随着精密制造和清洁生产需求的快速发展，洁净室的数量及规模均快速增加，美国洁净室面积从1993 年的 420 万平方米增加到 2015 年的 1 550 万平方米，年平均增长率约 11.7% ；在我国，据《2018—2024 年中国洁净室工程行业市场现状分析及未来前景预测报告》，我国洁净室的市场规模从 2010 年的328.4 亿元增加到 2017 年的 1 021.2 亿元，年均增长率为 26.4%。制药工业属于能源和资源密集型产业，各种能源消耗量非常大。随着我国制药企业向国际市场迈进，新版药品生产质量管理规范（GMP）对制药洁净室内生产环境要求越来越严格，这使得医药工业的能耗大幅增加，尤其是净化空调系统运行能耗在不断增加。因此，在满足工艺生产环境的前提下，如何更好地节约能源、降低生产成本，成为国内外学者的一项长久的研究课题。根据医药工业未来发展的需求，迫切需要对医药工业的能耗问题，尤其是净化空调系统的能耗进行深入的探讨及研究。

节能措施概述

本文对目前制药厂所采用的节能措施加以分析，并通过对实际项目能耗模拟，验证了节能措施的可行性及可操作性。目前医药洁净厂房采用的节能措施有以下几点。

1.1

新风独立处理

对于传统一次回风技术，采用新风独立处理技术降低再热负荷。传统空气处理过程中，如图 1 为空调箱组合型式，夏季 ：回风与新风先混合，再冷却除湿、加热，处理到送风点（室内有冷负荷和湿负荷）。冬季 ：回风与新风先混合，再加湿、加热（室内有热负荷）。两者热湿处理过程分别如图 2 所示。

 图1 空调箱组合型式

图 2 传统热湿处理过程

对于采用新风独立处理系统的空调箱，如图 3 所示，实际热湿处理过程为，夏季 ：新风冷却，再与回风混合，后冷却除湿加热等，处理到送风点（室内有冷负荷和湿负荷）；冬季 ：新风直接加热，回风与新风混合，再加湿、加热（室内有热负荷）。两者热湿处理过程分别如图 4 所示。

图 3 新型空调箱（DOAS 系统）组合型式

图 4 新风独立处理系统热湿处理过程

这种系统实际上是独立新风系统的一种，独立新风系统（Dedicated outdoor air system，简称 DOAS系统），其主要有以下特点 ：

新风机组采用低温送风机组，机组出风温度低于 7 ℃，新风机组除了承担新风负荷外，还承担室内潜热负荷和部分显热负荷 ；室内剩余显热负荷由其他显冷设备承担，这些显冷设备可以是辐射冷吊顶、风机盘管机组等。

DOAS 系统普遍应用于美国商业建筑中，近年来也在我国部分建筑中得到了推广和应用。但是在我国工业建筑，尤其是生物制药行业应用较少。国内某生物研究所某生产车间采用 DOAS 系统的核心——新风独立处理技术，与回风混合后用显冷设备处理混风后的冷负荷 ；相比于商业建筑，还需要设置回风管。但是总体而言，该技术使新风机组有效承担了全部的新风负荷和室内湿负荷（或忽略），避免传统方法的再热过程，且设备具有良好的经济性，值得大面积推广。

表 1 夏季热湿处理过程分析（一次回风系统）

表 2 夏季热湿处理过程分析（独立新风系统）

1.2

值班模式

 《药品生产质量管理规范 》（2010年修订）（GMP）规定 ：“无菌药品生产的洁净区空气净化系统应当保持连续运行，维持相应的洁净度级别”、“因故停机再次开启空气净化系统，应当进行必要的测试以确认仍能达到规定的洁净度级别要求”。由于无菌药品生产的空气净化系统不能停机，否则就需要重新进行验证，对于大多数制药企业来说，重新验证的代价远高于保持连续运行的代价。因此，无菌药品的生产企业在生产停止后，需要保持洁净区空气净化系统的连续运行。

由于洁净厂房在设计期间就有较高的冗余度，因此在保障非生产时段洁净区的环境参数控制要求下，可以降低设备运行的部分工况。在保障温度、相对湿度、洁净度、压差不变的情况下，实现节能运行。

风机并不在额定点下运行，也就是说，风机在变频工况点运行。系统风量调节主要分为以下三种方式 ：①调节出口风阀开度 ；②调节风机入口导叶的角度 ；③调节风机转速，目前常用方法是 ：调节风机转速。也即风机变频运行。

变风量系统的节能原理可以通过风机特性曲线和管路阻力特性曲线间的关系来说明。图 5 分别为节流调节时，风机的流量和功率变化图及变频调节风机转速时风机的流量和功率变化图。

图 5 风机性能曲线

节流调节时，风机的特性曲线不变，但管道特性曲线由 R1 变为 R2 ，流量从 Q1 变为 Q2，节流后的功率 N2 比节流前的功率 N1 稍有降低，但功率降低的速率比流量降低的速率要小的多。

对于变频调节的风机特性，管道的特性曲线不变，而风机的特性曲线 H-Q 却随着风机转速的下降向流量和压头同时减小的左下方移动，对应的消耗功率曲线 N-Q 也向下移动（N'-Q'），流量从 Q1 减小为Q2，调节后的功率 N2 比调节前的功率 N1 降低了许多，其降低的速率比流量降低的速率大得多。

对于本风机，经过几个测算点，得到在相同管道阻力特性时的风机功率变化。

从风机样本上分析，当风机效率为定值时，风机的功率和流量恰为三次方关系。考虑到变频损失以及风机效率并不一直为常数等原因，风机的功率与风量的关系采用 1~2 次方比较合适。

由于值班模式运行时，新风量会随之降低，因此新风负荷还会显著降低。这是由于在值班模式运行时，机组的排风机关闭，系统的排风经由回风阀门转移到回风空调箱，因而系统要补充的新风量大幅降低。因此，值班模式不仅降低了空调箱系统的能耗，还降低了冷水机组的能耗。

1.3

磁悬浮冷水机组

采用多机头磁悬浮冷水机组替代传统冷机，IPLV 有明显提高。相比于传统冷机，离心压缩机，部分负荷下运行时，转速低，则旁通量大，导致部分负荷运行性能差，保证部分负荷下的运行性能好，需要高转速的压缩机 ；而磁悬浮压缩机转速能够在15 000~48 000 r/min 之间进行调节，能够在 20% 的部分负荷下工作，部分负荷效率高。二者结合使得磁悬浮压缩机能够满足长期运行时，工作性能衰减程度小及部分负荷下工作效率高的要求。

采用多机头并行优化控制，显著提高了机组的能效并增强了机组的可靠性。并行控制使得所有压缩机同时开启，同时关闭。避免压缩机的带压启动问题；而阶梯控制压缩机依次开启，依次关闭。通过热气旁通阀来控制后续压缩机的开启，避免并行控制中压缩机带压启动带来的安全隐患。

1.4

凝结水热回收

相比于传统蒸汽凝结水直接排放，该措施利用凝结水热回收方式回收热量。冷凝水回收对于锅炉而言，是十分重要的措施，但是由于冷凝水水质比较差，可能携带大量管道锈蚀物，成分复杂，因此很多企业将冷凝水直接排放，造成热量和水资源的双重浪费。回收冷凝水，首先应对水质进行测试和化学处理，对于冷凝水水质比较差的情况，可利用板式换热器回收其显热热量，用于自来水加热。

图 6 应用的凝结水热回收技术

实际项目的能耗模拟

2.1

项目简介

成都某疫苗项目已于 2017 年完成施工图设计，并开始施工建造。在进行改造后，采用了多种空调系统节能措施。经调研，该厂房主要有以下节能措施 ：对于传统一次回风技术，采用新风独立处理技术降低再热负荷 ；全时间段正常风量运行，采用值班模式运行技术，降低非生产时间的空调箱及新风能耗 ；采用多机头磁悬浮冷水机组替代传统冷机，IPLV 有明显提高 ；相比于传统蒸汽凝结水直接排放，利用凝结水热回收回收热量。经模拟，空调系统的总节能率达到 35.4%。

该建筑位于成都市，室外气象参数见表 3。

表 3 室外气象参数

室外气象参数主要影响新风负荷，对围护结构负荷影响较小。

成都属亚热带季风气候，具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点，年平均气温 16 ℃，年降雨量1 000 mm 左右。成都气候的另一个显著特点是空气潮湿，因此，夏天虽然气温不高（最高温度一般不超过 35 ℃），却显得闷热 ；冬天气温平均在 5 ℃以上，但由于阴天多，空气潮，却显得很阴冷。

2.2

模拟参数设置

2.2.1 冷热源参数

本项目未给定冷机参数，以冷机模型的经验公式进行计算，并按照实测结果进行校正，假设出水温度恒定维持在 7 ℃，拟合冷机的制冷量及能耗为 ：

Q=983/（-1.64×15+201.21）×（-1.64×temp_c+201.21）

P=663/（-1.64×15+201.21）×（0.65×temp_c +32.40）

根据实际调研情况，实际的 COP 仅有额定情况的 70%~80%。拟合出的冷机性能曲线如图 7 所示。

图 7 冷机能耗模型

2.2.2 风机

该空调系统有送风风机和排风风机两台风机，暂时只考虑送风风机风量 ：40 000 m³/h，机外余压1 000 Pa，功率为 45 kW。

2.2.3 水泵

水泵测试期间冷冻水泵功率为 240 kW，冷却水泵功率为 400 kW，按照面积指标计算，约为 2.4 kW及 4 kW ；工艺冷机水泵能耗为 38 kW 和 55 kW，按面积指标折算为 0.38 kW 和 0.55 kW。

2.2.4 工艺冷机

该系统服务于包装车间，工艺系统总能耗为116 kW，按面积指标计算约为 2.5 kW。但是，通过现场实测发现，该工艺冷机最低电负荷率为 70%，而实际的冷负荷率仅有 10%，也就是说，该冷机的冷量数倍于需求负荷，而其 COP 接近于 1。因此，工艺冷机用能按照 7 倍的实际能耗计算，而冬季多余的冷量需要通过再热消除。

根据计算得到折合总能耗为 828.9 MWh，单位面积能耗为 2 717 kWh/m²a，考虑到总能耗中空调系统能耗约占 60%，故而综合单位面积能耗为4 524 kWh/m²a。与实测结果 5 219 kWh/（m²a）相比，误差为 13.3%。因此，认为该模型满足工程精度要求。

单独节能措施能耗模拟

3.1

新风独立处理

采用独立新风系统模拟结果如表 4 所示。示范工程系统折合电耗的总能耗为 401 670 kWh。将锅炉能耗转化为标准电耗，可以看到再热能耗基本全部消除，但是由于风机额外付出的热量不再作为再热的热量，而是成为负荷，所以冷机能耗基本不变。总节能量为 25 707 kWh，节能率为 6.0 %。

表 4 厂房独立新风系统示范工程系统节能总量计算

3.2

值班模式

通过风机样本曲线以及新风量降低情况，通过 TRNSYS 模拟得到了相应结果，可以看到风机能耗和冷机能耗有明显的降低，这是因为值班模式在运行过程中不仅送风量降低、新风量还会进一步减少、风机处理的负荷也有很大降低。总节能量为103 871 kWh，节能率为 24.3%。

表 5 厂房值班模式节能率计算

3.3

磁悬浮冷水机组

《磁悬浮离心机产业发展白皮书》以及相关企业研究结果表明，在 75% 负荷率下，磁悬浮冷水机组比传统离心机和螺杆机 COP 高出 28%~38%，在 50% 负荷率下，磁悬浮冷水机组比后二者高出71%~98%，在 25% 负荷率下，磁悬浮冷水机组比后二者高出 250%。该项目采用 2 台 4 机头高效磁悬浮冷机，设置在水泵房附近的冷站集中供给，冷媒参数为 7/12 ℃。

图 8 磁悬浮冷机与传统冷机能效比较

磁悬浮冷机改善了现有冷水机组润滑油影响长期运行性能、离心压缩机部分负荷下运行时，转速低，旁通量大，导致运行性能差的问题。对于生物制药厂房，过渡季和冬季室内有大量热源，因此采用常规冷水机组，不仅能效低、而且还常常有卸载负荷率的限制，造成了较高的能耗以及一定程度的冷热抵消。因而，在生物制药厂房应用磁悬浮冷水机组更具有优势。

提高冷水机组低负荷率下的能效比和综合能效比，通过模拟可以得到表 6 的结果，可以看到，由冷水机组和输配系统总共可以降低能耗约 30 730 kWh，节能率达到 7.2%。

表 6 厂房示范工程系统磁悬浮冷水机组节能率计算

3.4

凝结水热回收

目前由于工艺凝结水水质的问题，凝结水不可以被直接回收作为锅炉的补水 ；此外如果直接排放，还需要满足排放温度的要求，需要设置容量很大的冷却水，从技术经济上都较差。因而，该车间改造过程中，采用板式换热器回收其显热热量。凝结水热回收技术可以完全消除冬季加热能效，并降低水泵的输配能耗。通过模拟可以得到表 7 的结果，可以看到，由冷水机组和输配系统总共可以降低能耗约 14 494 kWh，节能率达到 3.4%。

表 7 厂房示范工程系统凝结水热回收节能率计算

综合节能措施节能效果

根据多项节能措施的分析可以看出 ：（1）新风独立处理技术中，新风盘管将承担回风及新风的冷热负荷，因此相比于一次回风系统，被处理空气无需冷却到露点再进行再热，再热能耗被完全削去 ；（2）值班模式运行，降低了非生产时间的风机能耗，同时由于新风量的降低，其新风负荷（新风显热冷负荷、新风潜热负荷、新风热负荷）也显著降低 ；（3）多机头磁悬浮冷水机组相比于传统冷机，其综合性能系数是螺杆机、离心机的 30%~40%，也显著降低了冷机的能耗 ；（4）相比于传统蒸汽凝结水直接排放，利用凝结水热回收回收热量，用于冬季预热新风，又再次降低了加热能耗。

前面探讨了单一节能措施的节能效果，实际工程中，往往采用多种节能措施相组合，故本章分析采用多种节能措施时的节能效果。如果将 4 种节能技术全部应用于这一项目，利用 TRNSYS 进行模拟。由于风机采用降低风量或值班模式运行，会对风机的发热量产生影响，因而，对各模式组合进行计算。如 ：夏季降低风量，则风机再热量降低、需要冷机处理的能耗减少 ；同理，冬季锅炉的能耗也对应增加。

由此，厂房的示范工程系统应用节能措施应用能耗计算结果，其总耗电量为 274 686 kWh，节能量为 152 692 kWh，空调系统的总节能率达到 35.7%。图 9 是厂房各项用能对比情况，其中水泵能耗降低约 34.3%，冷机能耗可以降低 44.2%，加热锅炉能耗降低 100%，再热能耗也被完全消去，加湿能耗变化为 0%，风机能耗降低约 27.6%。

表 8 综合节能率计算

图 9 各项设备用能对比

需要说明的是，由于前面给出的是独立新风系统、值班模式、磁悬浮冷水机组、凝结水热回收供热单项模拟的计算过程分析，因而在总能耗计算过程中会出现一定重复，如值班模式降低新风负荷进而使冷水机组总能耗降低，以及采用磁悬浮冷水机组使得冷水机组能耗减少，这两部分能耗有重叠部分，因而在总能耗计算时，其总能耗降低率低于单项能耗降低率之和。

图 10 各单项能耗降低及总能耗降低关系

针对该厂房，本文分析了空调箱 KJ4-3 和 KJ4-4的用能特征。其中，空调箱 KJ4-3 全部服务 C 级房间，总面积为 177.5 m² 空调器 KJ4-4 全部服务 B 级房间，总面积为 63.4 m²。计算得到 B 级区空调系统的能耗指标为 2 917 kWh/m²a，而 C 级区空调系统能耗指标为 1 183 kWh/m²a。

结论

本文针对洁净空调系统，提出对于传统一次回风技术，应采用新风独立处理技术降低再热负荷 ；对于全时间正常风量运行，应采用值班模式运行技术以降低非生产时间的空调箱及新风能耗 ；对于传统冷机，应采用多机头磁悬浮冷机提高机组效率 ；相比于传统蒸汽凝结水直接排放，利用凝结水热回收方式回收热量等措施。通过成都某疫苗厂房项目，对每一种节能措施进行了能耗模拟，得出了每种节能措施的节能率，最后通过综合节能率的分析和计算，得出了系统综合节能率，证明了文中提出的四项节能措施在实际项目上有效地节约了能源，降低了生产成本。

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撰稿人 | 张明玉，肖武，郜义军

责任编辑 | 邵丽竹

审核人 | 何发