生物制药GMP洁净厂房空调系统的耗能特点和节能措施

一、洁净厂房空调系统的特点

洁净厂房空调系统之所以与一般民用建筑的空调系统不同，是因为它对洁净区域的洁净度要求很高。洁净厂房内，如果由于空气洁净度级别、压力梯度、甚至温湿度超标，都有可能导致污染的发生。根据GMP对洁净厂房的要求，洁净厂房在运行期间，必须保持相应的洁净度级别和压力梯度。同时，还对温度、湿度、震动、噪音、新风量、外排风等都有不同程度的要求。因此，洁净厂房空调净化系统(包括送、排风系统)在运行时，要求与其配套的冷、热源及相应的各级空气行，以满足GMP对洁净厂房的工作环境要求。这些要求，也与一般民用建筑空调系统极其不同。长时间的高要求运行也使其耗能较高。因此，洁净厂房空调系统的节能更具有潜力和意义。

二、洁净厂房空调系统的耗能的特点

为了减小洁净厂房空调系统的耗能，首先要对其耗能的特点进行分析。

1、送风量大

必要的洁净度级别和压力梯度，是保证GMP洁净厂房在生产过程中防止产生污染的首要条件，也是GMP洁净厂房空调系统在设计时的首要目标，这一目标必须依靠很高的送、排风量实现，是以高耗能为代价的。就送风量而言，一般的写字楼中央空调要求换气次数为10h-1左右，而大规模的GMP洁净厂房内，为了满足相应的洁净度级别，要求GMP洁净厂房内必须保持很高的换气次数，致使送排风量非常大。100级洁净室的换气次数一般要求是400h-1，10000级洁净室的换气次数一般要求是40 h-1，100000级洁净室的换气次数一般也要达到30 h-1。

2、新风负荷大

在GMP洁净厂房中，某些区域必须用全新风系统，如化学、生物制剂车间，为了防止生产过程中产生的有害物质积累和逃逸，就必须保持这类洁净室的全负压全新风状态，同时还必须在排风系统中也安装高效过滤单元，这就加大了系统的新风量消耗和压力损失。洁净厂房空调系统的冷热负荷中，新风负荷所占比重最大，通常可以达到总体冷热负荷的20％～70％之多。

3、系统冷热负荷大

在GMP洁净厂房中，除了维持洁净厂房洁净室内规定的温度需要消耗一定的冷热负荷外，GMP洁净厂房的设备，根据所产产品和工艺的不同，有些生产过程所需的设备需要消毒灭菌、或者需要在与环境温度有较大的温差下运行。这些设备在消毒，发酵、恒温培养、低温储存的过程中会释放大量的冷热能，这就需要消耗额外的冷热负荷。

总之，洁净厂房空调系统具有送风量大、排风量大、新风负荷大、工艺设备产热大、送排风系统阻力大和风机静压高的特点，这些特点导致了洁净厂房空调系统的耗能较高。

三、节能措施

GMP洁净厂房的空调系统虽然有别于一般民用建筑空调系统，但都具有送排风单元、送排风管路、制冷制热系统等组成。因此，在送排风单元中选用高效节能驱动设备、送排风管路围护采取高效保温措施、过滤单元选用低阻长效产品、制冷、加热系统选用节能设备等，都可以取得很好的节能效果。同时，GMP洁净厂房空调系统又有自己的特点，也就具有独特的节能方式。

1、洁净风量与空气调节风量分开

洁净厂房空调系统往洁净室输送的风量中，一是要进行空气调节(对空气进行温、湿度处理，以满足洁净室的温、湿度要求)；二是要进行空气净化（空气过滤净化满足洁净室的洁净度要求)。一般情况下净化风量大大超过空气调节风量。假如让空调系统同时进行空气调节和空气净化的作用，即空气调节风量和净化风量不区分，所有的回风都经由空调箱统一处理。如此非常大的风量经由回风管路系统返回空气处理设备时，阻力会很大，风机耗能急剧增大。冷热抵消，造成不必要的浪费。而假如把送风量中的空气调节风量和净化风量分开处理，净化风量可就近进行过滤处理，大大缩短净化风量输送管道长度，减少输送耗能；而对于空气调节风量，由于风量变小，可以减少空气冷热处理耗能，同时也可以减小输送断面和输送耗能。

2、合理布局和选材，做好绝热措施，减少冷热损失

GMP洁净厂房针对不同的生产工艺对洁净室的温度有具体要求，在厂房布局规划时，针对温度级别需求不同的洁净室应按照生产工艺做合理布局，防止出现大温差的洁净室相邻布置，从而杜绝冷热量互相传递导致的能源损耗。有研究表明，当洁净厂房壁板结构两侧温差每上升1℃，热传递损失将增加0.6％。当相邻洁净室温度差不可避免时，应选用低传导材质壁板结构，也能很好的阻止热传递损失的增加。当洁净厂房内设备处于消毒、发酵、恒温培养及低温储存的过程时，与洁净室内的环境温度存在温度差，为了减少这些设备的冷热释放，应对这些设备采取保温绝热措施。以减少洁净室的冷热负荷消耗。综上所述，洁净室厂房的合理布局和壁板合理选材以及洁净厂房热源设施的保温绝热，都对洁净厂房空调系统的节能有着重要的意义。

3、合理的气流组织

净化空调系统的送风量取决于洁净厂房洁净室的换气次数和房间体积。因此，减少系统的送风量可以从减少换气次数和减小洁净室空间两方面入手。换气次数的多少取决于洁净度级别和气流组织。

对洁净室内的空气流动形态和分布进行合理的设计，称作气流流型。洁净室的气流流型主要分为三类：单向流、非单向流、混合流。单向流洁净室的气流是从室内的送风一侧平稳地流向其相对应的回风一侧，因此，能得到很高的洁净度。但其要求的风量大，耗能也大。非单向流的气流速度、方向在洁净室内不同地方不同，把通过高效过滤器处理的洁净空气输送进洁净室从而将污染物冲淡稀释，以保持室内所需的空气洁净度等级。混合流是将单向流和非单向流在洁净室内组合使用，其特点是：在需要空气洁净度严格的部位采用单向流流型，其他则为非单向流流型，这样既满足了使用要求，也节省了设备投资。

为了实现洁净厂房空调系统的节能，应根据厂房内不同区域对洁净度等级的不同要求，采用相应的气流组织方式。可通过CFD模拟等手段，进行科学的气流组织，可以合理的降低洁净室均匀气流速度，换气次数，降低送风量，从而降低系统耗能。

4、设置局部高级别净化区域

设置局部高级别净化区域，一方面，可以降低同一洁净室非核心区域的净化等级；另一方面，还可以减少和有效控制人员对高级别净化区域的影响。把洁净度级别要求高的净化区域与周围洁净度级别要求不高的净化区域加以物理分割，即对重点净化区域采用围护的方式与周围区域隔离，这样，可以减少单向流的净化面积。例如：在洁净室的操作台区域、疫苗分装的核心区域通常设置单向流层流罩等局部净化区域。同时，在单向流净化区域周围设置垂帘围挡。由于单向流能够得到很高的洁净度，这样即满足了核心区域的高洁净度级别要求。又降低了非核心区域的洁净度级别，从而减轻了空调系统的净化量，达到降低耗能的作用。

5、减少新风量

因为在洁净厂房的空调系统中，新风负荷占有较大比例，因此，减少新风量，对降低洁净空调系统的耗能有着重要意义。

要减少系统的新风量，首先要减少系统的排风量。在GMP洁净厂房中，根据生产产品和工艺的不同，尤其是化学制剂的生产中，要使用大量的酸、碱及有机溶剂，会产生各种有毒有害气体。对此，应尽量采用局部排风。用足够的局部排风，控制有害气体的扩散，并将其排至室外。根据有害气体产生的场所结构和性质，在不妨碍工艺流程的情况下，可以设置各种相应的排气罩。同时为减少有害气体的扩散，排风口应尽量靠近有害气体产生部位。

GMP洁净厂房根据工艺要求，不同洁净度级别洁净室要维持必要的压力梯度，而压力梯度的保持与送排风风量的动态平衡及洁净室的密封性有关。在假设空调净化系统漏风为零的情况下，在完全循环风空调系统中，新风消耗将趋向零。因此，保持系统的气密性，也是减少空调系统新风量需求的重要因素。在净化空调系统的施工过程中，做好送排风管路及空调机箱的气密性施工和验证、选用气密性优良的洁净室门窗、做好洁净室壁板的拼板施工及板缝封胶、做好洁净室管线设施的穿墙密封等都能杜绝系统漏风。同时，优良的系统气密性也对保证洁净室的洁净度级别有帮助。

6、系统风量、温湿度精确控制

从节能的角度分析，洁净室的送风量应该是保持洁净室必要的洁净度级别、洁净室的温度、湿度的最小送风量。由于各种原因，系统中的风量和温湿度是经常变化的。这就要求净化空调的控制系统，及时根据洁净室压差、风流量的变化以及温湿度变化做出实时的送风量、温湿度调整，在保证必要的压力梯度和洁净度级别的情况下，尽可能的降低送风量，从而减少耗能损失。通常，可在净化空调系统的排风管、送风管处设风量传感变送器、温湿度传感器，并与监测洁净室房间压力的微压差变送器相配合，将检测信号送至净化空调系统的PLC控制器，并利用十分成熟的变频节能驱动技术，实时调节风机转速，实现系统风量的最优化运行。同时，可利用PLC参照作息时间，适时调整净化空调系统运行工况，让净化空调系统在非工作时间，处于低耗运行状态。这些措施，都能起到降低洁净厂房空调系统耗能目的。

当然，正如前面所说的，GMP洁净厂房的净化空调系统的节能还包括很多其他方面。本文只是根据GMP洁净厂房净化空调系统的特点，讨论其相应的节能措施。与一般空调系统节能相同的其他方面，已有很多文章做了较多的探讨，本文不再赘述。