實驗動物建筑設施節能技術探討

唐利軍，徐國景，張金明，樊柏林，楊文祥，駱 偉

（湖北省疾病預防控制中心，武漢 430079）

水、電、氣、蒸汽等能源物質供應是實驗動物建筑設施建立與正常運行的物質基礎。改革開放以來，全國各地建立了規模不等的實驗動物設施，從實際運行管理的效果來看，能源物質供應與利用的方式成為制約實驗動物設施成敗的關鍵，節能降耗也因此成為新建實驗動物設施重點考慮的關鍵因素。本文結合作者長期的的實踐經驗探討了這個問題，以供參考交流。

1 實驗動物建筑設施的能耗分析

由于實驗動物建筑設施基本采用集中式通風空調系統，并且對空調控制區域的溫濕度、潔凈度及氣流組織等環境參數都有嚴格的控制范圍要求，故其機電設備所耗能源幾乎占建筑能耗的50％以上，其中冷熱源使用量占40％、輸送系統占60％［1］。

圖1 日本某大型醫院的能耗分析及節能21％所采取的措施（涂光備［2］，天津大學環境科學與工程學院）Fig.1 Japan’s energy consumption at a large hospital and 21％energy-savingmeasures taken（TU guang-bei［2］，Tianjin University，College of Environmental Science and Engineering）

圖1是日本某大型醫院的能耗分析及節能21％所采取的措施［3］。從該能耗分布圖可以看出，空調熱源消耗占25％，其中通過新風消耗的熱源占40％、維護設施造成的能耗占30％、內部人員熱耗占30％；驅動設備如空調、通風及水泵電機耗能占29％；提供衛生熱水能耗占11％；照明耗能占15％；電梯、醫療及廚具等設備能耗占20％。如果要節能21％，則上述五個方面采取的措施應該分別占8∶5∶2∶3∶3。

盡管實驗動物建筑設施與醫院建筑設施具有類似的能耗特點，但仔細分析，前者還是有其結構與使用上的特點，如醫院的開放式環境比例高；內部人員數量多、流動量大、熱耗高；中央空調部分新風；衛生熱水用量大；照明要求高；電梯、醫療及廚房等產熱設備多。因此，在能耗分布與節能措施方面略有不同。總的來講，由于目前的實驗動物設施基本上是采用全新風中央空調通風系統，并且內部主要是動物所產生的熱源能耗，故空調熱源與消毒蒸汽設備耗能要高于醫院設施，驅動設備耗能與醫院設施相當，而熱水、照明、電梯、廚房、醫療等設備耗能則低于醫院設施。

針對上述特點，筆者認為實驗動物設施在設計與運行管理階段應采取如下節能措施。

2 實驗動物建筑設施設計階段的節能措施

技術先進、經濟合理、使用安全、維護方便是實驗動物建筑設施設計的宗旨［4］，也是國家投資建設項目節能控制措施的基本要求［5］。從上述能耗分析的實際情況來看，完善的空調熱源設計是節能控制措施的核心，這體現在優化空調控制的工藝布局、重視建筑維護材料及能耗設備的選型、減少冷熱負荷、提高冷熱源工作效率、改善通風空調氣流組織及采用自動控制管理方式等。

2.1 優化實驗動物建筑設施的工藝布局設計、控制或減少新風量

由于新風負荷占建筑物總負荷的20％～30％，控制和正確使用新風量是空調系統最有效的節能措施之一。所以，要控制新風量就必須改變建筑的工藝布局，按照動物生存空間的最小新風量標準進行設計，并選擇技術先進的獨立通風籠具（IVC設備）飼養動物，杜絕該設備以外的渠道如工作人員的屏障環境補充新風，這樣就可以利用大屏障環境潔凈循環空氣而節能，并由于IVC設備可以對人與動物實施有效的物理隔離、改善了動物小屏障環境的氣流組織與飼養條件，這樣就可以使屏障設施實驗單元的數量提高3～5倍，即原來在30m2左右只能開展1項實驗的飼養單元（飼養間加前室面積），由于采用了IVC設備就可以開展5個左右的實驗項目，并可以保證實驗動物的質量及實驗結果不受影響，故這是國外最先進的、設施利用率最高、最普遍采用的建筑設施工藝布局。

值得提醒的是，由于國內外目前使用的IVC設備都是機、架、籠一體化設計，飼養間過多的電機設備布局也是需要特別控制耗能設備，如果把主機設備放在控制區外面如設備技術層，這樣不僅可以對控制單元的多個飼養架實施系統管理，飼養室內動物籠具外面的空氣就可以循環使用，從而大大降低新風的熱能耗，這種模式在醫院潔凈手術部建筑設計［6］方面具有很成熟的技術，即大潔凈環境由潔凈空調新風機組集中提供定溫度、定壓力、變風量潔凈新風，局部或單個手術室的通風空調系統則根據工作需要，從新風機組的主管道獲取所需要的潔凈空氣，并可以隨時關停，有利于節能，新風機組在手術室停用的情況下，還可以向手術室提供值班新風，以保持手術室的潔凈環境條件，國內外新建的實驗動物設施也開始采用這種工藝技術。

2.2 減少冷熱負荷

改善建筑的保溫隔熱性能可以直接有效地減少建筑物的冷熱負荷，并因此可以減小制冷機、供熱鍋爐、冷熱水循環泵、空調箱、風機盤管等設備的型號，降低空調系統的初投資，而且這些設備型號減小后，所需的配電功率也會減少，這會造成變配電設備初投資減少以及上述空調設備日常運行耗電量減少，運行費用降低；同時在普通屋頂表面涂上淺色的、高反射率的屋頂，以減少太陽熱量的吸收，可使空調負荷減少約10％～50％。目前，國內絕大多數實驗動物設施都是使用輕質彩鋼板材料作為屏障設施的維護結構，這對小面積的建筑設施不會帶來大問題，但規模建筑設施則不僅會帶來檢修維護方面的困難，更會由于天生的拼裝結構建筑，而造成保溫、消防、氣密性、耐用性及經濟性等方面的問題。因此，筆者認為，動物設施裝修應該盡可能使用土建材料，包括技術層建筑盡可能使用混凝土整體現澆而成，各種風口、管口要事先按照使用工藝設計好，容易增加冷熱負荷的窗戶、門、設備、燈具及管線都要減少或回避使用。

2.3 提高冷熱源工作效率

中央空調能耗一般包括冷熱源、空調機組與末端設備、水與空氣輸送系統三部分，其中冷熱源能耗約占總能耗的一半左右。故在空調系統的設計中，必須重視工況不同對冷水機組性能產生的影響，考慮并滿足中國氣候和水質條件的要求，以保證機組長期高效運行。凡是控制在2萬風量以上的實驗動物動物設施，主張選用高能效螺桿冷水機組制冷及燃氣熱水或蒸汽鍋爐制熱。但也反對盲目追求能效，應結合中國當前經濟發展水平及設施規模，采用系統法選用高效離心式制冷機。

有條件的地方，還可以利用土壤熱源［7］，我國南方地區空調系統主要用空氣源熱泵作為冷熱源，由于其“室外機”受環境空氣季節性溫度變化規律的制約，夏季供冷負荷越大時對應的冷凝溫度越高，從而主機能耗增大。與地面上環境空氣相比，5m以下土壤的全年溫度穩定且約等于年平均溫度，這是一種比環境空氣更好的熱泵系統的冷熱源，還可與太陽能聯用以改善冬季的運行條件，可以節能約20％，并且埋地換熱器不需要除霜，可以在地下靜態的吸放熱，減少了冬季除霜的能耗及空調系統對地面空氣的熱污染與噪音污染。

蓄冰中央空調系統是采用再冷式冰蓄能與冰剝離法，而減少了剝離能耗，其核心是利用峰谷電價的差別將用電高峰時的空調負荷轉移到電價較為便宜的夜間，從而達到節約運行費用的目的，具有極佳的經濟和環保效益，該技術在歐美日韓等國的使用普及率已達60％以上，我國也出臺了相關政策推廣該技術。該技術是將制冷機組和蓄冰裝置以串聯方式連接為一體，主機位于蓄冰設備的上游（圖2），采用全部或部分負荷蓄能運轉方式。前者是利用原有的冷水機組，再補充蓄冷設備和有關的輔助裝置，常用于需要瞬時大量釋冷的改建工程如體育館建筑；后者的冷水機組連續運行，夜間制冷蓄能、白天則利用蓄冰為屏障區提供制冷，這樣可使冷水機組的制冷能力減少50％以上，是新建實驗動物設施最實用的、投資有效的負荷管理方案。值得提醒的是，蓄冰空調系統初投資通常高于常規空調系統的26％，但由于其使用壽命至少在20年以上，按照國家電網能源節約政策，一般需要4年以上運轉才能將增加的投資收回，在不實行峰谷電價分段計費的地區或單位，不推薦該技術的應用。

2.4 改善通風空調氣流組織

無論是普通級還是SPF級實驗動物設施，采用中央空調送風系統對于溫濕度等環境參數控制及氨氣調節都是十分必要的。出于節能的考慮，普通級環境的動物飼養區采用全新風排放（局部相對負壓條件）與輔助區空氣循環利用的方式比采用換能設備對實驗區全排放的空氣能源進行回收的方式（圖3、4），而屏障環境則采用2.1的優化氣流組織工藝及其設備，這樣更有利于保證實驗區空氣質量、節省投資及節能。

圖2 雙工況制冷機組與蓄冰裝置串聯的工作原理圖Fig.2 Duplex status of refrigeration units and ice-storage devices work in series schematic

圖3 普通級實驗動物設施通風空調節能工藝設計原理圖Fig.3 Schematic design of ventilation and air conditioning energy saving technology of ordinary laboratory animal facilities

由于初、中、高效過濾器及調節閥、冷熱交換器、風管的空氣阻力存在，在設計時就必須考慮這些設備的工藝布局，如果在設施的最短、最捷徑位置布局通風空調機房，就會縮短送排風管的長度、減小風機的功率、提高換氣效率；如果在機組新風段增加粗效過濾器設備，盡管會增加空氣阻力，但可以有效保護其后段的初、中效過濾器與冷熱交換器等設備的功能，并因此延長高效過濾器的使用壽命；如果合理地布局送排風管的走向、并充分利用變頻等自控設備，就會大大減少風管的數量及轉彎程度，并會避免不必要的風管布局交叉，從而有效地減小了風管的空氣阻力。

圖4 實驗動物屏障環境設施通風空調節能工藝設計原理圖Fig.4 Schematic design of ventilation and air conditioning energy saving technology of barrier environment laboratory animal facilities

另外，還應該針對實驗動物設施的生產、使用、動物飼養區與非動物飼養區的功能需要，合理地布局建筑裝修、設備安裝與送排/回風口位置，以保持流暢的工藝設備條件布局與氣流組織布局，并達到節省初投資與長期運行的費用。

此外，冬夏季利用全熱交換器可以從排風中回收70％～80％的冷熱量傳遞給新風，有明顯的節能作用。為了保證室內空氣足夠新鮮，以滿足動物與工作人員的舒適要求，全熱交換器必須將排風與新風完全隔離，只能能量交換，而不能發生新排風交叉混合。

2.5 采用先進控制設計的節能管理方式

新風量與各種驅動設備是實驗動物設施的能耗重點，占中央空調能耗的40％左右，通過采用自動控制的管理方式可節省30％以上的初投資及運行管理費用。

2.5.1 采用變風量空調控制系統重點控制新風量能耗［8］：實驗動物設施經常會由于生產或實驗計劃的改變，而需要對空調控制區域的大小進行調整，并因此而導致區域內的余熱值發生變化，要保持區域內的溫度與壓力不變就必須將送風溫度與壓力值固定，而改變進風量，這也是實驗動物設施由集中式控制向各個區域進行獨立或個別控制的方面發展趨勢。

變風量空調控制系統可根據各動物飼養間的實際使用情況（動物容積率），在溫度與壓力值相對固定的情況下，通過改變區域送風量的辦法來滿足不同房間（或區域）對負荷變化的需要，從而可以減少系統的總設計風量及空調設備的容量，進而可節省設備費的初投資及系統30％的運行能耗，并可同時提高環境的舒適性，這種設計尤其適合于設施空間大而且房間多的建筑。

2.5.2 采用中央空調智能節電系統控制驅動設備能耗［9］：實驗動物設施內各種驅動設備如水泵與風機是節能控制的重點部位，應采用先進的中央空調智能節電系統（簡稱GL-CAC）。

該系統系統尤其適合于復雜的、非線性和時變性的實驗動物設施中央空調控制，其核心是模糊控制器及其控制軟件即利用模糊規則推理對系統的粗略知識進行類似人腦的知識處理，進而實現對復雜系統的優化控制。其工作原理是根據設施使用的不同狀況，以微電腦技術、系統集成技術及變頻技術為控制手段，當中央空調系統負荷變化造成空調主機及其水系統偏離最佳工況時，模糊控制器根據數據采集得到各種運行參數值，如系統供回水溫度、供回水壓差、流量及環境溫度等，經推理運算后輸出優化的控制參數值，對系統運行參數進行動態調整，確保主機在任何負荷條件下，都有一個優化的運行環境，始終處于最佳運行工況，從而保持效率最高、能耗最低，實現進而實現中央空調輔機節電30％～60％、主機節電5％～20％的目標（圖5）。

圖5 GL-CAC中央空調節電控制原理圖Fig.5 Power-saving control of the GL-CAC central air-conditioning schematic

GL-CAC系列中央空調節能控制系統是目前最先進的節能控制產品，它與當今普遍使用的定流量控制模式和通用變頻器控制方法相比，具有以下技術特點：它通過對中央空調能源運行系統的動態監測和閉環控制，將定流量運行改為變流量運行，實現空調主機冷媒流量跟隨末端負荷需求而同步變化，滿足了系統的舒適性與節能最大的需求；由于空調主機是根據系統的運行工況及制冷工質參數的變化，通過模糊控制器動態調整空調系統運行參數，確保其始終處于優化的最佳工作點上，使主機始終保持具有高的熱轉換效率，有效地解決了傳統中央空調系統在低負荷狀態下熱轉換效率下降的難題，提高了系統的能源利用率；針對空調系統的各個環節如冷凍水系統、冷卻水系統、冷卻風系統等實施全面控制、系統協調運行，并實現系統大功率泵組和風機的平滑起停，減小起停沖擊和機械磨損，減少設備故障和延長設備使用壽命，最終實現中央空調全系統綜合性能優化與最佳綜合節能的效果。

2.6 衛生熱水與消毒蒸汽設備工程優化設計節能方式

衛生熱水與消毒蒸汽耗能占總耗能的30％以上，也是在設計階段重點考慮的節能領域。

一般而言，規模化的實驗動物設施須采用集中供消毒蒸汽的供應方式，并且要考慮蒸汽設備的備用問題。如果需要1000kg的消毒蒸汽，應配備2臺500kg而不是2臺1000kg的的消毒設備，并串聯在一起互為備用，因為蒸汽消毒設備不需要24h不間斷、滿負荷運行，完全可以根據設備的正常運行需要調整消毒工作時間及消毒負荷。同時，還可以投入少量的換能設備，將蒸汽轉換成衛生熱水，將空調主機降溫產生的熱能轉換成衛生熱水的能源，將太陽能產生的熱水與衛生熱水系統串聯起來。這樣的設計不僅會減少50％以上的初投資費用，并且可節省50％以上的熱能費用。

3 設施系統運行過程中的節能

在實驗動物設施的能耗中，有很大一部分是由于管理不善而引起的，故加強對設施系統運行的科學管理是節能控制的關鍵措施之一。

3.1 采用熱量計量技術，加強冷熱源設備系統的運行管理

該成熟技術在歐美等國已普遍采用，武漢國家生物產業基地計劃采用，這樣各中央空調用戶，尤其是實驗動物設施用戶不僅不需要建立獨立的中央空調冷熱源、衛生熱水及消毒蒸汽設備，而且由于建立了專業化的操作人員隊伍，并通過熱量計量設備來檢驗操作人員的控制管理水平，其節能率在8％～15％。如果是獨立的實驗動物設施用戶，也可以通過專業培訓及專業操作證制度來提高管理人員的業務素質，并通過熱量計量設備來達到節能的目的。

3.2 設施的年運行節能管理

設施的年運行節能管理重點應考慮過渡季節的運行管理，包括設施外新風的利用與新風量的確定等。

設施外冷空氣的利用有兩種方法：一是春秋季過渡季節充分利用室外焓值小的低溫空氣為室內供冷降溫，減少冷機的開啟量，節省能耗；二是利用冷卻塔供冷，這適合于對新風量實施最低標準控制的前提下為室內降溫，即利用冷卻塔將冷卻水溫度降低，再通過板式換熱器冷卻冷凍循環水，被降低了溫度的冷凍水送到末端的散冷設備，如風機盤管、空調箱等，將冷量送到各個需要供冷的房間或區域。

3.3 設施的日運行節能管理

設施的日運行節能管理主要應考慮隨室外溫度的變化而采取不同的日節能運行模式，即采用合理的自控系統及一定的手動調節裝置來實現。

規模化的實驗動物設施由于建立有復雜的空氣溫濕度、潔凈度、壓力、通風換氣設備及水、電、汽、門禁及監控設備系統，并且要求全年每天24h不間斷運行，故除設計上述自動控制系統外，還必須建立綜合性的中央自動控制計算機管理系統來有效地管理設施，加上采取下述的手動調節，這樣至少可節省40％以上的設施能耗。

冷卻塔的設計是按全年最不利工況進行設計的，盡管其能耗在空調系統中所占的比例不大，但由于其使用頻率高，累計能耗還是十分可觀的，如何改善其工作狀況，同樣具有重要的節能意義。冷卻塔冷卻能力的影響因素有循環水量、水溫、誘導風量、當地空氣干濕球溫度和空氣中灰塵濃度等，這些因素都可以通過管理人員的手動控制與勤于清洗除塵來改變冷卻塔的工作狀態，找出適合這些因素變化的最佳工作狀況，從而達到節能目的。

手動調節主要目的是減小過濾器與閥門的阻力。在空調系統的運行管理過程中，要定期更換或清洗過濾器，如果過濾器被顆粒或沉淀物堵塞，空氣或循環水經過濾器的阻力將會成倍增加；由于閥門的阻力會增加風機的壓頭功率與水泵的揚程，所以應盡量避免使用閥門調節阻力的方法來改善空氣或循環水的流量。

新風口與實驗區內的非阻漏式孔板、格柵、絲網及加濕器和表冷器下的水盤、擋水板等被灰塵污染，還有各種空調與水泵電機機：定期清洗過濾、定期檢修、檢查皮帶是否太松、工作點是否偏移、送風狀態是否合適送風口，應當定期進行擦拭清潔設施設備的日常衛生管理也是節能的重要措施。

［1］徐國景.實驗動物管理與實用技術手冊［M］.武漢：湖北科學技術出版社，2008.

［2］涂光備.醫院的空調與凈化.醫院潔凈手術部建筑技術規范標準（武漢）培訓講義［R］.天津大學環境科學與工程學院.2003.

［3］GB50447-2008，實驗動物設施建筑技術規范［S］.

［4］國家發展改革委員會.關于加強固定資產投資項目節能評估和審查工作的通知（發改投資［2007］2787號）［R］.

［5］GB50333-2002，醫院潔凈手術部建筑技術規范［S］.

［6］劉清江，韓學庭.中央空調運行管理節能問題的研究［J］.上海節能，2006（3）：128-130.

［7］商業建筑空調節能技術措施探討［EB/OL］.（2002-12-05）［2009-05-20］.http://www.ce86.com/a/gongxue/gysj119/200212/06-14827.html.

［8］中央空調系統的節能方案探討［EB/OL］.（2007-06-19）［2009-05-20］.http://www.100paper.com/100paper/gongxue/gongchengjianzhu/20070619/12009.html.

［9］中央空調智能節電系統［EB/OL］.（2008-12-26）［2009-05-20］.http://www.ok909.com/sca-view.asp?id=48286.