生物制藥GMP潔凈廠(chǎng)房空調系統的耗能特點(diǎn)和節能措施

一、潔凈廠(chǎng)房空調系統的特點(diǎn)

潔凈廠(chǎng)房空調系統之所以與一般民用建筑的空調系統不同，是因為它對潔凈區域的潔凈度要求很高。潔凈廠(chǎng)房?jì)?，如果由于空氣潔凈度級別、壓力梯度、甚至溫濕度超標，都有可能導致污染的發(fā)生。根據GMP對潔凈廠(chǎng)房的要求，潔凈廠(chǎng)房在運行期間，必須保持相應的潔凈度級別和壓力梯度。同時(shí)，還對溫度、濕度、震動(dòng)、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(chǎng)房空調凈化系統(包括送、排風(fēng)系統)在運行時(shí)，要求與其配套的冷、熱源及相應的各級空氣行，以滿(mǎn)足GMP對潔凈廠(chǎng)房的工作環(huán)境要求。這些要求，也與一般民用建筑空調系統極其不同。長(cháng)時(shí)間的高要求運行也使其耗能較高。因此，潔凈廠(chǎng)房空調系統的節能更具有潛力和意義。

二、潔凈廠(chǎng)房空調系統的耗能的特點(diǎn)

為了減小潔凈廠(chǎng)房空調系統的耗能，首先要對其耗能的特點(diǎn)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(chǎng)房在生產(chǎn)過(guò)程中防止產(chǎn)生污染的首要條件，也是GMP潔凈廠(chǎng)房空調系統在設計時(shí)的首要目標，這一目標必須依靠很高的送、排風(fēng)量實(shí)現，是以高耗能為代價(jià)的。就送風(fēng)量而言，一般的寫(xiě)字樓中央空調要求換氣次數為10h-1左右，而大規模的GMP潔凈廠(chǎng)房?jì)?，為了滿(mǎn)足相應的潔凈度級別，要求GMP潔凈廠(chǎng)房?jì)缺仨毐３趾芨叩膿Q氣次數，致使送排風(fēng)量非常大。100級潔凈室的換氣次數一般要求是400h-1，10000級潔凈室的換氣次數一般要求是40 h-1，100000級潔凈室的換氣次數一般也要達到30 h-1。

2、新風(fēng)負荷大

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

3、系統冷熱負荷大

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

總之，潔凈廠(chǎng)房空調系統具有送風(fēng)量大、排風(fēng)量大、新風(fēng)負荷大、工藝設備產(chǎn)熱大、送排風(fēng)系統阻力大和風(fēng)機靜壓高的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導致了潔凈廠(chǎng)房空調系統的耗能較高。

三、節能措施

GMP潔凈廠(chǎng)房的空調系統雖然有別于一般民用建筑空調系統，但都具有送排風(fēng)單元、送排風(fēng)管路、制冷制熱系統等組成。因此，在送排風(fēng)單元中選用高效節能驅動(dòng)設備、送排風(fēng)管路圍護采取高效保溫措施、過(guò)濾單元選用低阻長(cháng)效產(chǎn)品、制冷、加熱系統選用節能設備等，都可以取得很好的節能效果。同時(shí)，GMP潔凈廠(chǎng)房空調系統又有自己的特點(diǎn)，也就具有獨特的節能方式。

1、潔凈風(fēng)量與空氣調節風(fēng)量分開(kāi)

潔凈廠(chǎng)房空調系統往潔凈室輸送的風(fēng)量中，一是要進(jìn)行空氣調節(對空氣進(jìn)行溫、濕度處理，以滿(mǎn)足潔凈室的溫、濕度要求)；二是要進(jìn)行空氣凈化（空氣過(guò)濾凈化滿(mǎn)足潔凈室的潔凈度要求)。一般情況下凈化風(fēng)量大大超過(guò)空氣調節風(fēng)量。假如讓空調系統同時(shí)進(jìn)行空氣調節和空氣凈化的作用，即空氣調節風(fēng)量和凈化風(fēng)量不區分，所有的回風(fēng)都經(jīng)由空調箱統一處理。如此非常大的風(fēng)量經(jīng)由回風(fēng)管路系統返回空氣處理設備時(shí)，阻力會(huì )很大，風(fēng)機耗能急劇增大。冷熱抵消，造成不必要的浪費。而假如把送風(fēng)量中的空氣調節風(fēng)量和凈化風(fēng)量分開(kāi)處理，凈化風(fēng)量可就近進(jìn)行過(guò)濾處理，大大縮短凈化風(fēng)量輸送管道長(cháng)度，減少輸送耗能；而對于空氣調節風(fēng)量，由于風(fēng)量變小，可以減少空氣冷熱處理耗能，同時(shí)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(chǎng)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(chǎng)房布局規劃時(shí)，針對溫度級別需求不同的潔凈室應按照生產(chǎn)工藝做合理布局，防止出現大溫差的潔凈室相鄰布置，從而杜絕冷熱量互相傳遞導致的能源損耗。有研究表明，當潔凈廠(chǎng)房壁板結構兩側溫差每上升1℃，熱傳遞損失將增加0.6％。當相鄰潔凈室溫度差不可避免時(shí)，應選用低傳導材質(zhì)壁板結構，也能很好的阻止熱傳遞損失的增加。當潔凈廠(chǎng)房?jì)仍O備處于消毒、發(fā)酵、恒溫培養及低溫儲存的過(guò)程時(shí)，與潔凈室內的環(huán)境溫度存在溫度差，為了減少這些設備的冷熱釋放，應對這些設備采取保溫絕熱措施。以減少潔凈室的冷熱負荷消耗。綜上所述，潔凈室廠(chǎng)房的合理布局和壁板合理選材以及潔凈廠(chǎng)房熱源設施的保溫絕熱，都對潔凈廠(chǎng)房空調系統的節能有著(zhù)重要的意義。

3、合理的氣流組織

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

對潔凈室內的空氣流動(dòng)形態(tài)和分布進(jìn)行合理的設計，稱(chēng)作氣流流型。潔凈室的氣流流型主要分為三類(lèi)：?jiǎn)蜗蛄?、非單向流、混合流。單向流潔凈室的氣流是從室內的送風(fēng)一側平穩地流向其相對應的回風(fēng)一側，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、方向在潔凈室內不同地方不同，把通過(guò)高效過(guò)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?zhuān)员３质覂人璧目諝鉂崈舳鹊燃??；旌狭魇菍蜗蛄骱头菃蜗蛄髟跐崈羰覂冉M合使用，其特點(diǎn)是：在需要空氣潔凈度嚴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(mǎn)足了使用要求，也節省了設備投資。

為了實(shí)現潔凈廠(chǎng)房空調系統的節能，應根據廠(chǎng)房?jì)炔煌瑓^域對潔凈度等級的不同要求，采用相應的氣流組織方式?？赏ㄟ^(guò)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，降低送風(fēng)量，從而降低系統耗能。

4、設置局部高級別凈化區域

設置局部高級別凈化區域，一方面，可以降低同一潔凈室非核心區域的凈化等級；另一方面，還可以減少和有效控制人員對高級別凈化區域的影響。把潔凈度級別要求高的凈化區域與周?chē)鷿崈舳燃墑e要求不高的凈化區域加以物理分割，即對重點(diǎn)凈化區域采用圍護的方式與周?chē)鷧^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域、疫苗分裝的核心區域通常設置單向流層流罩等局部?jì)艋瘏^域。同時(shí)，在單向流凈化區域周?chē)O置垂簾圍擋。由于單向流能夠得到很高的潔凈度，這樣即滿(mǎn)足了核心區域的高潔凈度級別要求。又降低了非核心區域的潔凈度級別，從而減輕了空調系統的凈化量，達到降低耗能的作用。

5、減少新風(fēng)量

因為在潔凈廠(chǎng)房的空調系統中，新風(fēng)負荷占有較大比例，因此，減少新風(fēng)量，對降低潔凈空調系統的耗能有著(zhù)重要意義。

要減少系統的新風(fēng)量，首先要減少系統的排風(fēng)量。在GMP潔凈廠(chǎng)房中，根據生產(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、堿及有機溶劑，會(huì )產(chǎn)生各種有毒有害氣體。對此，應盡量采用局部排風(fēng)。用足夠的局部排風(fēng)，控制有害氣體的擴散，并將其排至室外。根據有害氣體產(chǎn)生的場(chǎng)所結構和性質(zhì)，在不妨礙工藝流程的情況下，可以設置各種相應的排氣罩。同時(shí)為減少有害氣體的擴散，排風(fēng)口應盡量靠近有害氣體產(chǎn)生部位。

GMP潔凈廠(chǎng)房根據工藝要求，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(dòng)態(tài)平衡及潔凈室的密封性有關(guān)。在假設空調凈化系統漏風(fēng)為零的情況下，在完全循環(huán)風(fēng)空調系統中，新風(fēng)消耗將趨向零。因此，保持系統的氣密性，也是減少空調系統新風(fēng)量需求的重要因素。在凈化空調系統的施工過(guò)程中，做好送排風(fēng)管路及空調機箱的氣密性施工和驗證、選用氣密性?xún)?yōu)良的潔凈室門(mén)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(xiàn)設施的穿墻密封等都能杜絕系統漏風(fēng)。同時(shí)，優(yōu)良的系統氣密性也對保證潔凈室的潔凈度級別有幫助。

6、系統風(fēng)量、溫濕度精確控制

從節能的角度分析，潔凈室的送風(fēng)量應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，系統中的風(fēng)量和溫濕度是經(jīng)常變化的。這就要求凈化空調的控制系統，及時(shí)根據潔凈室壓差、風(fēng)流量的變化以及溫濕度變化做出實(shí)時(shí)的送風(fēng)量、溫濕度調整，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，可在凈化空調系統的排風(fēng)管、送風(fēng)管處設風(fēng)量傳感變送器、溫濕度傳感器，并與監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系統的PLC控制器，并利用十分成熟的變頻節能驅動(dòng)技術(shù)，實(shí)時(shí)調節風(fēng)機轉速，實(shí)現系統風(fēng)量的最優(yōu)化運行。同時(shí)，可利用PLC參照作息時(shí)間，適時(shí)調整凈化空調系統運行工況，讓凈化空調系統在非工作時(shí)間，處于低耗運行狀態(tài)。這些措施，都能起到降低潔凈廠(chǎng)房空調系統耗能目的。

當然，正如前面所說(shuō)的，GMP潔凈廠(chǎng)房的凈化空調系統的節能還包括很多其他方面。本文只是根據GMP潔凈廠(chǎng)房?jì)艋照{系統的特點(diǎn)，討論其相應的節能措施。與一般空調系統節能相同的其他方面，已有很多文章做了較多的探討，本文不再贅述。