热能回收装置在洁净空调系统中的应用分析

卢子建 何国熙

（广州医药集团有限公司 广州）

一、概述

洁净空调系统是药品生产厂房保证环境温湿度、洁净度符合GMP规范要求的关键公用系统，也是公用系统中的能耗大户，占总能耗70%左右。药品生产车间产尘量较大、有刺激性以及易燃易爆气体挥发的工序较多采用直排方式，以保证车间内的洁净度和防火安全，大量低温低湿的空气直接排放到大气中，是极大的能源浪费，特别是在高温潮湿的南方地区，这种状况对运行成本带来了不可低估的影响。

使用热能回收装置，吸收利用排风的能量，既能达到节能降耗、低碳环保的效果，又可为企业节约运行成本。不同类型的热能回收装置原理和特点各异，以下结合药品生产厂房洁净空调系统的特点，对热能回收装置应用效果进行比较分析。

二、热能回收装置类型及分析

热能回收装置是将热量从一股气流传递到另一股气流的装置，吸收利用建筑物内排风的余热（冷），达到节能降耗的目的。热能回收的形式较多，按回收热量的类型可分为全热回收装置和显热回收装置，全热回收装置既能回收显热也能回收潜热，显热回收装置只能回收显热。全热回收装置主要有转轮式换热器、板翘式换热器、热泵式换热器，显热回收装置主要有热管式换热器、中间热媒式换热器、板式显热换热器。

1.全热回收装置

（1）转轮式换热器。通过轮体旋转过程中材料的蓄热和放热效应，实现两股气流之间热量交换的热回收装置（图1）。转轮的蓄热体为圆盘蜂窝状，一般由特殊复合纤维和铝合金箔制成，并在表面涂有二氧化硅、分子筛等吸湿材料，因此转轮可以对潜热进行回收。室内排风经由转轮入口吸入，将热量传递给转轮，新风从另一侧入口吸入，转轮旋转将积蓄在转轮上的热量传递给新风。

（2）板翘式换热器。具有全热换热功能的板翘式换热器，隔板和换热板由具有良好传热和透湿性但不透气的纸层叠组成（图2），当进排气两侧存在温差和水蒸汽压力差时就会产生湿热交换，从而实现全热回收。

（3）热泵式换热器。该换热器由压缩机、冷凝器、蒸发器等一系列配套设备组成，结构与普通风冷热泵空调系统基本相同（图 3），蒸发器和冷凝器分别设在排风气流和新风气流中，利用排风的温度（夏季比室外空气低，冬季比室外空气高），提高热泵系统的能效比，处理新风。夏季，新风流过蒸发器，排风流过冷凝器；冬季，蒸发器改为冷凝器，冷凝器改为蒸发器。

图1 转轮式换热器

图2 板翘式换热器

图3 热泵式换热器

2.显热回收装置

（1）热管式换热器。利用某种工作流体在管内产生相态变化和吸液芯多孔材料的毛细作用，进行热量传递（图4）。通常采用不锈钢或铜作为热管壳，借助工质（氨、氟利昂、丙酮、甲醇等）的相变进行热传递。热管一端为蒸发段，另一端为冷凝段。当一端受热时，液体迅速蒸发，蒸汽在微小压力差的作用下流向另一端，并快速释放热量，而后重新凝结为液体，液体沿多孔材料以毛细作用和重力流回蒸发端，如此循环，热量不断进行传递。

图4 热管式换热器

（2）中间热媒式换热器。在新风和排风侧，分别使用一个气液换热器，排风侧的空气流过时，对系统中的冷媒进行冷却，在新风侧被冷却的冷媒将冷量转移到进入的新风上，冷媒在泵的作用下不断地在系统中循环，供热侧和受热侧通过管道连接，位置和距离不受限制。

三、热能回收装置效能分析

1．转轮式换热器

中间换热媒介单一，换热效率高。空气流过转轮时的迎风面风速越小，效率越高；反之，迎面风速越大，效率越低。通常迎面风速取2.5～4m/s。转轮转速和效率有一定关系，当转速小于4r/min时，效率明显下降；当转速增加至10r/min以上时，效率几乎不再发生变化。热回收效率可达70%～80%。

2．板翘式换热器

结构简单，没有传动设备，基本上不消耗电力，运行可靠性高。新风和排风不直接接触，减少了污染物质从排风到新风转移，全热回收效率可达70%。气流在层之间流动，会使换热膜片扰动，气流大时，产生强大的阻力和噪声，甚至吹破膜片，结构受气流限制。

3．热泵式换热器

可以回收大量热能，回收效率高。但需配备压缩机、蒸发器、冷凝器等设备，结构复杂，设备投资成本高。压缩机消耗电能，运行费用高。

4．热管式换热器

基本上仅能回收显热，不需要动力源，基本上不产生运行费用。其性能受工作时热管倾斜角度的影响。

5．中间热媒式换热器

只能回收显热，需要配备热媒输送动力设备，电能消耗较大。管道输送热媒温差损失大，换热效率低，仅为30%～40%。

四、洁净空调系统热能回收装置应用分析

洁净室温度和相对湿度要保证药品生产工艺要求，并保证药品生产环境和操作人员的舒适性。药品在洁净室生产过程中会与空气发生接触，温度对某些特殊药品质量会产生影响，对于吸湿性物料，暴露于湿度过大的环境会出现增重现象，影响基于重量的配方。南方气候高温高湿，增大了洁净室温湿度调控的难度，与舒适性空调系统着重于温度控制相比，洁净空调系统更须注重温度、湿度控制。因此，选择热能回收装置应考虑以下三方面。

1．具有全热回收功能

洁净空调系统中需要进行热回收处理的空气，基本是由产尘量大、挥发刺激性气味以及使用易燃易爆原料的洁净室排出，此类洁净室一般产热量和产湿量不大。夏季，排风温湿度远低于室外新风，将排风显热和潜热回收，用于新风预处理，可有效降低处理新风耗冷量。冬季，排风温湿度高于室外新风，回收排风显热和潜热，用于新风预处理，可有效降低空调系统的加热量和加湿量。因此，洁净空调系统宜选择具有全热回收功能的装置。

2．热能转换效率高、运行费用低

无菌制剂生产操作环境洁净级别通常为A级、B级、C级、D级，洁净度级别高，换气次数高，B级、C级换气次数达到每小时20次以上。非无菌口服制剂生产操作环境洁净级别通常为D级，换气次数为每小时15次左右。在产尘量大或使用易燃易爆原料的生产环境中，为确保有足够的流动空气带走尘埃粒子和易燃易爆气体，需要通过加大换气次数，保证符合洁净度级别和安全要求。洁净区净化空调系统处理新风量往往较大，处理新风能耗很高，热能转换装置需要有较高的转换效率才能最大限度回收排风能量，降低空调系统处理新风的能耗。

图5 热回收转轮洁净空调系统

使用热能回收装置的目的是降低能耗，节约运行成本。需要额外大功率动力配套的热能回收装置虽然可回收大量热能，但是由于消耗电能，实际上达不到真正意义上的节能降耗，节约运行成本的效果也不明显。

3．结构简单、维护方便

洁净空调系统对于药品生产厂房来说犹如人体的肺部，呼吸不畅将直接影响整个生产系统的运作。洁净度、温度、湿度是洁净厂房符合生产要求必须同时满足的三个物理条件，空调系统的局部故障导致其中某一条件缺失，将使整个生产陷于停顿。结构过于复杂的设备运行可靠性、稳定性通常情况下不如结构简单的设备。药品生产企业维护人员一般只精于工艺生产设备的维护保养，对公用设备的熟悉程度不如专业人员，设置过多公用设备专业维修人员由于使用效率低下而增加人力成本。因此，选用公用设备必须以结构简单，便于维护为前提，既提高运行可靠性，又便于日常维护保养。

五、热能回收装置应用

某制药企业生产车间，由于工艺需要，操作间空气必须全部排出，但该工序产热量不大，排出的空气温升不高，采用传统全排方式浪费冷量较多。因此，在洁净空调系统中使用了热能回收装置。

该企业位于南方地区，夏季高温高湿，宜选用全热回收装置。板翘式换热器由纸质材料组成，虽有较好传热、透湿性，但大气流、大扰动条件下隔板容易破损，新风和排风之间存在较大的交叉污染风险。热泵式换热器可回收大量热能，回收效率高，但需要额外消耗电能，总体节能效果不理想，维护保养难度大。转轮式换热器具有较高的热回收效率、维护简便，额外动力能耗低，比较符合药品生产洁净厂房空调系统要求。带有热回收转轮装置的洁净空调系统结构见图5。

热回收转轮上下两个半圆分别处于空调风柜新风段、排风段。夏季运行时，室内低温排风经过初效、中效过滤后，通过上半圆热回收转轮处理，转轮温度降低，水分含量减少，当上半圆转轮转入下半圆时进入新风段，与室外新鲜空气接触，转轮吸收高温高湿新鲜空气的热量和水分，使新鲜空气降温减湿。冬季与之相反。

室内回风经过初效、中效过滤后再由转轮处理，有效保证了转轮不沾染粉尘，避免交叉污染，达到GMP规范要求。在转轮上下以及新风、排风段之间设置旁通阀，可在进行系统灭菌消毒时转换为全回风状态。中和消毒剂时，将上下旁通阀打开，可增加新风流量迅速中和消毒剂。

以夏季运行状况对空调系统采用全排不回收和热能回收两种方式的能耗进行对比，计算结果：全排不回收方式需表冷器冷量为562.63 kW，经过热能回收装置回收冷量后，表冷器冷量为338.27kW，能耗降低39.87%。