雙風機空調系統在醫藥工業中的適用性分析

（醫藥集團重慶醫藥設計院有限公司，重慶 400042）

節能環保是當今社會主旋律，空調系統作為企業運行的耗能大戶，如何降低空調系統的耗能，成為現在綠色建筑關注的重中之重?？照{系統中只設置一臺風機，成為單一風機系統，如果空調系統不僅在送風管路上設置送風機，還在回風管路上設置回風機，則稱為雙風機系統[1]。雙風機空調系統以其優越的節能性正逐步成為綠色空調設計的重要措施之一，在空調設計中也已得到廣泛的業內認可。筆者在多年制藥行業潔凈空調設計的經驗中發現，雙風機空調系統與醫藥工業潔凈空調設計的特殊性在很多方面是切合的，且具有其他系統沒有的優勢。

1 雙風機空調系統在藥廠空調設計中的適用性分析

1.1 室內負荷特征

醫藥潔凈室以內區房間為主，具有密閉性好的特點，除應急門、觀察窗外，四周無外圍護結構。醫藥潔凈室的室內負荷呈現夏季冷負荷高，冬季熱負荷低，部分房間內工藝設備散熱量大的特點。筆者在長期的設計回訪及項目反饋中發現，在室外干球溫度＜10℃時甚至更低時，仍有潔凈室空調在運行制冷模式。

同時，潔凈室的新風量除了要保證室內人員的健康衛生要求外，還需要補償室內排風及室內正壓值所需的空氣量之和[2]，較普通舒適性空調而言，潔凈空調的新風量需求更高，新風負荷一般占空調負荷的30%～50%，完全利用人工制冷制熱能耗較大。為了節約能耗，就宜在過渡季節乃至冬季充分利用室外新風來消除室內的余熱。為了更大程度地利用新風，故而引入了可變新風比的方式，而實現可變新風比最直接有效的措施就是雙風機空調系統。

雙風機空調系統采用可變新風比的焓值控制方式，送風及排風機設變頻控制，通過調節新風量大小以達到節能的目的[3]。冬夏季時，在滿足室內新風需求的前提下，降低新風比運行，可大幅降低空氣處理能耗，又能達到節能環保的目的。圖1為某藥廠潔凈空調雙風機段體組合圖。

1.2 空調熱回收

全新風系統一直是空調設計中節能改造的重點對象，藥廠中特別是原料藥廠的一些制藥工序，時常會散發易燃易爆的危險氣體和粉塵，這時應設計為全新風空調系統。采用雙風機結合熱回收的空調方式，通過有效回收排風的冷熱量，則可降低空調能耗，有效解決全新風空調系統能耗大的疑難問題。

以筆者設計的云南某制藥項目的制劑車間空調系統設計為例，由于該車間的一些生產工序或房間伴隨著粉塵產生，部分空調系統不允許設計回風，為了充分利用余熱，實現節能的目的，將這部分空調設計為雙風機系統，結合乙二醇顯熱回收的空氣處理器（如圖2所示）。筆者對這些系統進行了技術經濟計算比較，項目設計中共有55 000 m3/h的風量采用了乙二醇顯熱回收，全年運行費用節省7 萬余元，節能效率約為27%（限于篇幅，此處不做詳細計算介紹）。在室內外溫度差距更大的地區，該節能效率可能更高，節能效益愈發明顯。

圖1 雙風機空調處理器段體組合圖Fig.1 Air handle unit of double fan air conditioning

圖2 顯熱回收雙風機空調處理器段體組合圖Fig.2 Air handle unit of double fan air conditioning with heat recovery system

1.3 建筑物特征

從圖1和圖2不難發現，雙風機空調機組功能段多，機器的外形尺寸大，同時空調機組接管多，所需的風管空間也較大。在許多民用甚至公共建筑空調設計中，空間較為局限，大面積的空調機房也是難以實現的，這也是雙風機空調目前應用上的重要受限因素之一。

但對藥廠設計而言，由于潔凈室區域大，空調系統風量大，管線復雜，往往都配備有較為充裕的走管空間及空調機房面積，這也為設計雙風機空調提供了基本條件。

1.4 風壓及噪音需求

以藥廠中的固體制劑車間為例，車間內的粉碎、稱量、配料、混合、制粒、壓片，包衣等生產工序，常伴隨著各種粉塵的散發，且在多品種藥品交替生產的車間里，還存在著藥品交叉污染的風險。故而這些工序的生產房間，其空調風往往都是經除塵器處理后達標排放，大量排風增大了空調系統新風比和空調能耗。隨著制藥工藝的不斷進步，工藝設備不斷改進，引入了全密閉操作，真空上料等措施，產塵量得到有效控制，產塵房間設計為空調回風已愈發廣泛。

為了避免帶有微量粉塵的回風與新風混合后送入潔凈室引起交叉污染，這類房間的回風口需增設高效過濾器，對空調回風進行處理。增加高效過濾后，使得回風阻力加大，空調處理器的余壓需在原基礎上增加350～450 Pa 左右，風機全壓過大，噪音加大，明顯存在不合理性。

潔凈室（區）的噪音級，動態測試時不宜超過75 dB（A）[4]。風機在高速運轉下會使潔凈系統噪聲和振動加大，使得系統在抗振降噪方面的選型和選材方面受到較大制約，噪音也對潔凈房間的工作環境造成不良影響。

采用雙風機空調設計后，送風管路與回風管路分別配置風機，有效降低了單臺風機所需的余壓，進而可降低潔凈室內的噪音。藥廠中往往多臺空調器放置在一個集中的空調機房內，在這種情況下的降噪效果是尤為明顯的。

1.5 消毒排風

潔凈區應采取有效的清潔消毒方法控制空氣中粒子數和活性生物數，以滿足無菌生產的特殊要求[4]。藥廠都會對潔凈室和潔凈送回風管路進行消毒處理，目前使用較為廣泛的方式為臭氧消毒，即將臭氧通入潔凈空調系統的送風管道中，除對潔凈區空氣、設備及墻、地、吊頂進行滅菌外，同時可殺滅空氣凈化過濾系統和循環風道系統的霉菌，能有效延長高效過濾器的使用壽命。消毒后需考慮臭氧的排除問題，較為常見的設計方式為，在潔凈空調的回風總管處設三通管路，一端接至空調器回風，另一端設置一個消毒排風機排除消毒后氣體，回排風切換由電動風閥的控制實現。

在雙風機空調系統中，回風機可以直接作為消毒排風的風機使用，無需單獨另設消毒排風機，節省初投資。同時，可通過調節回排風量的大小，控制區域內消毒后的空氣排放速度。

2 工程實例計算分析

不難發現，雙風機系統最突出的節能優勢就是變新風比。過渡季節甚至在冬季，都可以充分利用室內外焓差來實現空調系統的節能提效。

以山東濟南某固體制劑藥廠為例，該藥廠在老廠設計時考慮為單風機空調系統，新廠設計時采用了雙風機空調系統的做法，但由于新廠區尚未投入運行，筆者結合老廠區運行數據，采用模擬計算的方式，預估雙風機空調系統的節能效果，以供參考。圖3 是根據業主提供的老廠區全年用冷數據繪制的全年冷負荷變化曲線。

圖3 全年空調冷負荷變化曲線Fig.3 Curve of annual air conditioning cooling load variation

不難發現，全年冷負荷變化的主要因素是室外溫度的變化，部分空調系統在過渡季節，乃至在冬季也仍需制冷。

新廠區進行變新風比空調設計，首先要確定新風比切換臨界干球溫度。根ASHRAE90.1—2001 標準的規定，新風比切換臨界溫度當采用固定干球溫度控制方法時，其新風比切換臨界干球溫度為18℃。但考慮到此標準主要是針對民用建筑，民用建筑室內發熱量與藥廠的差別較大，經過修正核算，確定新風比切換臨界干球溫度為15℃。表1為山東省氣象站發布2019年濟南的月平均氣溫數據，1～3月，11～12月的平均空調干球溫度低于15℃，設計在該期間采用雙風機空調系統的變新風比方式運行。表2，表3分別為單風機空調系統運行參數和雙風機空調系統運行參數。

表1 濟南市2019年月平均溫度Tab.1 Monthly average temperature of Jinan in 2019

表2 單風機空調系統運行參數Tab.2 Operating parameters of single fan air conditioning system

表3 雙風機空調系統運行參數Tab.3 Operating parameters of double fan air conditioning system

全年冷負荷節能分析結論：

（1）就本項目而言，1～3月與11～12月間，這5個月的平均氣溫低于15℃，可以采用雙風機空調系統的變新風比方式運行，全年總冷負荷約降低13%。（2）室外平均溫度低于15℃的時間越長，全年總冷負荷的下降幅度越大。雙風機變新風比系統在我國東北，華北和西北等嚴寒地區和夏熱冬冷地區應用，將取得顯著的節能效果。

3 技術風險

雙風機系統作為一種非常規的空調方式，也存在一定的技術問題有待解決。

3.1 壓差穩定

潔凈室壓差值的恒定，對潔凈室的生產運行是十分重要的。雙風機系統在室內壓差控制上一般采用固定空調送風量的方式，由控制系統中的壓力調節器根據室內的靜壓大小，來調節系統中回風閥的開度大小及系統的回風量，從而對室內靜壓值進行調節。

雙風機系統設置時，如送風、回風風機的風壓選擇不合理，會出現以下情況，進而導致室內靜壓失控。

（1）空調回風量偏小，室內靜壓偏高。如果排除了管道破損、漏風、過濾器阻力增高、風機傳動等原因，那往往是由于回風風機的風壓偏小造成的。

（2）空調送風量偏小，室內靜壓偏低。同上排除硬性問題后，應考慮送風風機的風壓是否偏小，亦或是回風量太小導致的送風量的降低。

故雙風機的風機風壓應通過詳細的風管水力計算，同時在一定余量考慮下合理選擇。

3.2 風機控制

雙風機串聯系統是混合式凈化空調系統的主要形式，由于是兩個風機串聯運行，對于兩個風機的匹配和運行控制有著比單風機空調系統更高的技術要求。

當回風機選用不當，而使得風壓過大時，會使新風口形成正壓，導致新風進不來[4]。新風閥、回風閥、排風閥三閥之間按比例自動調節難度較大。

相對單風機系統而言，雙風機系統在初投資跟安裝調試上都有更高的要求，運行管理便利性也略遜一籌。此外，由于在過渡季新風量的增大，加大了粗效過濾器及末端高效過濾器的容塵負擔，使之壽命縮短。

4 結束語

雙風機系統并非適用于所有車間及工況，且由于其初投資高，耗電量較大，相對單風機系統而言，雙風機系統在設計跟安裝調試上均有更高的要求，運行管理的便利性上也略遜一籌。但節能上的優越性、結合凈化空調設計的適用性也是其得天獨厚的優勢所在。在設計前應先對雙風機系統設置是否合理進行技術經濟比較。同時在沙塵暴易發地區，過渡季節時間較短的地區，室內溫濕度精度要求較高的場合，采用雙風機系統也都不大適合。

在保證空調系統穩定運行的前提下，研究和解決節能問題，已成為行業從業者共同的目標，如何在解決雙風機系統技術問題的同時充分發揮其節能優勢，是需要繼續探討和發展的方向。