药厂暖通系统运行中的节能探讨

陈宁2024.10 第一部分药企能源使用分析 Part 1：药企能源使用分析Part 2：暖通系统存在的问题及改进目标Part 3：高效机房的改造及优化控制策略Part 4：HVAC净化系统合规降成本的考量Part 5:总结 F&SPHARM TECH 药企能源分析—总能耗 这两年药企开工严重不足，停用车间数较多； 有商业化生产的药企能源成本大约在1000-3000万/年。 药企能源分布—能耗分配 药企能耗主要由水、电、汽三部分组成，典型药企调研结果显示：绝大多数药企能耗占最大的均为用电（J公司因中药提取较多，蒸汽费用高）。 药企用电分布—利泰尔药业 以利泰尔9月份为例，暖通系统使用的电力，在全部电力中的占比超过60%，为药企用电消耗量最大部分。 暖通用电分布—利泰尔药业 利泰尔药业能源管理系统智能电表数据采集： 暖通系统中冷冻机房（主机、泵、塔）占据了暖通电能的79%，其中冷水机组占比最大约50%； 末端（HVAC）占比约21%。 因而，能源的高效供给和能源的高效使用，对我们节能降耗有着至关重要作用。 药企能源分析—䁔通费用高 药物制剂药厂能耗的占比情况： •药企电力能源的消耗，约占到其总能耗的65%以上 •药企暖通系统用电量，约占到整个总电量的60%以上 •其中冷冻机房的能耗，一般又占到暖通系统的75%以上 •暖通系统的运行费用占整个生命周期总成本的65%~70% 第二部分暖通系统存在的问题及改进目标 Part 1：药企能源使用分析Part 2：暖通系统存在的问题及改进目标Part 3：高效机房的改造及优化控制策略Part 4：HVAC净化系统合规降成本的考量Part 5:总结 F&SPHARM TECH 暖通系统存在的问题及痛点 冷冻机房低效能 HVAC使用浪费 系统不能做到重点区域的环境控制及信息反馈，合规风险大。 设备老化，机组效率低，故障多 。 系统不能做到生产、消毒、值班等多模式下自动切换，风险大，效率低。 手动操作为主，依耐操作人员的个人能力运行，系统稳定性差。 现有BMS能力弱，为保障车间环境 工艺参数不超标，控制参数始终在中间值保守运行，浪费严重。 未做水力平衡设计，机泵等配置不科学，系统阻力大，浪费能源。 净化车间洁净度和压差控制不好，异常较多，通过增加送风量（能源）消耗来保障合规和生产需要，浪费严重。 冷水机组、泵、冷却塔等长期低COP下工作，运行成本浪费。 机房综合能效比差，SCOP低于3.0，能耗非常高。 空调系统分区不合理，不能根据阶段性生产安排，启停非工作区域空调系统，造成浪费。 暖通系统改进的方向 本次节能改进优化的方向： 1.改造 成“高效机房”，提高能源的转化率，提供高效二次能源。 2.优化能源的使用，提高末端（HVAC)使用效率，降低总体运行费用。 提高SCOP： 通过技改，提高单机COP值（选用高效冷水机组、冷冻塔、水泵），提高机房综合能效比，高效提供二次能源。 通过AI和寻优系统，做好水力平衡，降低管路阻力，通过调节机组、水泵、冷却塔工作状态，使系统以最小化的电力消耗来满足末端设备对温度的需求（变流量控制），从而提高机房效能。 根据末端使用状况和外界环境状况，在保障末端使用的前期下，提高机组出水温度的方式（变温控制），进一步提升SCOP。 Q（总冷量） 机房效能（SCOP）= W（冷水机）+W（冷冻水泵）+W（冷却水泵）+W（冷却塔） 高效使用能源： 车间净化环境的建立是由冷冻机房提供能源，通过净化空调系统转化为净化厂房的空气洁净度（压差）、温度、湿度等具体指标。 净化环境的建立是为合规生产服务，随着行业对规范理解加深和相关行业技术的进步和突破（如净化车间的建造材料升级、工艺设备的密闭化水平提高、高效过滤器容尘量和过滤效率的提升，以及全球“碳达峰”“碳中和”的战略等因素的共同推动），现行2010版GMP规范已和国际接轨，净化车间的换气次数、温度、湿度等指标已取消了规定数值，为我们暖通系统的节能工作提供了方法和法律依据。 我们将在合规的前提下，针对净化厂房这些重要指标开展相关的节能工作。 第三部分 高效机房的改造及优化控制策略 Part 1：药企能源使用分析Part 2：暖通系统存在的问题及改进目标Part 3：高效机房的改造及优化控制策略Part 4：HVAC净化系统合规降成本的考量Part 5:总结 F&SPHARM TECH 高效机房改造策略 高效机房的定义及评价： 高效机房建设是一个完整的链条，包含五个系统的统一：即冷水机组相关设备的选型、优化的设计、稳定的系统控制、安装施工以及智慧化的调试和运维。 ，目前国内由人工操作控制的冷水机房平均SCOP小于3.0，能效低，有很大的提升空间。 主机扩容，提高单机COP 针对现有冷冻机房改造提高单机设备COP。 改造后 水力平衡优化—变频控制 通过管道重新设计，优化管路阻力，根据负荷情况分配主机，水泵，冷却塔的使用台数，依据需求通过水流量调节提升系统SCOP值。 改造后 主动寻优、优化控制系统 系统全方位监控，记录机组运行状态、通过内置主动寻优系统，收集数据，不断修正，预计通过一年时间完成SCOP优化，达到节能目标。 改造后的手动VS群控对比 测试条件： •改造前螺杆机组+定频泵运行方式VS改造后磁悬浮+螺杆机+变频泵运行方式;•末端用冷同等条件。 测试结果： •通过10月中旬份在原有机房改造后，进行测试验证对比，相关耗电节约约64%，SCOP提升约49%；初步达到高效机房的目标。•预计后期机房系统SCOP值全年运行稳定在5.0左右。•按照每天运行8h，生产运行300天计算，预计全年费用节约约18万元。 变水温控制策略（待测试） 根据季节室外天气，以及末端使用需求，拟进行出水变水温节能测试：计划从原7℃出水，调节成8~10 ℃控制，来论证节能的数据（目前系统已设置了相关程序）。 系统于10月8日投入运行，期间我们进行了相关优化和测试，到10月20日，因平均最高气温已低于20℃，末端负荷已较低，不具备测试条件，变水温模式测试工作我们明年再进行论证…… 第四部分HAVC净化系统合规降成本的考量 Part 1：药企能源使用分析Part 2：暖通系统存在的问题及改进目标Part 3：高效机房的改造及优化控制策略Part 4：HVAC净化系统合规降成本的考量Part 5:总结 F&SPHARM TECH HVAC系统合规降成本 合规降本—HVAC系统 制药生产环境要求 生产环境建立需要由冷冻机房提供的能源：蒸汽、冷冻水、电力，通过空调箱转化为净化厂房的洁净环境要求：空气洁净度、 压差、温度、湿度等指标。 空气洁净度（换气次数） 制药生产过程中空气洁净度尤为重要，需要严格控制空气洁净度，以防止药品受到污染。 温度控制 生产过程中，需要控制温度，以确保药品的质量安全和人员的舒适。 湿度控制 生产过程中，需要控制湿度，以防止药品受潮变质和降低微生物生长的风险。 管理措施 保证生产车间静态、动态及多种模式下环境参数均合规。 后面将从以上这四个角度，探讨在合规的前题下的节能方式 HVAC系统BMS平面图 图为本次测试车间高活车间B102车间BMS平面图（测试时间10月8日---10月21日）。 HVAC系统—机组模拟图 图为本次测试JK4-1/JK4-2HVAC机组平面图，JK4-1为回风+新风的送风模式；JK4-2为全新风模式， 为高活工艺房间服务，故此机组能耗更加高。 HVAC系统-智能电表采集 智能化电表采集系统能够采集并显示公司各车间、共用系统主要设备的用电情况，便于各车间的能耗统计。 合规降本—换气次数节约 洁净室控制房间换气次数标准 国际标准对换气次数无明确标准； 2010版GMP及附录未对换气次数做明确规定； WHO对口服制剂洁净室换气次数推荐值是6-20次/小时，自净时间推荐值是20分钟。 换气次数的取值决定了 送风机的主要技术参数：送风量，功率；电机功率决定了电缆、配电盘柜的容量；风管道的截面尺寸；工程造价影响较大；造成大马拉小车，能源浪费较多。 合规降本-换气次数控制（三种模式） 以下数据是测试利泰尔药业B102车间两台HVAC在不同换气次数下所消耗的电能。 根据统计数据表明在保证合规的前提下： JK4-18次的换气次数比15次换气次数能耗降平均降低了31.5%,15次的换气次数比20次换气次数能耗平均降低了55.4%;JK4-28次的换气次数比15次换气次数能耗降平均降低了74.4%,15次的换气次数比20次换气次数能耗平均降低了30.6%。 合规降本--温度控制节约 洁净室温度标准 国际标准对温度没有明确的标准； 2010版GMP第四十二条对温度的要求：对于工艺或产品本身无特殊要求时，环境的温度和湿度主要根据操作人员的舒适度而确定； 《医药工业洁净厂房设计标准GB 50457-2019》对温度的要求：空气洁净度D级的医药洁净室温度应为18℃～26℃。 节能标准 《实用供热空调设计手册》：供暖时每降低1℃，节能10~15%；供冷时每提高1℃，节能10%左右。《空调设备与系统节能控制》：供暖时每降低1℃，节能5~10%；供冷时每提高1℃，节能10～20%左右。一般计算结果：供暖时每降低1℃，节能5~10%；供冷时每提高1℃，节能8~10%。 交替实验节能率（温度） 依照国标《GB/T 26759-2011中央空调水系统节能控制装置技术规范》原则，计划开展为期为22天的交替实验。其中第1天、第3天······第21天控制温度21℃（绿色），相对湿度65%。第2天、第4天······第22天控制温度25℃（红色），相对湿度65%。具体能耗统计如下图： 目前通过我们4天的交替实验，保持了相似的控制温度、车间的生产环境（静态）。 到目前为止，控制温度在25℃的时候比控制温度在21℃的时候能耗降低了15%左右（不包含蒸汽节能费用）。 注：因外部环境的平均温度已经低于20℃，不具备测试条件，故今年不再进行测试。 合规降本--湿度控制节约 洁净室相对湿度标准 国际标准对湿度没有明确的标准； 2010版GMP对湿度的要求：第四十二条 厂房应当有适当的照明、温度、湿度和通风，确保生产和贮存的产品质量以及相关设备性能不会直接或间接地受到影响； 《医药工业洁净厂房设计标准GB 50457-2019》空气洁净度D级的医药洁净室相对湿度的要求：45~65%。 相关运行案例表明 夏季提高相对湿度控制标准5%，导致3%的能源节约。 冬季降低相对湿度控制标准5%，导致6%的洁净蒸汽节约。 交替实验节能率（湿度） 依照国标《GB/T 26759-2011中央空调水系统节能控制装置技术规范》原则，计划开展为期为22天的交替实验。第1天、第3天······第21天控制湿度65%（蓝色），温度25℃。第2天、第4天······第22天控制湿度50%（红色），温度25℃ 。具体能耗统计如下图： 目前通过我们8天的交替实验，保持了相似的控制温度、车间的生产环境（静态）。到目前为止，控制湿度在65%的时候比控制湿度在50%的时候能耗降低了27%左右（不包含蒸汽节能费用）。 合规降本--管理措施节约 空调系统分区运行 车间设计两条相对独立的生产线，分别为HME生产线和干法/湿法生产线。 F&S根据阶段性生产的安排，空调系统可分区独立运行，有效避免了空运转的浪费。独立关闭一台机组，如JK4-2，仅空调箱电机能耗就可节约7000元/月。 第五部分总 结 Part 1：药企能源使用分析Part 2：暖通系统存在的问题及改进目标Part 3：高