【HVAC】我不是药神!但我是“能”神!且看暖通行业如何助药企节能减排降成本

继《战狼2》和《红海行动》之后,6月份感人至深的电影《我不是药神》又掀起了全民讨论。这部以真实故事为原型的影片让大家关注了专门治疗慢粒性细胞白血病的靶向药——格列卫。影片将药企描绘成为冷酷无情、利益熏心的反派。

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殊不知,没有药企,哪来的药,没有药,怎么救命?!

对于药企来说,每开发一种新药,成本是巨大的,不仅涉及到至少十几亿美元的投资,更重要的是时间成本。从理论到合成路线,从制药工艺到毒理学,再到剂型,最后把药做出来,这才是万里长征第一步,接下来是动辄十几年的临床研究,不断改进工艺,稍有不慎,就可能前功尽弃。临床阶段结束后,还有新药注册的严峻任务。美国FDA的审核期为6个月,中国药监局的审核时间最短为4个月。实际上,新药注册长达数年的案例也很多见。新药的专利保护期为20年,这是从药物进入临床实验之前就开始计算了。如果不给专利药市场垄断的机会,让药企看到新药可能的暴利机会,药企不会有任何动力进行新药的研发,那么制药本身就不会有创新和进步。而政府在保护药品知识产权的同时,应出台更多的税收激励机制和价格机制,简化审批流程,提速“救命药”进入市场,并大力推进仿制药产业。

可见,市场上有治病救命的药,老百姓吃得起的药,这是需要药企和政府的共同努力。

那么,咱们来看看暖通空调系统是如何帮助药企进行节能减排,从而降低成本的。

众所周知,医药工业洁净厂房能耗大,据统计,净化空调系统的能耗约占建筑总能耗的50%。在国家大力提倡节能减排、实施绿色工业建筑评价标准的背景下,随着医药洁净厂房建设规模与发展速度的不断扩大,如何采取有效措施来降低能耗,已成为业界普遍重视的问题。

在项目设计阶段把节能作为一个重点去考虑,不仅有利于降低企业的生产成本,也有利于国家的环保事业,是一项利国利民的举措。

1 新风预冷一次回风系统

医药净化空调系统为保证房间洁净度,须满足一定的换气次数要求。洁净度等级越高,换气次数越大,相应送风量也越大。目前常用的净化空调夏季处理过程为新回风混合一次回风过程,其空气处理示意图见图1。空调机组先将W点的新风和N点的回风混合到C1点,然后经冷却除湿处理到机器露点L1点,再加热处理到O点,最后送入房间。

这个流程的不足之处在于为了满足温湿度要求,需要将所有回风冷却除湿后再热,由此造成了大量的冷热抵消,能耗大。

W 室外状态点 N 室内状态点 C1 混合状态点 L1机器露点  O 送风状态点

图1 新回风混合一次回风空气处理示意图

采用新风预冷一次回风的方式可以较好地解决上述问题,其空气处理示意图见图2。空调机组先把W点的新风冷却除湿处理到机器露点L2点,再与N点的回风混合到C2点,然后冷却或加热到O点,最后送入房间。这种方法将新风热、湿负荷和房间热、湿负荷基本上分开处理,根据新风比的不同可以完全或部分避免冷热抵消。目前这种方式在净化空调系统设计中的应用已经越来越多,笔者针对多个医药净化项目进行了空调系统新风预冷设计,节能效果显著。

C2 混合状态点 L2 机器露点

图2 新风预冷一次回风空气处理示意图

以一个实际案例进行分析。苏州某药厂冻干粉针车间罐装区域(已通过美国食品与药品管理局FDA认证),洁净度要求为B级,该空调系统的送风量为40600m3/h,新风量为5500 m3/h,室内温度为22℃,相对湿度为55%,室外干球温度为34.4℃,室外湿球温度为28.3℃,采用7℃/12℃冷水除湿冷却。经计算,露点温度为12.5℃,送风温度为18℃。用新回风混合一次回风方式(方式I)和新风预冷一次回风方式(方式Ⅱ)分别对空气进行处理,计算结果见表1。其中新回风混合一次回风系统采用单级表冷,新风预冷一次回风系统采用两级表冷。

需要指出的是,在该案例中,新风比接近42%时,新风预冷一次回风系统的混合点C2与送风状态点O重合。当新风比小于42%时,C2点高于O点,需要对混合空气进行二次表冷;当新风比大于42%时,C2点低于O点,需要对混合空气进行再加热。

通过比较可知,该项目采用新风预冷一次回风系统可以节省冷量约105kW,同时节省再加热器热量约105kW,总节能率约56%,节省的这部分能量就是冷热抵消的能量。

仍以该项目为例,根据不同的新风比分析2种空气处理方式的能耗情况,计算结果见表2。可以看出:新风比越小,采用新风预冷一次回风方式的节能效果越好。

该车间共有6套净化空调系统,均采用新风预冷一次回风方式。经统计,该车间净化空调系统可以节能(总冷量+总热量)30% 左右,由于净化空调系统本身能耗大,30%的节能率对应的节能量是很可观的。此外,还可以显著减小制冷机组及制热机组的容量,减少初投资。该项目目前已投产3年左右,运行状况良好。

2 合理选用换气次数

GB 50457-2008《医药工业洁净厂房设计规范》对不同洁净度等级的房间有一定的换气次数要求,新版《药品生产质量管理规范》则未对换气次数进行明确规定,通常洁净车间送风量比常规空调系统大数倍。在医药净化空调系统的设计过程中,设计人员通常会将20,30~40,50~60h-1的房间换气次数分别作为D级、C级、B级洁净室的最低换气次数要求。在满足房间温湿度及洁净度要求、工艺设备通风要求、规范最低换气次数要求的前提下,尽可能采用合理的气流组织,降低换气次数,以达到节能的目的,这是设计师需要重点考虑的问题。

对于D级净化区,通常没有最低换气次数要求,世界卫生组织WHO的技术报告937则建议换气次数在6~20 h-1之间,GB 50457-2008《医药工业洁净厂房设计规范》要求100 000级(D级)净化区的换气次数在10~15 h-1之间。为了保证洁净度要求,设计人员通常会取20 h-1作为基本换气次数。对于空调负荷较大的洁净房间(如压片、总混、内包、清洗、干法湿法制粒等房间),还需增大换气次数。2012年山西某药厂进行了洁净度测试,发现很多采用20 h-1换气次数的D级净化房间,已可满足C级静态(10 000级)的要求。建议设计时参照GB50457-2008《医药工业洁净厂房设计规范》,将D级净化区的基本换气次数定为15 h-1。

以苏州某药厂固体制剂车间(已通过FDA认证)为例,其洁净度要求为D级。对于人员较少、设备发热量较小的房间(如净化走廊、暂存间、中转间等),采用15 h-1的基本换气次数;对于操作人员较多、设备发热量较大的房间,适当增大换气次数(以实际计算为准)。对于某些层高很高、发热量很大的房间(如制粒干燥等房间),采用降低送风温度的方式达到降低房间送风量的目的。经计算,送风量普遍可以减少20%甚至更多。目前该项目已投产2年左右,运行状况良好。

对于B级净化区,设计人员多采用50~60 h-1的换气次数为基本换气次数。2012年在山西某药厂的洁净度测试中,有多个B级净化房间在40~45 h-1的换气次数条件下,可以较快达到B级净化要求,无论静态还是动态都表现良好。

当然,室内洁净度与洁净室内气流组织、空气流向、设备布置都有直接的关系,设计过程中应权衡考虑,不必一味加大换气次数。

3 工艺设备间歇排风

医药净化厂房有多种工艺设备需要配备排风,如无菌制剂的洗瓶烘瓶机、隧道烘箱、湿式灭菌柜、固体制剂车间的压片机、胶囊机、烘箱、质检区域的通风柜、洗衣烘衣机等,通常的做法是在设备排气点上方设一个排风罩,排风罩与工艺设备排气口间接连接。当工艺设备运行时,将废气排入排风罩,通过排风机抽走;当工艺设备关闭时,排风罩可直接抽取室内的空气。这样做的优点是室内送排风都是定风量运行,系统稳定,控制要求低,室内相对压差稳定。但缺点也很明显:为了平衡这些工艺设备的排风,空调系统将不间断送入大量处理过的新风。如果这些工艺设备停止运行时可以同时停止其排风以及减少相应房间的送风,则既可满足生产工艺要求,又节能。

这种空调系统需要采用定/变风量结合的送排风方式。以洗烘瓶间为例,工艺设备隧道烘箱在运行时需要抽取部分室内空气,同时排出等量空气以带走设备运行时内部产生的大量热和湿,这时房间内可单独设一路送风及排风用于隧道烘箱间歇排风,如图3所示。送、排风支路均设电动风阀,电动风阀与隧道烘箱连锁,同开同关。整个系统其他管路均设有定/变风量阀,用以克服隧道烘箱启停时的风量扰动,保持各房间稳定的送风量及一定的相对压差。送、排风机采用变频控制。当隧道烘箱停机时,电动风阀自动关闭,由此可以减少3000m3/h的新风量及排风量。有些车间的洗烘瓶间内同时设置4台隧道烘箱,采用上述方式可节约大量能量。

图3 洗烘瓶间送排风示意图

4 能量回收技术

能量回收技术在医药净化空调设计中得到了越来越广泛的应用,这是一种切实可行的节能措施。与大多数空调系统不同的是,医药净化空调系统多采用显热回收的方式,这是为了避免交叉污染,影响室内受控环境。能量回收装置既可以采用液体盘管式换热器,热媒多采用水或乙二醇;也可以采用热管式换热器,热媒多采用特殊工质。

4.1 新风、排风能量回收

新风、排风能量回收系统通过能量回收装置把排风中的冷量(热量)回收并且传递给新风。这种能量回收装置的换热效率等于进气参数的变化量与进排气口的参数差之比,可表示为

在一些新风量较大或全新风净化空调系统中(动物房、固体制剂车间甲类区域、医药实验室等),适合采用这一类型的能量回收装置,尤其针对北方及西北高寒低湿地区,回收效率可达40%~60%。这也需要针对具体项目进行相关经济技术分析,明确热回收系统的运行条件,并根据投资回收期合理采用。

4.2 表冷段前后热量回收

如前所述,净化空调系统夏季处理过程多为新回风混合一次回风过程,为了解决这种方式冷热抵消的问题,表冷器前后热量回收装置也越来越多地应用到医药净化空调领域,这种热量回收装置通常采用热管的方式,其空调箱示意图见图4。

图4 带热量回收装置的空调箱示意图

这种能量回收装置由两部分组成:第一部分位于空气处理机组表冷器前端的进气流位置。热空气通过第一部分时,液态工质汽化,把热量通过连接管转移到位于盘管下游的第二部分。由于热空气的部分热量在进入表冷盘管前已被该装置吸收,空气通过表冷盘管达到露点温度时所消耗的冷量就减少了,从而达到节约冷量的目的。而后,使用第一部分最初吸收的热量,在第二部分将空气再热到一定的温度,从而部分或全部代替后面再热段的功能,节约了再热的热量。这就起到了减少甚至消除冷热抵消的作用。这种系统具备一次回风系统简单实用的特点,又可以在很大程度上起到节能的效果。

目前有很多已运行多年的药厂,其空调系统设备的运行状况已不能完全满足当前要求,比如冷水机组出力不够、空调机组表冷器无法满足设计要求等,导致室内温湿度无法满足要求或在某些天气条件下不够稳定,这时适合采用热管式热回收装置来改造空调箱,改造简便易行,只需在表冷器前后加入这套装置即可,并且效果明显。

5 余热回收型转轮除湿机组

转轮除湿机组在净化空调系统中应用较多,其中大部分应用在室内环境有低湿要求(相对湿度低于45%)且单纯靠冷却除湿无法满足设计要求或冷却除湿需要冷水出水温度过低的场合。转轮除湿在传统的设计领域由于处理空气经过转轮时有一个升温的过程,并且转轮本身再生需要蒸汽或电作为热源,所以节能潜力有限,应用也不广泛。随着技术的发展,市场上出现了可以低温再生的转轮吸附材料,其再生温度可以低至50℃,这就给转轮除湿机组使用工业低温废热或余热提供了条件,如果不考虑这部分转轮再生所需的热能,转轮除湿技术即便在没有低湿要求的常用药厂洁净室空调系统中,也具有很好的节能潜力。

制药企业的废热或余热主要来自2个方面:一方面是工艺系统通常大量使用蒸汽,由此产生大量的蒸汽冷凝水,很多情况下业主对蒸汽冷凝水不加回收直接排放,这部分能量有回收的意义;另一方面,空气源热泵以其灵活方便、不占用机房而在制药领域得到广泛应用,现今已有很多厂家的空气源热泵机组可以对冷凝侧的废热进行有效回收,出水温度可达50℃以上。以上2种工厂能源都可以作为余热回收型转轮除湿机组的再生热源。

转轮除湿系统空气处理过程示意图见图5。空调机组将W点的新风经表冷器冷却至机器露点L点,与一次回风混合到C1 点,再经转轮除湿机组近似等焓除湿升温到2点,与二次回风混合到C2 点,然后进行二次表冷到O点,最后送入房间。

L 机器露点 2 转轮出风状态点

图5 转轮除湿系统空气处理过程示意图

仍以前述苏州某药厂冻干粉针车间为例,假设空调系统的送风量为40600m3/h,室内温度为22℃,相对湿度为55%,室外干球温度为34.4℃,室外湿球温度为28.3℃。比较不同新风比下余热转轮除湿方式(方式Ⅲ)与传统新/回风混合一次回风方式的能耗及节能效果,结果见表3。表中的计算依据为进入转轮的风量分配比例不低于50%,也就是新风加上一次回风占总风量的比例不低于50%,如新风比大于50%,则所有回风不进转轮,全部与转轮处理后的空气混合。

总体来说,新风比越小,采用转轮除湿系统的节能潜力越大。有余热回收的转轮除湿系统相比传统的冷却除湿再热(一次回风)系统,除了有较大的节能潜力外,还由于其原理是通过高温吸湿剂去除空气中的水分,从而代替了传统空调机组的除湿表冷器,可以实现空调系统内几乎不出现冷凝水。常规空调系统除湿表冷器表面及挡水板由于存在冷凝水,容易导致微生物滋生及繁殖;而医药洁净室对受控环境的微生物数量有严格的限定,转轮除湿系统可以有效改善这个问题。

此外,转轮除湿系统对冷水温度的要求较传统冷却除湿系统低,制冷机出水温度可以设定得更高,由于转轮除湿机组表冷器的出风温度要求为18℃左右,理论上12℃的制冷机出水温度就可以满足技术要求,而制药厂制冷机的出水温度多设定为6~7℃。出水温度的升高可以提高制冷机的效率,在一定的出水温度范围内,冷水出水温度每提高1℃,制冷机的能效比约提高3%;本优化方案中冷水供水温度比现行设计值提高了5~6℃,冷水机组的能效比约可提高15%~18%。这从另一个方面起到了节能、节电的作用。

这种系统的应用通常要求工厂有足够并且稳定的废热或余热,才能凸显节能的效果。为了防止工厂余热、废热不稳定导致空调系统运行不稳定,在设计时可在转轮除湿器后面再设置一个备用电加热器或蒸汽加热器。

为更好地实现节能,需要站在一个全局的角度,针对每个具体的项目,根据不同的情况,制定切实可行的措施。此外,还有许多其他工作需要做:业主对节能知识的普及及重视、设备制造商对设备性能及效率的提升、科研人员对节能方法的拓展等等。

总之,医药净化空调系统节能潜力很大,应该引起设计人员的足够重视,为国家的绿色环保事业添砖加瓦。

1、医药地理

2、青春北京

3、《暖通空调》2018年第7期,《医药净化空调系统的节能措施》,作者:中石化上海工程有限公司,顾冬明,杨一心

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