的。双风机系统在室内压差控制上一般采用固定空调送风量的方式，由控制系统中的压力调节器根据室内的静压大小，来调节系统中回风阀的开度大小及系统的回风量，从而对室内静压值进行调节。

双风机系统设置时，如送风、回风风机的风压选择不合理，会出现以下情况，进而导致室内静压失控。

（1）空调回风量偏小，室内静压偏高。如果排除了管道破损、漏风、过滤器阻力增高、风机传动等原因，那往往是由于回风风机的风压偏小造成的。

（2）空调送风量偏小，室内静压偏低。同上排除硬性问题后，应考虑送风风机的风压是否偏小，亦或是回风量太小导致的送风量的降低。

故双风机的风机风压应通过详细的风管水力计算，同时在一定余量考虑下合理选择。

3.2 风机控制

双风机串联系统是混合式净化空调系统的主要形式，由于是两个风机串联运行，对于两个风机的匹配和运行控制有着比单风机空调系统更高的技术要求。

当回风机选用不当，而使得风压过大时，会使新风口形成正压，导致新风进不来[4]。新风阀、回风阀、排风阀三阀之间按比例自动调节难度较大。

相对单风机系统而言，双风机系统在初投资跟安装调试上都有更高的要求，运行管理便利性也略逊一筹。此外，由于在过渡季新风量的增大，加大了粗效过滤器及末端高效过滤器的容尘负担，使之寿命缩短。

4 结束语

双风机系统并非适用于所有车间及工况，且由于其初投资高，耗电量较大，相对单风机系统而言，双风机系统在设计跟安装调试上均有更高的要求，运行管理的便利性上也略逊一筹。但节能上的优越性、结合净化空调设计的适用性也是其得天独厚的优势所在。在设计前应先对双风机系统设置是否合理进行技术经济比较。同时在沙尘暴易发地区，过渡季节时间较短的地区，室内温湿度精度要求较高的场合，采用双风机系统也都不大适合。

在保证空调系统稳定运行的前提下，研究和解决节能问题，已成为行业从业者共同的目标，如何在解决双风机系统技术问题的同时充分发挥其节能优势，是需要继续探讨和发展的方向。