毛樹寶 姚志勇 王洪躍 黃韋華

(上海生物制品研究所有限責(zé)任公司，上海 200052)

當(dāng)前，我國已成為能耗大國，節(jié)能形勢十分嚴(yán)峻。數(shù)據(jù)顯示，2009年，我國工業(yè)能耗占全國一次能源消費(fèi)的71.3%，是我國節(jié)能的最重要領(lǐng)域。生物制藥作為保障國民生命健康的重要生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)能耗十分驚人，一個(gè)生物制藥基地每年的能耗都在1.5萬噸標(biāo)煤以上。在生物制藥企業(yè)內(nèi)，保障凈化車間環(huán)境的凈化空調(diào)系統(tǒng)能耗最高，平均占到整個(gè)企業(yè)能耗的70%左右，因此凈化空調(diào)節(jié)能是生物制藥領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向。

上海生物制品研究所有限責(zé)任公司地處上海市，已有超過50年的歷史，目前是國內(nèi)規(guī)模最大，集生物制品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的大型高新生物技術(shù)企業(yè)之一。研究所主要開發(fā)和生產(chǎn)防疫制品、血液制品、抗毒素、診斷試劑、基因工程制品，為人類的防病治病、保障人民健康做出了重要貢獻(xiàn)。上海所下轄延安西路總所、安順路虹橋分部、奉賢分部，及在建的奉賢生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)化基地共四個(gè)生產(chǎn)基地。2000年以來，上海所年平均總能耗均在1.5萬噸標(biāo)煤以上，能耗十分驚人。其中，經(jīng)過測試計(jì)算，2012年全所凈化空調(diào)系統(tǒng)總能耗達(dá)到71.3%，是全所最大的能耗系統(tǒng)。其中，生技中心大樓、血液試劑大樓是最主要的用能車間。

1 生物制藥常規(guī)凈化空調(diào)系統(tǒng)介紹

1.1 生物制藥領(lǐng)域凈化空調(diào)特點(diǎn)及要求

由于生物制藥產(chǎn)品的特殊性，其產(chǎn)品質(zhì)量必須確保萬無一失。《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》即GMP標(biāo)準(zhǔn)是生物制藥領(lǐng)域國家強(qiáng)制頒布執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[1]。GMP標(biāo)準(zhǔn)對藥物生產(chǎn)過程中的污染和交叉污染、微粒、微生物、生產(chǎn)環(huán)境有嚴(yán)格規(guī)定，這些問題大多都需要凈化空調(diào)來解決。

總起來說，按照GMP標(biāo)準(zhǔn)，生物制藥凈化空調(diào)系統(tǒng)存在如下特點(diǎn)：

1)空氣過濾要求嚴(yán)格。生物凈化車間主要為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)凈化車間，對空氣過濾有嚴(yán)格要求。

2)各區(qū)域壓力要求嚴(yán)格。為防止污染和交叉污染，生產(chǎn)區(qū)域各科室、各實(shí)驗(yàn)室之間有嚴(yán)格的壓差要求，這些壓差控制是保證藥品不被污染以及操作人員安全生產(chǎn)的重要手段。

3)房間溫濕度要求高。為防止房間內(nèi)藥品變質(zhì)或霉變，車間都有嚴(yán)格的溫度和濕度要求。一般要求溫度在23℃，濕度為50%左右。

4)空調(diào)新風(fēng)量大。為保證生產(chǎn)安全，一般車間都要求固定新風(fēng)比，這與普通車間空調(diào)不同。且一般新風(fēng)比較大，大約在50%以上。甚至一些重要的車間，如動(dòng)物房等，要求100%全新風(fēng)直流系統(tǒng)。

1.2 生物制藥車間凈化空調(diào)系統(tǒng)形式

生物制藥車間一般都采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，主要由冷站、鍋爐房、冷凍水輸配系統(tǒng)、冷卻水輸配系統(tǒng)、空調(diào)箱、高效過濾送風(fēng)口組成。

制藥生產(chǎn)基地各車間冷站一般都是按照車間需求單獨(dú)設(shè)置，冷站一般采用離心式冷水機(jī)組或者螺桿式冷水機(jī)組，制備7/12℃冷水，經(jīng)過冷凍水輸配系統(tǒng)輸送到各空調(diào)箱表冷器。同時(shí)，由于不同生產(chǎn)工藝可能需要部分冷凍水，因此車間冷機(jī)一般也同時(shí)承擔(dān)這部分工藝生產(chǎn)負(fù)荷。工藝生產(chǎn)對冷凍水量需求與空調(diào)相比很小，但是其特點(diǎn)是需要全年供給。

生產(chǎn)基地一般設(shè)置一個(gè)集中鍋爐房，生產(chǎn)0.8～1.0MPa蒸氣，大部分用于空調(diào)加熱、熱濕，另一部分用于生產(chǎn)工藝。

空調(diào)箱是車間最重要的設(shè)備，目前國內(nèi)大多數(shù)生物制藥車間采用的都是一次回風(fēng)空調(diào)箱，新風(fēng)比全年固定?？照{(diào)箱一般由回風(fēng)段、新風(fēng)段、混風(fēng)段、預(yù)熱段、表冷段、加熱段、加濕段、送風(fēng)段等組成?？照{(diào)箱內(nèi)一般會(huì)設(shè)置初效和中效過濾器。其空調(diào)箱如圖1。

圖1 車間一次回風(fēng)空調(diào)箱示意圖

為了嚴(yán)格保障生產(chǎn)車間的溫濕度，空調(diào)箱一般都需要全年供熱，其處理流程如下：夏季新回風(fēng)混合后，首先進(jìn)過表冷器進(jìn)行制冷除濕，將混風(fēng)濕度處理到低于室內(nèi)濕球溫度狀態(tài)點(diǎn)；之后經(jīng)過加熱器，進(jìn)行再熱，將溫度控制到送風(fēng)溫度附近；然后再經(jīng)過加濕器，進(jìn)行干蒸汽加濕，處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，送至末端高效送風(fēng)口。在冬季，新風(fēng)首先經(jīng)過預(yù)熱器(北方地區(qū))，之后與回風(fēng)混合，將空氣溫度處理到設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)，然后進(jìn)行干蒸汽加濕處理后送入末端高效送風(fēng)口。

為了保證末端壓力和房間送風(fēng)量，空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)一般為變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)過濾器阻力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持風(fēng)量基本不變。

車間內(nèi)一般布置有帶高效過濾器的送風(fēng)口，送回風(fēng)口安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)壓差要求調(diào)節(jié)閥門開度。

1.3 一次回風(fēng)空調(diào)箱存在問題

目前一次回風(fēng)空調(diào)箱一般采用冷凝除濕原理來進(jìn)行制冷降溫，同時(shí)實(shí)現(xiàn)除濕。由于空調(diào)箱設(shè)計(jì)主要采用設(shè)計(jì)日或設(shè)計(jì)點(diǎn)負(fù)荷來作為系統(tǒng)熱濕處理的設(shè)計(jì)依據(jù)[2]，但是由于天氣、使用條件等的變化，實(shí)際上房間顯熱負(fù)荷、潛熱負(fù)荷比例可能與設(shè)計(jì)值完全不同，而末端設(shè)備的熱濕處理能力只能按照某一特定的熱濕處理特性曲線變化[3]，因此系統(tǒng)運(yùn)行中一定存在過度除濕和過冷的問題，在生物制藥車間，必須要對制冷除濕后的空氣進(jìn)行再熱、再濕等處理，這造成冷量和熱量的大量抵消。因此，車間空調(diào)系統(tǒng)全年都需要供蒸汽，全年蒸汽用量極大。

實(shí)際上，生物制藥車間產(chǎn)濕量十分有限，只有個(gè)別房間有產(chǎn)濕量，大部分房間產(chǎn)濕量是由人員造成的。因此，夏季空調(diào)的主要濕負(fù)荷是由新風(fēng)帶來的，回風(fēng)基本不需要除濕[4]。但是對于新、回風(fēng)混合的空調(diào)箱而言，就需要對全部送風(fēng)量進(jìn)行除濕、再熱、再濕，由于風(fēng)量變大，因此除濕、再熱、再濕量也增大很多，從能量利用角度，十分不值當(dāng)。

2 生技大樓新、回風(fēng)獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)介紹

生技大樓位于上海生物制品研究所有限責(zé)任公司的安順路基地，共4層，總建筑面積為13112㎡，是在上世紀(jì)80年代由世界衛(wèi)生組織援建，國際專家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)。

生技大樓冷站設(shè)計(jì)有3臺(tái)制冷量為100萬大卡的螺桿冷水機(jī)組，兩用一備。冷水機(jī)組設(shè)計(jì)冷凍水進(jìn)出溫度為7℃和12℃。由于設(shè)備過于陳舊，不能滿足使用需求，2010年更換為3臺(tái)新的螺桿式冷水機(jī)組。

生技大樓原設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)為新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)有兩臺(tái)新風(fēng)箱(AHU-1、AHU-2)集中處理新風(fēng)，然后送至11個(gè)回風(fēng)空調(diào)箱?；仫L(fēng)空調(diào)箱設(shè)計(jì)有11臺(tái)(AHU-8～18)，用來分別處理各生產(chǎn)區(qū)域的回風(fēng)。兩臺(tái)新風(fēng)空調(diào)箱風(fēng)量均為32000m3/h，總風(fēng)量64000 m3/h。各回風(fēng)空調(diào)箱風(fēng)量不等，從15000 ～30000m3/h，總回風(fēng)量大約200000 m3/h，總體新風(fēng)比大約為30%。

生技大樓冷站為二次泵系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)二次泵分為兩組，一組供給新風(fēng)空調(diào)箱和部分工藝生產(chǎn)，一組供給回風(fēng)空調(diào)箱。冷機(jī)制備7℃冷凍水，新風(fēng)空調(diào)箱供給7℃冷凍水，而回風(fēng)空調(diào)箱通過供、回水混合供給14℃冷凍水。兩組二次泵在供回水管上都設(shè)有旁通閥。供給新風(fēng)空調(diào)箱的二次泵系統(tǒng)由供水管設(shè)定壓力控制旁通閥開度。而供給回風(fēng)空調(diào)箱的二次泵系統(tǒng)，采用供水溫度控制旁通閥，旁通閥不斷調(diào)整開度使供水溫度達(dá)到14℃。生技大樓新、回風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)原理圖見圖2，圖3為新風(fēng)空調(diào)箱。

圖2 生技大樓新、回風(fēng)獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)示意圖

圖3 生技大樓新風(fēng)空調(diào)箱

新風(fēng)空調(diào)箱內(nèi)有初效過濾段、表冷段、加熱段、加濕段、送風(fēng)段組成。回風(fēng)空調(diào)箱由混風(fēng)段、表冷段、加熱段、送風(fēng)段組成。其處理流程為：夏季新風(fēng)空調(diào)箱對新風(fēng)進(jìn)行制冷除濕處理，之后進(jìn)行一定再熱后送至各回風(fēng)空調(diào)箱。各回風(fēng)空調(diào)箱主要對混風(fēng)進(jìn)行少部分制冷處理，然后送到各房間。在冬季，新風(fēng)空調(diào)箱主要對新風(fēng)進(jìn)行加熱加濕處理，之后送到回風(fēng)空調(diào)箱，回風(fēng)空調(diào)箱再對混風(fēng)進(jìn)行加熱后送到各房間。

除了原設(shè)計(jì)的新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)箱之外，由于生產(chǎn)需要，大樓內(nèi)后期增加一些新的空調(diào)，這些空調(diào)為常規(guī)一次回風(fēng)空調(diào)，與原設(shè)計(jì)的新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)在同一機(jī)房內(nèi)，由二次泵系統(tǒng)供給7℃冷凍水。一次回風(fēng)空調(diào)箱內(nèi)設(shè)有新風(fēng)段、回風(fēng)段、混風(fēng)段、表冷段、加熱段、加濕段、送風(fēng)段。一次回風(fēng)空調(diào)箱空氣處理流程與傳統(tǒng)一次回風(fēng)恒溫恒濕空調(diào)箱相同。

3 生技大樓空調(diào)系統(tǒng)測試

為了詳細(xì)對比分析生技大樓兩種空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程和能耗情況，于2013年7月對這兩種空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)測試。分別選擇了3臺(tái)空調(diào)箱進(jìn)行測試(一次回風(fēng)空調(diào)箱AHU30，新風(fēng)空調(diào)AHU1，回風(fēng)空調(diào)箱AHU14)。測試基本方法為：在新風(fēng)空調(diào)箱、回風(fēng)空調(diào)箱、一次回風(fēng)空調(diào)箱的表冷器前、加熱器前、加熱器后分別布置溫濕度自計(jì)議，根據(jù)溫濕度自計(jì)議記錄的各段空氣狀態(tài)，在焓濕圖上描述空調(diào)箱內(nèi)空氣處理流程，從而計(jì)算能耗。

3.1 一次回風(fēng)空調(diào)箱測試結(jié)果

一次回風(fēng)空調(diào)箱AHU30測試結(jié)果如表1：

表1 AHU30空調(diào)箱各狀態(tài)點(diǎn)測試結(jié)果

將處理結(jié)果在焓濕圖上描述示意圖如圖4。

圖4 AHU30空氣處理流程示意圖

圖中，室外新風(fēng)(W)在與回風(fēng)(狀態(tài)點(diǎn)N)混合后，至狀態(tài)點(diǎn)M，在空調(diào)箱內(nèi)被制冷除濕，至狀態(tài)點(diǎn)L，然后再被加熱至狀態(tài)點(diǎn)S后送至各回風(fēng)空調(diào)箱。

表2 AHU30空調(diào)箱制冷、加熱量計(jì)算

根據(jù)以上測試結(jié)果，可以計(jì)算出其新風(fēng)比大約為13%，其新風(fēng)制冷量、回風(fēng)制冷量、加熱量如表2。

通過表2計(jì)算結(jié)果可以看出，空氣處理理論上只需要40kW的總冷量，但是實(shí)際處理消耗了71.640kW的總冷量。消耗的再熱量與理論制冷量相比，占到理論制冷量的78.75%。也就是說，整個(gè)空氣處理過程中，由于采用新、回風(fēng)混合后制冷除濕，然后再熱的方式，導(dǎo)致整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)多付出了78.75%，也就是31.5kW的冷量，同時(shí)也多付出了31.5kW的熱量。這也解釋了為什么車間凈化空調(diào)夏季蒸氣消耗量也十分巨大。

3.2 新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)箱測試結(jié)果

新風(fēng)空調(diào)箱AHU-1空氣處理結(jié)果如表3。

表3 新風(fēng)空調(diào)箱AHU-1空氣狀態(tài)測試結(jié)果

回風(fēng)空調(diào)箱AHU-14空氣處理結(jié)果如表4：

表4 回風(fēng)空調(diào)箱AHU-14空氣狀態(tài)測試結(jié)果

總體上看，在AHU14內(nèi)，新風(fēng)比為14.3%，新、回風(fēng)獨(dú)立處理總體空氣處理流程如圖5所示。

從圖5中可以看出，室外新風(fēng)(W)在新風(fēng)空調(diào)箱內(nèi)被制冷除濕，至狀態(tài)點(diǎn)L，此過程中新風(fēng)被大量除濕，其溫度甚至達(dá)到10℃，相對濕度達(dá)到95%左右。然后在新風(fēng)空調(diào)箱內(nèi)被加熱至16.5℃(狀態(tài)點(diǎn)X)后送至各回風(fēng)空調(diào)箱。狀態(tài)點(diǎn)N是回風(fēng)空調(diào)箱AHU14的回風(fēng)溫度參數(shù)，與狀態(tài)點(diǎn)X的新風(fēng)混合后至狀態(tài)點(diǎn)M，然后被干式表冷器降溫至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S。該過程中冷熱量消耗量計(jì)算如表5。

表5 新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)箱制冷、加熱量計(jì)算

圖5 新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)箱空氣處理流程示意圖

通過表5可以看出，新、回風(fēng)獨(dú)立處理后，整個(gè)處理過程中再熱量比例大大減小，與理論總制冷量相比，只占到理論總制冷量的7.3%。也就是說，這種空氣處理方法，使得系統(tǒng)比理論總制冷量只多付出了7.3%的冷量，當(dāng)然，同時(shí)也多付了同量的熱量。雖然也有冷熱抵消現(xiàn)象，但是與一次回風(fēng)空調(diào)箱相比，這種空氣處理方式無疑已經(jīng)大大減少了冷、熱量抵消的現(xiàn)象。

3.3 兩種空氣處理方式對比小結(jié)

由兩種空氣處理過程實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果對比可以得到如下結(jié)論。

1)一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理方式?jīng)Q定了其不可避免將造成較大再熱量，如何減少或者消除這種大量的冷熱抵消現(xiàn)象是凈化空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要研究課題。

2)生技大樓原設(shè)計(jì)的新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)，由于把新風(fēng)單獨(dú)制冷除濕再熱，使得末端回風(fēng)空調(diào)箱表冷器可以運(yùn)行在干工況制冷降溫狀態(tài)，大大減少了系統(tǒng)再熱量，節(jié)約了大量制冷和制熱能耗[5]。

3)根據(jù)生技大樓空氣處理過程，回風(fēng)空調(diào)箱只需要高溫冷水，因此完全可以單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)帶自然供冷的高溫冷水機(jī)組，這樣不僅可以提高冷機(jī)COP，同時(shí)還使得大量的自然冷源利用得到可能，這將大大減少冷機(jī)制冷能耗。

4 結(jié) 語

我國正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，能源消費(fèi)量大、儲(chǔ)備能源不足已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略問題，節(jié)能已經(jīng)是刻不容緩的重大問題。工業(yè)能耗占我國社會(huì)總能耗最大，是我國節(jié)能工作的重點(diǎn)領(lǐng)域。上海生物制品研究所有限責(zé)任公司作為生物制藥領(lǐng)域的重點(diǎn)企業(yè)，在節(jié)能工作上也負(fù)有不可推卸的示范帶頭責(zé)任。

在生物制藥企業(yè)，空調(diào)系統(tǒng)是最主要的能耗系統(tǒng)。本文分析了本所生技大樓的兩種空調(diào)系統(tǒng)：傳統(tǒng)一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和新、回風(fēng)獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)，分別介紹了各自的組成及空氣處理過程，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了能耗對比。對比結(jié)果表明：采用新、回風(fēng)獨(dú)立處理的空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能大大減少再熱量以及不必要的制冷量，可以大大減少空調(diào)箱夏季的冷量和熱量需求，是一種值得在制藥領(lǐng)域，乃至凈化空調(diào)領(lǐng)域推廣的空調(diào)系統(tǒng)形式。

這種系統(tǒng)是由國際專家團(tuán)隊(duì)在上世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)，可惜直到現(xiàn)在，我國新建的生物制藥車間凈化空調(diào)系統(tǒng)仍然是以一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為主，這種狀況不由得讓人深思，因此筆者提出如下建議：

1)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行是否節(jié)能的最重要的一環(huán)。我國凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該多到現(xiàn)場了解空調(diào)實(shí)際運(yùn)行情況，大膽改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出更先進(jìn)更節(jié)能的凈化空調(diào)系統(tǒng)。

2)空調(diào)運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)該打破傳統(tǒng)只抄表不測試、不計(jì)量的習(xí)慣，對空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程應(yīng)該有更多的深入了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題，并找出合理的解決辦法。

3)空調(diào)節(jié)能事業(yè)需要設(shè)計(jì)者、設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、工程運(yùn)行維護(hù)人員通力合作，互相交流學(xué)習(xí)，共同找到最節(jié)能的系統(tǒng)模式。

[1]中華人民共和國衛(wèi)生部.衛(wèi)生部令第79號(hào)，《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2010修訂版)》，2010

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