某屏障環境動物實驗室空調節能設計

張凡，萬鑫，張映偉

（1.蘇州融森凈化工程有限公司，江蘇 蘇州 215213；2.江西省醫藥設計院，南昌 330046；3.蘇州融森凈化工程有限公司，江蘇 蘇州 215213）

動物因其疾病發展過程、臨床癥狀、發病機制與人類具有相似性，已成為解決人類健康與疾病問題研究的理想模型，在人類疾病發病機理、診斷、治療、預防、生物醫藥和生物制品的生產與質量評價、引領支撐生命科學研究和醫藥產業發展中發揮著不可或缺的重要作用。實驗動物需在一定環境條件飼養，屏障環境適用于飼育清潔及和或無特定病原體級實驗動物，數量居多。動物飼養室要求全年候、全天候環境溫濕度等指標控制在相應范圍內，因動物排放氨氣，系統新風比大，且空調機組不間斷運行，能耗巨大，迫切需要節能設計。

1 項目概況

本項目位于南昌高科技產業園，沒有蒸汽；潔凈區面積373 m2；有6 間小鼠飼養室、4 間大鼠飼養室，小鼠每間50 籠，可飼養300 只小鼠，大鼠每間100 籠，可飼養400 只大鼠。屏障環境動物實驗室設有檢疫觀察室、手術室、實驗室、解剖間，人凈更衣、風淋、潔凈走廊、雙污物走廊等，飼養、實驗區分別設在建筑兩邊、輔助用房居中布置。按《實驗動物環境及設施》規范[1]，本屏障動物實驗室為正壓，動物生產間相通區域最小靜壓差≥10Pa；環境溫度20～26 ℃，濕度40%～70%，最小換氣次數≥15 次/h。空調機組按時段運行[2]，實驗室工作時段總風量參考文獻[3-4]（換氣次數17 次/h）為17 160 m3/h，系統僅潔凈走廊等少數輔助功能間能回風，新風比高達73.5%；飼養片區（包括該區域清潔、污物走廊）送風量6 750 m3/h，占總送風量39.3%，實驗室室內無發熱設備，主導是維護結構熱負荷，濕負荷以新風為主，均與室外環境溫濕度正相關。

2 節能設計

2.1 南昌氣候特征

南昌冬冷夏熱（潮濕氣候），見圖1～3：

除12月月平均相對濕度為61.0%，其他月份平均相對濕度均＞70%，3、4、10、11月除濕季節[5]，5～9月空調季節，1～4、11～12月采暖季節。

南昌＞35 ℃僅64 h，25～35 ℃ 2 116 h，≤20 ℃4 750 h。

圖1 南昌2005年月氣象數據圖Fig.1 Monthly meteorological data of Nanchang in 2005

圖2 南昌2005年干球溫度頻數Fig.2 Frequency of dry bulb temperature in Nanchang in 2005

圖3 南昌2019年7月氣溫走勢Fig.3 Trend of temperature in Nanchang in July 2019

全月29 天日溫差≥5 ℃。

2.2 冷熱源設備選用

計算依據文獻 [6]，動物房工作時段最大冷負荷（13:00）22.8 kW，最小時負荷（8:00）17.7 kW，自凈時段（7:00）15.1 kW，非工作時段最大逐時冷負荷（19:00）14.9 kW，最小時負荷（5:00）11.0 kW。見圖4。

圖4 系統逐時冷負荷Fig.4 Hourly load of system

實驗室全年及全天熱負荷波動較大，全年絕大部分時間為部分負荷運行，這就要求冷熱源有較好調節能力，適應負荷變化，避免大馬拉小車造成的能源浪費。數碼變容量直膨空調機雖有強大的調節能力，但價格昂貴，動物實驗室要求備用冷熱源設備，其投資超出甲方預算。本項目冷熱源采用130、80、65 kW 三種規格四臺風冷模塊冷熱水機組，總冷量355 kW，最少有80 kW 冷量機組備用，保證動物實驗室全年侯使用，單四臺機組就有九種冷量組合等級，其單臺機組又有兩個壓縮機及完全獨立的制冷系統，可控制單元模塊內壓縮機的開啟數量，單機可50%～100%二級調節，冷熱系統總可實現本項目16種階梯式節能的冷量組合。冷熱水選用兩種規格四臺泵，變頻控制與機組匹配流量，系統能較好適應能耗變化。冷熱源系統技術參數見表1。

表1 冷熱源系統技術參數表Tab.1 Technical parameter table of cold and heat source system

2.3 空調空氣焓濕處理過程

動物實驗室新風比大，又全天、全年候運行，排風含氨氣，能量回收采用U 型熱管新風排風節能器，該節能器體積較小，嚴密性好，無運轉部件，無需日常維護，通過U 型熱管蒸發、冷凝，吸熱、放熱，實現新風與排風的熱量交換，能源形成閉式環流循環回收排風顯熱，提高能源利用率，節能器風機功率2×2.2 kW。降溫除濕季節，按室外設計干球溫度t1=35.4 ℃[7]計算，U 型熱管新排風節能器效率η=0.6，排風溫度t3=25 ℃。

預冷后新風溫度t2=t1-η（t1-t3）=35.4-0.6 （35.4-25）=29.2℃。

預冷后新風減溫除濕至露點溫度13.7 ℃，相對濕度95%，含濕量9.51 g/kg；由于新風比大，與回風混合溫度只有16.3 ℃，含濕量10.0 g/kg，可直接風機加壓溫升1.7 ℃到送風點溫度18 ℃送風，達室內24 ℃，60%，11.48 g/kg。以下簡稱該過程為回收表冷處理過程如圖5所示。

圖5 回收表冷空氣降溫除濕處理過程Fig.5 Recycling cold air cooling dehumidification process

一次表冷處理過程（以下簡稱一次表冷）：新回風混合總風量降溫除濕至機器露點溫度14.5 ℃，含濕量10.03 g/kg，相對濕度95%；電加熱至再熱點溫度16.3 ℃后同上送風。相比回收表冷僅新風減溫減焓處理，處理風量只有總量73.5%，回風混合替代該部分電加熱再熱，又節約能耗。（若系統需＞18 ℃送風再熱量部分輔以電加熱）比較兩種處理過程節能數據見表2。

加熱加濕季節，新風通過U 型熱管新風排風節能器預熱，再與回風混合后加熱、加濕（以下簡稱回收加熱）至送風點送風。如圖6所示。

表2 兩種處理過程降溫除濕能耗表Tab.2 Energy consumption table for cooling and dehumidification of two treatment processes

圖6 空氣加熱加濕處理過程Fig.6 Air heating and humidification process

本工程按室外設計干球溫度t1=-1.5 ℃[7]計算，排風溫度t3=21 ℃

預熱后新風溫度t2=t1-η（t1-t3）=-1.5-0.6（21+1.5）=12 ℃

與回風混合后溫度14.9 ℃，含濕量4.0 g/kg，加熱至26.3 ℃，加濕至含濕量7.4 g/kg，再風機加壓溫升1.7 ℃到送風點溫度28 ℃送風。同新回風混合加熱加濕（以下簡稱加熱加濕）處理過程比，兩種處理過程節能數據見表3。

表3 兩種處理過程加熱加濕能耗表Tab.3 Energy consumption table for heating and humidification of two treatment processes

2.4 全天侯按時段分模式定風量運行

機組空調能耗與送風量成正比，送風量是節能第一要素。本工程潔凈空調機組按總風量和飼養室風量分別選用兩臺風機，互為飼養室備用，風機均變頻控制；實驗室和輔助間由一總風管送風，風管上安裝電動密閉閥，密閉閥與大風機連鎖，同開同關。工作模式：工作時段（11 小時）開啟大風機17 次/h全室送風。非工作模式：非工作時段按（12 h），依據文獻 [2]以12 次/h 送風，送風量：全室12 120 m3/h，僅飼養區5 160 m3/h，借鑒潔凈手術部的做法，其他區域不工作就不送風，非工作時段啟用小風機僅飼養區域12 次/h 送風，同時將污物走廊靜壓差12 Pa提高35 Pa 回風，開啟其回風管電動密閉閥，關閉其排風管電動密閉閥，新風比77.1%，這樣既保護周邊區域不被污染，又可利用回風再熱，最大限度節約能源。自凈模式：工作前自凈，按文獻 [8]計算實驗室自凈時間為45 min，因此工作前1 h 切換到大風機（17 次/h）運行，使實驗及輔助區域達到潔凈環境要求運行。

系統采用風速變送器檢測送風風量來調節變頻風機保持風量一定，還能自動適應系統阻力變化，變頻運行節省空氣輸送能耗。本工程系統初阻1 238 Pa，終阻1 694 Pa。N1/N2=（1 238/1 694）3/2=0.62，N1 為系統初阻力風機軸功率，N2 為系統終阻力風機軸功率，定風量節能效率可觀。

按文獻 [7]可得兩個時段夏季空調室外最熱月逐時溫度平均值為33.3 ℃和29.1 ℃，計算一次表冷按時段定風量能耗，見表4。

表4 一次表冷按時段定風量降溫除濕能耗表Tab.4 Energy consumption table of primary cooling and fixed air volume cooling and dehumidification

2.5 自動控制

空調實現節能運行有賴于自動控制系統，制冷空調所有設備、關鍵參數進行分散控制、集中監測和管理，提高系統的時效性和穩定性。自動化控制系統由四個部分組成：傳感器與執行器，PLC（可編程控制器），通訊網絡，中央管理計算機。

節能優化控制系統通過通訊接口與各風冷模塊冷熱水機組連接，通過建立智能數學模型，預計算室內負荷需求與監測末端實際負荷值、PLC 自動選擇最佳模塊主機與壓縮機運行臺數，水泵運行臺數和頻率，實現冷熱水系統設備與負荷階梯式配合。

按模式定時段定風量運行，CPU 根據預先輸入各時段風量值，自動選擇運行風機，且自行控制風速變送器檢測送風風量來調節變頻風機頻率保持風量達到設定值，及系統閥門切換節能運行。

控制系統還可以通過提高動物實驗室溫濕度精度來節能運行。系統夏季濕度采用PID 的雙閉環串級模式控制表冷水調節閥，主環路是計算機預設系統濕度值與回風濕度測量值的主控制系統，副環路是機器露點副控制系統，這種雙閉環的串級控制系統大大改善了PID 控制器的品質；系統溫度也采用PID 的雙閉環串級模式控制電加熱器，主變量為回風溫度，副變量為送風溫度。控制系統實現了受控對象（冷水閥）動態精確調節過程，冷水量自適應系統負荷變化，不浪費能源。

自控系統在保證屏障實驗室環境的前提下，切實達到節約能源和降低人工成本的目標。

3 結束語

3.1 項目節能效果

本工程通過U 型熱管節能器回收排風顯熱，新風表冷，非工作時段僅飼養區送風，空調系統節能效果顯著。降溫除濕季節按最熱月溫濕度同上，與一次表冷能耗數據見表5。加熱加濕季節空調室外最冷月溫濕度平均值為5.9 ℃，77.3%計算，和不采用U 型熱管節能器能耗數據見表6。

3.2 結論

（1）隨著現代技術發展，熱管內部液芯壽命問題被解決，同時制造成本降低，本項目U 型熱管新排風節能器3.9 萬元，熱管新排風節能器對新風比高、新排風溫差大的地區、使用時間長的空調系統性價比高。

表5 兩種處理過程全日降溫除濕能耗表Tab.5 The daily cooling and dehumidification energy consumption of the two treatment processes is shown in the table

表6 兩種處理過程降全日加熱加濕能耗表Tab.6 The daily heating and humidification energy consumption of the two treatment processes is shown in the table

表7 年節能量及經濟分析Tab.7 Annual economic analysis of energy saving

（2）同樣隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的發展，PLC 控制功能增強，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，PLC自動控制技術降低能耗性價比提高，經濟可行，值得空調節能領域拓展應用。

（3）有完全獨立的制冷系統兩個壓縮機風冷模塊機組，可以完全實現多種階梯式冷量組合，以模塊機階梯式變冷水流量，綜合節能和性價比對冷量較小系統非常適宜。

（4）屏障環境動物實驗室非工作時間長，風量是節能效果最好的重要參數，需重視系統運行模式設計。本工程非飼養區域自凈需通過驗證，非工作運行模式需通過當地動管會認可。

本項目全年節約用電7.7 萬kW·h，靜態投資回收1.4年，讓甲方投資較小并用得起空調，同時響應國家低碳環保綠色發展之需求。