SPF 級動物實驗室空調(diào)設(shè)計探討

顧懿卿（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 200041）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民的生活水平日益提高，人們對健康的要求也越來越高，建立營養(yǎng)與健康技術(shù)協(xié)同的創(chuàng)新平臺的需求愈發(fā)迫切。治未病、慢病的發(fā)生發(fā)展愈發(fā)引起了醫(yī)療和社會各界的關(guān)注，營養(yǎng)與健康技術(shù)也逐漸從幕后走向臺前，被大眾所接受，越來越多的大健康產(chǎn)業(yè)也隨之飛速地發(fā)展著。其中，以用于科研和試驗為目的的動物實驗室成為這一產(chǎn)業(yè)平臺里非常重要的一環(huán)。對動物房而言，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置是否合理是眾多影響因素中非常重要的一環(huán)。通常，此類實驗研究時間周期長，在整個實驗過程中，空調(diào)系統(tǒng)被要求必須提供一個相對穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境條件以保證實驗結(jié)果不受室外條件波動的影響。因此，無論是新建實驗室還是改建實驗室，其設(shè)計施工都需要嚴(yán)格遵守國家出臺的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前已有的關(guān)于動物房的規(guī)范主要是GB/T 50447—2008《實驗動物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范》和 GB/T 14925—2010《實驗動物環(huán)境及設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》。以 SPF 級（無特定病原體級）動物實驗室為例，結(jié)合上海市某工程實例對動物實驗室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行探討，希望對其他設(shè)計人員在設(shè)計初期即有所幫助。

1 工程概況

某項目位于上海市，總建筑面積 30 000.0 m2。其中，地上建筑面積 26 190.2 m2，地下建筑面積 3 809.8 m2。建筑主要功能為地下 1 F 停車庫，包含人防；1～2 F 為入口門廳展示、多功能廳及會議室；3～4 F 建筑高度 4.0 m，為儀器平臺；5～14 F 建筑高度 4.0 m，為實驗區(qū)域及細(xì)胞房；15～17 F 建筑高度 5.4 m，為 SPF 級動物房。

1.1 冷熱源

該項目按照樓層分別設(shè)置了 2 套冷熱源系統(tǒng)，其中，1～14 F 采用冷暖型變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，15～17 F 的動物房采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)。這是因為各樓層的功能不同，使用時間不同，房間的溫度也不同。其次，動物房對空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，且自成體系。從安全穩(wěn)定的角度考慮，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的可靠性更好。經(jīng)過了多輪的方案比選，最終確定了復(fù)合冷熱源的形式。

1.2 室內(nèi)空氣參數(shù)

室內(nèi)空氣參數(shù)如表 1 所示。

表1 SPF 級動物房室內(nèi)空氣計算參數(shù)

1.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

SPF 級動物房區(qū)域為 7 級潔凈要求，采用一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，換氣次數(shù) ≥ 25 次，新風(fēng)不小于送風(fēng)的 50%。空調(diào)箱為兩管制，一用一備，交替運(yùn)行。新風(fēng)經(jīng)三維熱管與排風(fēng)顯熱回收后經(jīng)空調(diào)箱，空調(diào)箱設(shè)粗、中效過濾器、冷熱盤管、除濕熱管、濕膜加濕等。各動物房送風(fēng)支管設(shè)電加熱及高效過濾器，回風(fēng)自帶過濾網(wǎng)，氣流組織上送下回。

2 設(shè)計重點(diǎn)

設(shè)計過程中對于方案的比選、風(fēng)險的評估多有反復(fù)推敲。如何在有限的資金情況下，最大限度地保證實驗室的舒適型也是設(shè)計重點(diǎn)。

2.1 壓強(qiáng)梯度必須滿足規(guī)范要求

GB/T 14925—2010 和 GB/T 50447—2008 中均有規(guī)定，要求根據(jù)房間功能設(shè)置 3 級壓差控制新排風(fēng)量，動物房為 + 25 Pa，屏障區(qū)域通道為 + 5 Pa，通過聯(lián)動調(diào)節(jié)控制空調(diào)機(jī)組的送、回、排風(fēng)風(fēng)量，保持各房間的相對壓差控制。在聯(lián)動控制方面，需先開啟送風(fēng)機(jī)，后開啟排風(fēng)機(jī)以保持房間的正壓。合理的設(shè)計是一個工程能否順利完成的基礎(chǔ)，只有從設(shè)計伊始就嚴(yán)格按照國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，才能讓施工企業(yè)以正確的設(shè)計文件作為施工的依據(jù)進(jìn)行施工。如此，才能從設(shè)計原理的角度從根本上有效地防止 SPF 級實驗動物房內(nèi)出現(xiàn)空氣交叉污染和臭氣擴(kuò)散的問題。

SPF 級實驗動物房的壓強(qiáng)梯度較高，本工程的壓強(qiáng)梯度為 + 25 Pa，動物房內(nèi)各房間的正壓值也較高。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性的好壞和壓差控制方案的優(yōu)劣成為動物房設(shè)計最終能否達(dá)到壓強(qiáng)梯度的關(guān)鍵。實驗動物房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括門、窗、墻壁、頂棚、地面）的構(gòu)造和施工縫隙均應(yīng)采取可靠的密閉措施。尤其是門，需嚴(yán)格的安裝密封壓條，施工時需盡可能地減小門縫寬度。此外，在一些動物房的實踐案例中，非屏障區(qū)走道出現(xiàn)相當(dāng)刺鼻氣味的情況時有發(fā)生。從設(shè)計角度來看，這是因為非屏障區(qū)是負(fù)壓區(qū)，為最后一個可能會滲透氣味的環(huán)節(jié)，容易受施工質(zhì)量影響。若門窗、頂板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性欠缺，尤其是各類管線穿墻破洞后的封堵措施不到位，就會造成較嚴(yán)重的臭氣向外擴(kuò)散的情況。這就需要設(shè)計、施工、監(jiān)理三方的共同協(xié)作，以減少因提高換氣次數(shù)將臭氣排至室外緩解走道內(nèi)刺鼻氣味造成的能耗。

2.2 采用熱回收裝置

從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，如何合理地采用節(jié)能技術(shù)有效地降低能耗也值得研究。本工程采用一次回風(fēng)定風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，換氣次數(shù) ≥ 25 次，新風(fēng)不小于送風(fēng)的 50 %，新風(fēng)負(fù)荷占空調(diào)負(fù)荷的比例較大。同時，為了防止交叉污染，只能采用顯熱回收，最終選擇熱管熱回收。通過熱回收達(dá)到節(jié)能效果，節(jié)能的收益情況頗好。換熱裝置并非水平擺放，而是坡向熱空氣的一側(cè)，當(dāng)介質(zhì)受熱后向上運(yùn)動，在上側(cè)受到冷卻后又向下運(yùn)動。

帶有熱回收段的空調(diào)機(jī)組的功能結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 帶有熱回收段的空調(diào)機(jī)組的功能結(jié)構(gòu)圖（箭頭表示氣流的流動方向）

夏季排風(fēng)經(jīng)過熱管式回收裝置后，將熱量傳導(dǎo)給熱管，再通過排風(fēng)機(jī)排至室外。新風(fēng)氣流經(jīng)機(jī)組的新風(fēng)入口進(jìn)入空調(diào)機(jī)組的熱管式回收段，通過熱管式回收裝置的另一段，與熱管進(jìn)行顯熱交換，由此，室內(nèi)的排風(fēng)就可通過熱回收裝置將熱量傳遞于由室外引入的新風(fēng)，新風(fēng)溫度得到了顯著降低。從實驗區(qū)域循環(huán)回來的回風(fēng)，經(jīng)機(jī)組的回風(fēng)入口進(jìn)入空調(diào)機(jī)的混風(fēng)段后，將進(jìn)入 U 型熱管預(yù)冷后，再進(jìn)入冷熱盤管進(jìn)行降溫除濕，待處理到預(yù)設(shè)的濕度后，再通過 U 型熱管換熱器進(jìn)行預(yù)熱，最后通過出風(fēng)段送入室內(nèi)。

實際運(yùn)行中，上海市的夏季空調(diào)計算干球溫度 34.4℃，濕球溫度 27.9 ℃。經(jīng)過熱管換熱，與排風(fēng)進(jìn)行顯熱交換，新風(fēng)預(yù)降到了干球溫度 27.0 ℃，濕球溫度 26.1 ℃，再與回風(fēng)進(jìn)行混合。依據(jù)國標(biāo) GB/T 14925—2010 規(guī)定，SPF 級小鼠飼養(yǎng)和實驗觀察間的溫度，設(shè)計取值為干球溫度22.0 ℃，濕球溫度 15.4 ℃，室外新風(fēng)經(jīng)過熱管換熱器的預(yù)冷后，溫度降低了 7.4 K。降低的溫度差占總溫差的占比會隨著室外溫度的升高因溫差的加大而增大，冬季的室內(nèi)外溫差比夏季更大，節(jié)能效果更加明顯。全年可節(jié)約的熱量數(shù)量高，以該臺機(jī)組全年冬夏兩季 6 個月計算，可節(jié)約熱量約為2 億多卡。同時，機(jī)組內(nèi) U 型熱管的設(shè)置避免了冷凍除濕過深造成的送風(fēng)溫度太低所產(chǎn)生的結(jié)露問題，并有效地增加了空調(diào)機(jī)組的除濕能力，機(jī)組除濕量顯著增加。

3 結(jié) 語

實驗動物房的空調(diào)系統(tǒng)與其他潔凈廠房不同，一個系統(tǒng)的正常運(yùn)行除了要滿足規(guī)范要求的壓力梯度和溫濕度要求，還要從施工、運(yùn)營的角度嚴(yán)格把關(guān)，才能在實際運(yùn)行的時候達(dá)到設(shè)計的運(yùn)行參數(shù)。同時，由于動物房的換氣次數(shù)很大，運(yùn)行能耗相當(dāng)大，作為設(shè)計人員，如何做到節(jié)能降耗，也需要反復(fù)推敲空調(diào)方案。總之，做好一個好設(shè)計，不但要從設(shè)計的角度，多看多想，還要多從實際出發(fā)，和施工方多溝通，才能將設(shè)計理念完美的在工程實踐中得以實現(xiàn)。