生物制藥GMP潔凈廠房空調系統的耗能特點和節能措施

一、潔凈廠房空調系統的特點

潔凈廠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。潔凈廠房內，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生。根據GMP對潔凈廠房的要求，潔凈廠房在運行期間，必須保持相應的潔凈度級別和壓力梯度。同時，還對溫度、濕度、震動、噪音、新風量、外排風等都有不同程度的要求。因此，潔凈廠房空調凈化系統(包括送、排風系統)在運行時，要求與其配套的冷、熱源及相應的各級空氣行，以滿足GMP對潔凈廠房的工作環境要求。這些要求，也與一般民用建筑空調系統極其不同。長時間的高要求運行也使其耗能較高。因此，潔凈廠房空調系統的節能更具有潛力和意義。

二、潔凈廠房空調系統的耗能的特點

為了減小潔凈廠房空調系統的耗能，首先要對其耗能的特點進行分析。

1、送風量大

必要的潔凈度級別和壓力梯度，是保證GMP潔凈廠房在生產過程中防止產生污染的首要條件，也是GMP潔凈廠房空調系統在設計時的首要目標，這一目標必須依靠很高的送、排風量實現，是以高耗能為代價的。就送風量而言，一般的寫字樓中央空調要求換氣次數為10h-1左右，而大規模的GMP潔凈廠房內，為了滿足相應的潔凈度級別，要求GMP潔凈廠房內必須保持很高的換氣次數，致使送排風量非常大。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、新風負荷大

在GMP潔凈廠房中，某些區域必須用全新風系統，如化學、生物制劑車間，為了防止生產過程中產生的有害物質積累和逃逸，就必須保持這類潔凈室的全負壓全新風狀態，同時還必須在排風系統中也安裝高效過濾單元，這就加大了系統的新風量消耗和壓力損失。潔凈廠房空調系統的冷熱負荷中，新風負荷所占比重最大，通常可以達到總體冷熱負荷的20％～70％之多。

3、系統冷熱負荷大

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

總之，潔凈廠房空調系統具有送風量大、排風量大、新風負荷大、工藝設備產熱大、送排風系統阻力大和風機靜壓高的特點，這些特點導致了潔凈廠房空調系統的耗能較高。

三、節能措施

GMP潔凈廠房的空調系統雖然有別于一般民用建筑空調系統，但都具有送排風單元、送排風管路、制冷制熱系統等組成。因此，在送排風單元中選用高效節能驅動設備、送排風管路圍護采取高效保溫措施、過濾單元選用低阻長效產品、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，GMP潔凈廠房空調系統又有自己的特點，也就具有獨特的節能方式。

1、潔凈風量與空氣調節風量分開

潔凈廠房空調系統往潔凈室輸送的風量中，一是要進行空氣調節(對空氣進行溫、濕度處理，以滿足潔凈室的溫、濕度要求)；二是要進行空氣凈化（空氣過濾凈化滿足潔凈室的潔凈度要求)。一般情況下凈化風量大大超過空氣調節風量。假如讓空調系統同時進行空氣調節和空氣凈化的作用，即空氣調節風量和凈化風量不區分，所有的回風都經由空調箱統一處理。如此非常大的風量經由回風管路系統返回空氣處理設備時，阻力會很大，風機耗能急劇增大。冷熱抵消，造成不必要的浪費。而假如把送風量中的空氣調節風量和凈化風量分開處理，凈化風量可就近進行過濾處理，大大縮短凈化風量輸送管道長度，減少輸送耗能；而對于空氣調節風量，由于風量變小，可以減少空氣冷熱處理耗能，同時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潔凈廠房針對不同的生產工藝對潔凈室的溫度有具體要求，在廠房布局規劃時，針對溫度級別需求不同的潔凈室應按照生產工藝做合理布局，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，應選用低傳導材質壁板結構，也能很好的阻止熱傳遞損失的增加。當潔凈廠房內設備處于消毒、發酵、恒溫培養及低溫儲存的過程時，與潔凈室內的環境溫度存在溫度差，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，潔凈室廠房的合理布局和壁板合理選材以及潔凈廠房熱源設施的保溫絕熱，都對潔凈廠房空調系統的節能有著重要的意義。

3、合理的氣流組織

凈化空調系統的送風量取決于潔凈廠房潔凈室的換氣次數和房間體積。因此，減少系統的送風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形態和分布進行合理的設計，稱作氣流流型。潔凈室的氣流流型主要分為三類：單向流、非單向流、混合流。單向流潔凈室的氣流是從室內的送風一側平穩地流向其相對應的回風一側，因此，能得到很高的潔凈度。但其要求的風量大，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，把通過高效過濾器處理的潔凈空氣輸送進潔凈室從而將污染物沖淡稀釋，以保持室內所需的空氣潔凈度等級。混合流是將單向流和非單向流在潔凈室內組合使用，其特點是：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，這樣既滿足了使用要求，也節省了設備投資。

為了實現潔凈廠房空調系統的節能，應根據廠房內不同區域對潔凈度等級的不同要求，采用相應的氣流組織方式。可通過CFD模擬等手段，進行科學的氣流組織，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圍潔凈度級別要求不高的凈化區域加以物理分割，即對重點凈化區域采用圍護的方式與周圍區域隔離，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凈化區域。同時，在單向流凈化區域周圍設置垂簾圍擋。由于單向流能夠得到很高的潔凈度，這樣即滿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、減少新風量

因為在潔凈廠房的空調系統中，新風負荷占有較大比例，因此，減少新風量，對降低潔凈空調系統的耗能有著重要意義。

要減少系統的新風量，首先要減少系統的排風量。在GMP潔凈廠房中，根據生產產品和工藝的不同，尤其是化學制劑的生產中，要使用大量的酸、堿及有機溶劑，會產生各種有毒有害氣體。對此，應盡量采用局部排風。用足夠的局部排風，控制有害氣體的擴散，并將其排至室外。根據有害氣體產生的場所結構和性質，在不妨礙工藝流程的情況下，可以設置各種相應的排氣罩。同時為減少有害氣體的擴散，排風口應盡量靠近有害氣體產生部位。

GMP潔凈廠房根據工藝要求，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風量的動態平衡及潔凈室的密封性有關。在假設空調凈化系統漏風為零的情況下，在完全循環風空調系統中，新風消耗將趨向零。因此，保持系統的氣密性，也是減少空調系統新風量需求的重要因素。在凈化空調系統的施工過程中，做好送排風管路及空調機箱的氣密性施工和驗證、選用氣密性優良的潔凈室門窗、做好潔凈室壁板的拼板施工及板縫封膠、做好潔凈室管線設施的穿墻密封等都能杜絕系統漏風。同時，優良的系統氣密性也對保證潔凈室的潔凈度級別有幫助。

6、系統風量、溫濕度精確控制

從節能的角度分析，潔凈室的送風量應該是保持潔凈室必要的潔凈度級別、潔凈室的溫度、濕度的最小送風量。由于各種原因，系統中的風量和溫濕度是經常變化的。這就要求凈化空調的控制系統，及時根據潔凈室壓差、風流量的變化以及溫濕度變化做出實時的送風量、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，盡可能的降低送風量，從而減少耗能損失。通常，可在凈化空調系統的排風管、送風管處設風量傳感變送器、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技術，實時調節風機轉速，實現系統風量的最優化運行。同時，可利用PLC參照作息時間，適時調整凈化空調系統運行工況，讓凈化空調系統在非工作時間，處于低耗運行狀態。這些措施，都能起到降低潔凈廠房空調系統耗能目的。

當然，正如前面所說的，GMP潔凈廠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潔凈廠房凈化空調系統的特點，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。