对医药洁净空调系统热回收技术的探索

王红霞

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，江苏南京 210012）

对医药洁净空调系统热回收技术的探索

王红霞

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，江苏南京 210012）

简述了排风热回收的几种方式，并比较了其优缺点，着重对热管式热回收和中间热媒式热回收进行了分析，指出显热回收的方式在冬天回收热量上有较大优势。另外，简单介绍了冷凝排风热回收和蒸汽凝结水回收。关键词 热管热回收；中间热媒式热回收；冷凝排风热回收；蒸汽凝结水回收

医药洁净空调系统由于是全空气系统，且有一定的新风量需求，这就导致空调系统能耗较高。为响应国家节能减排的基本国策，如能在设计阶段，降低整个系统的冷热量，也可一定程度上降低输配能耗，这就能够给制药企业降低生产成本。下面就设计过程中能够实现节能的技术进行介绍。

1 排风热回收技术

医药厂房中，受工艺过程的限制，如产尘、有异味产生的房间，均需要设置排风。因此排风量一般较大，导致需要补充的新风增加，能耗增加。如能回收排风中的能量，其节能量是可观的。传统的热回收分全热回收和显热回收，具体热回收方式有板翅式、转轮式、热管式、中间热媒式等。综合文献[1-2]各种热回收方式的优缺点经过比较，如表1所示。

在医药厂房中，尤其需要注意防止交叉污染，因此需要谨慎选择热回收方式。这里着重介绍无交叉污染的热管式热回收和中间热媒式热回收。

1.1 热管式回收

工作原理：热管是一种借助工质的相变进行热传递的换热原件。热管由管壳、吸液芯和端盖组成，在抽成真空的管子里充以适当的工作液，再将其两端密封，具体如图1所示。热管既是蒸发器又是冷凝器。热流吸热的一端是蒸发段，工质吸收热后蒸发汽化，流动至另一端即冷凝段放热液化，并依靠毛细力作用流回蒸发段，自动完成循环[3]。热管换热器由单根热管集装在一起，中间用隔板将蒸发段与冷凝段分开，每一根热管就是一个无动力的制冷循环系统。

图1 热管结构Fig. 1 Structure of heat pipe

热管的形式较多，有整体式吸液芯热管、整体式重力热管、分离热管。空调所用的热管式回收一般采用重力热管形式。当重力热管的蒸发段从流经热管的热气流吸收热量后，热管内的挥发性液体蒸发，产生饱和蒸汽流向冷凝段，冷气流吸收了蒸汽释放的冷凝热后，这些蒸汽冷凝成液体并依靠重力回流到蒸发段，如此就完成了蒸发到冷凝的循环。

热管热交换器安装在新风和排风系统中回收排风中的冷、热量，通过热管蒸发段和冷凝段的热传递过程，将排风的冷、热量传递给引入系统的新风，属于纯被动式进行热交换。热管内部工质依靠重力和毛细循环动力的作用完成热量的传递，没有额外的运行费用。新排风不接触，避免了交叉感染，非常适合卫生环境要求高的洁净场所。没有运动部件，维护费用低，结构紧凑，占用空间少。

一般应用于组合式空调箱时，有上下式和水平式两种结构形式。其中上下式如图2所示，该种结构形式受限于重力作用，仅适合用于上部通冷风，下部通热风的形式。水平式结构无限制，可同时满足夏季冷量和冬季热量回收。热管式热回收器的工作温度一般在-40 ～ 80 ℃，热管冷热端之间的隔板宜采用双层结构，防止漏风而造成交叉污染。

1.2 中间热媒式热回收

在系统的排风管和新风管上分别设置水-空气换热器，通过液体循环，将热量传递给新风或排风，从而预热或预冷新风。这种显热回收称之为液体循环式热回收或者中间热媒式热回收，其装置被称为液体循环式热回收装置，主要由循环泵，排风换热器，新风换热器和密闭式膨胀罐组成，具体如图3所示。循环液体通常为水，为了降低水的冰点，一般在水中加入一定比例的乙二醇溶液。

排风和新风在管路上完全隔离，不会发生新风、排风间的交叉污染，适用于医院、无菌动物实验室以及排放有毒、有害气体的工业厂房，运行稳定可靠，使用寿命长。换热器之间通过管道连接，布置灵活、安装方便，占地空间小，便于旧系统改造。但是由于是通过循环液体与排风和新风进行间接的换热，换热效率较低。另由于配备循环水泵并且排风、新风换热器有一定的空气阻力，因而有一定的动力能耗。防结霜措施，通常采用循环液体供回水管之间设电动三通调节阀，根据排风盘管回水温度和新风盘管出风温度，来确定开启度。

表1 各种热回收方式的优缺点比较Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of heat recovery modes

图2 上下式热管热回收式空调箱Fig. 2 Combined up and down heat pipe heat recovery used in air handling unit

图3 中间热媒式热回收系统Fig. 3 Medium of heat transmission heat recovery system

1.3 热回收量计算及简析

以常州某动物房为例来说明热回收量的计算过程。计算依据如下：

夏季室外空调干球温度为34.6 ℃，湿球温度28.1 ℃，室内温度为23 ℃，相对湿度50 %，冬季室外干球温度-3.5 ℃，相对湿度75 %，室内温度22 ℃，相对湿度50 %。排风量为10 800 m3/h，新风量9 200 m3/h，采用全新风系统。拟采用热管式热回收，冬夏热回收的效率为50 %。夏季冷负荷156 kW，冬季热负荷92 kW。

由文献[4]，热回收处理后的空气干球温度为：

式中：t1为室外空气干球温度； t2为热回收处理后空气干球温度； t3为室内空气干球温度； η为显热交换效率。

显热回收量为：

式中：Cp为空气定压比热容。

因此，根据公式（1），夏季热回收处理后空气干球温度：t2= 34.6 - ( 34.6-23 )×0.5 = 28.8℃ 冬季热回收处理后空气干球温度：t2= -3.5- ( -3.5-22 )×0.5 = 9.25 ℃。同时根据公式（2）可得，夏季回收冷量：Q = 9 200 / 3 600×1.2×1.01×( 28.8-34.6 ) = -18 kW；冬季回收热量：Q = 9 200 / 3 600×1.2×1.01× [ 9.25- ( -3.5 )] = 39.5 kW。则夏天回收的冷量约占冷负荷的11.5 %，冬天回收的热量约占热负荷的42.9 %。可以看出显热回收的优势在冬季更为明显，这是因为冬季室内外的温差较大，可回收的能量较大。而很多改造项目的空调机房宽度有限，热管式组合空调箱需采用上、下放置，而新风需处理的段数较多，设计上一般采用新风在下、排风在上的机组形式。由前文的描述可知，该型机组只能回收夏天的冷量，此种情况下，需要权衡比较设备的初投资及运行维护费用，再考虑是否采用热管式热回收技术。而采用中间热媒式的热回收方式可以实现冬、夏季均可回收，由此，可以看出中间热媒式更适合改造项目。此外，由于净化空调系统对温度、湿度的处理要求较高，一般从节能的角度出发，采用二次回风系统，导致组合式空调箱的段数较多。此时采用表1中的前两种热回收方式，均会造成设备过于复杂，风管接管混乱。从设计及运行角度考虑，建议热管热回收和中间热媒式热回收应用于全新风系统。

2 冷凝排风热回收

冷凝排风热回收与前面几种热回收方式不同，它是将冷凝器设计在排风通道中，对排风进行热回收，大幅度提高了设备的COP值。夏季制冷工况时，利用排风进行冷凝，大幅度降低机组冷凝温度，改善机组运行工况，极大地提高了设备的可靠性。冬季制热工况时，机组蒸发器置于排风通道中，因此机组冬季不会出现结霜问题。加入过滤器、加湿器等配件，在具备热回收功能的基础上，适用于对空气品质有较高要求的场所，可应用于医药项目中。机组结构如图4所示。

该机组较普通全新风空调机组节能在30 %以上，且自带冷热源，无需水管，设计安装简单，但是机组风量只能做到15 000 CMH左右，适用于小型的项目中。

图4 冷凝排风热回收机组Fig. 4 Condensation heat recovery unit

3 蒸汽凝结水回收

蒸汽在用汽设备中放出汽化潜热后，变为几乎同温同压下的饱和凝结水，凝结水具有的热量可达蒸汽全热量的20 % ～ 30 %，压力和温度越高，凝结水具有的热量就越多。医药厂房中，蒸汽用量较多，加热、加湿等，一般采用0.2 MPa的饱和蒸汽，对应的饱和温度约为120 ℃，如加以回收利用，也能回收一部分热量和水量。通常根据凝结水是否与大气相通，可以将这些系统分为开式和闭式凝结水回收与利用系统[5]。开式凝结水回收，通常是凝结水的集水箱敞开于大气。这种系统的优点是设备简单，操作方便，初始投资小，但是经济效益差，且由于凝结水直接与大气接触，凝结水中的溶氧浓度提高，易产生设备腐蚀。闭式凝结水回收，系统是封闭的。系统中凝结水所具有的能量大部分通过一定的回收设备直接回收，凝结水的温度仅丧失在管网的降温部分，由于封闭，水质有保证，减少了回收水处理费。优点是凝结水回收的经济效益好，设备的工作寿命长，但是系统的初始投资大。医药项目中，采用蒸汽凝结水回收技术通常可以回收一定的热量来预热新风，或者回到锅炉房，加热热水等。

4 结束语

热回收作为一种节能技术手段，已在空调领域有了比较成熟的发展，热回收的形式多种多样，在具体项目中需要权衡考虑，合理选择，尤其是医药项目中，能够防止交叉污染的热回收方式是首选。合理的热回收方式，能够节约能源，提高能源利用效率。

[1]郝景涛，贡振军. 浅谈空调系统中的热回收技术[J]. 洁净与空调技术. 2011，（4）：51-54.

[2]吴宇红，梁江. 空调排风热回收系统设计应用浅析[J]. 暖通空调. 2008，38（9）：60-63.

[3]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M]. 北京：化学工业出版社，2000.

[4]赵德飞，刘东，董宝春. 空调系统排风热（冷）量回收经济性分析[J]. 节能技术. 2005，23（133）：440-443.

[5]陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

Study of Heat Recovery Technology Used in Pharmaceutical Cleaning Airconditioning System

Wang Hongxia
（The IT Electronics Eleventh Design & Research Institute, Jiangsu Nanjing 210012）

Several methods in heat recovery from discharged air were introduced. The advantages and disadvantages of these methods were then compared. Emphatically, the heat recovery methods using heat pipe and transmission medium were analyzed. It was indicated that in winter the method of sensible heat recovery is more advantageous. In addition, in this article, the method of heat recovery from discharged air for condensation and the method of condensing water recovery were brief l y introduced.

heat recovery using heat pipe; heat recovery using transmission medium; heat recovery from discharged air for condensation; recovery of water condensed from steam

TU 834.8

A

2095-817X（2017）01-0054-004

2016-03-17

王红霞（1985—），女，注册暖通工程师，主要从事医药厂房暖通设计。