空氣載能輻射空調系統在實驗動物房中的應用分析

龔光彩，陳湘，劉激揚，彭佩，安珂慧，陳盟君

（湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082）

實驗動物目前被廣泛應用于生物醫學和自然界各種規律的研究中，為了保證實驗結果的準確性，實驗動物的質量也需要得到保證.調查顯示［1］，我國在越來越多的行業中都使用到了實驗動物且對實驗動物的要求不斷提高，尤其是在醫學研究、疫苗生產、藥物研發和藥物評價等領域.可見，隨著社會經濟的發展及科學技術的進步，在數量與質量方面都對實驗動物提出了更高的要求.此前一些學者對實驗動物設施的環境有所研究.Schmidek 等［2］研究發現，當溫度低于24 ℃或者高于30 ℃時，小鼠睡覺時間減少，虛弱期增加.Andrews［3］指出飼養小鼠的標準實驗動物環境溫度在20～24 ℃，但小鼠的熱中性環境在26～34 ℃.Gaskill 等［4］的研究表明，從性別方面來看，20～24 ℃的環境并不能保證雌性和雄性實驗動物的所有行為都處于正常狀態，小鼠更傾向于待在與其熱中性環境相近的區域.杜穎等［5］發現當室內的相對濕度超過70%時，實驗兔類的腳皮炎發病率隨濕度增加而明顯升高.Taylor等［6］發現濕度太低易造成小鼠環尾癥.徐磊等［7］研究了氨氣濃度對大小鼠繁育及生長性能的影響，發現高濃度的氨氣對大小鼠的受孕率沒有顯著影響，但會導致其生長比較緩慢.Krohn 等［8］研究了IVC 系統中不同風速水平以及不同換氣次數對動物的影響，結果表明，當出風口的風速為0.5 m∕s 時，籠內通風換氣次數應保證80 次∕h.Geertsema 等［9］對獨立排風IVC 系統做了研究，結果表明，在保證室內和籠內空氣質量合理的條件下，室內的通風換氣次數可以減少到5～6 次∕h.龔光彩等［10］研究了復合式空氣載能輻射空調的供暖性能，發現其能很好地避免局部不舒適感且較為節能.現有的環境控制技術及設施適應性差，無法有效滿足各類典型實驗動物設施環境控制要求，可能出現空調系統結露、動物表皮產生霉菌、動物福利差等問題.因此，為了保證實驗動物的質量以及滿足實驗動物福利要求，實驗動物環境的相關指標（溫度、濕度、壓差、潔凈度等）就需要得到更嚴格的控制.由于實驗動物房全新風系統居多，相較于普通空調系統，能耗更高，并且運行時間更長，因此產生的運行費用更高.但是，高能耗也代表了其具有很大的節能潛力.如何在保證實驗動物質量與動物福利的同時，又能兼顧節能，對于推動實驗動物學高質量高標準的發展、實現我國提出的碳中和目標具有重要的意義.

因此本文提出將空氣載能空調應用到實驗動物房中，并通過CFD 模擬方法，比較在相同情況下使用空氣載能輻射空調末端與傳統上送下回式空調末端的實驗動物房內環境參數的情況，對實驗動物房的節能及實驗動物的福利保障進行探討，為建設滿足“三低”（低能耗、低風速、低溫度梯度）要求的實驗動物設施提供參考.

1 實驗對象

1.1 實驗對象及場地

本文以湖南省長沙市某生物公司的一間SPF 級實驗動物房為模型進行模擬研究.圖1 所示實驗動物房尺寸為3.96 m×2.7 m×2.7 m（其中緩沖蓄能區高度為0.3 m）.送風口尺寸為0.3 m×0.4 m.排風口設置在房間四個角落，布置在離地0.1 m 的高度，風口尺寸為0.3 m×0.2 m.實驗兔數量：24 只；托盤數量：6個.實驗兔幾何模型參考日本大耳兔，體長49～54 cm，胸圍29～33 cm.圖2 所示為ICEM 中空氣載能輻射空調實驗動物房模型圖.

圖1 實驗動物房實景圖Fig.1 Realistic picture of laboratory animal room

圖2 空氣載能輻射空調實驗動物房模型圖Fig.2 Model of the laboratory animal room model with ACERS

1.2 空氣載能輻射空調

空氣載能輻射空調是近年來發展的新型輻射型空調末端，以空氣作為能量的載體，載能空氣在房間上部的緩沖蓄能區內循環對流傳熱給微孔輻射孔板，使輻射孔板獲得相對均勻的溫度分布并對室內進行輻射傳熱，以達到制冷制熱的目的.

2 實驗方法

2.1 控制方程

在此模擬過程中，所有的傳熱傳質過程始終滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒，且當流動中存在空氣和水蒸氣的混合物時，還滿足組分守恒.

連續性方程即質量守恒方程為：

式中：ρ為密度；u為速度矢量.

動量守恒方程，即N-S 方程，當流體不可壓縮時，其表達式如下：

式中：p為壓力；μ為動力黏度；μr為湍流黏度.

能量守恒定律在本質上即是熱力學第一定律，對于常物性、不可壓縮流體，其能量方程表達式為：

式中：cp為比熱容；k為傳熱系數；ST為源項.

在系統中可能存在質交換的情況或者存在多種化學組分，在本研究中即存在空氣和水蒸氣混合存在的情況，其應滿足的組分質量守恒方程為：

式中：Yi為組分i的質量分數；ρ為密度，kg∕m3；Ri為由化學反應產生組分i的速率，kg∕s；Si是由散發源和用戶定義的源項產生組分i的速率，kg∕s.由于在實驗室內不發生化學反應并且沒有額外的散發源，因此Ri和Si部分可以忽略.Ji是組分i的擴散通量，kg∕（m2·s），在湍流系統中由下式表示：

式中：Di，m為組分i的擴散系數；Sct是紊流施密特數，其默認值為0.7；μτ是湍流黏度，kg∕（m·s）.

2.2 CFD模擬設置

2.2.1 計算設置

考慮重力的作用將豎向加速度設置為-9.81 m∕s2，采用SIMPLEC 壓力速度耦合算法，考慮到研究內容及網格量，本文選取離散坐標（DO）輻射模型.結合研究需要，本文采用RNGk-ε湍流模型進行模擬［11］.為了加快計算收斂速度，先使用一階算法，達到穩定狀態后再調整至二階算法，同時調節松弛因子，每2 000 步保存一個數據文件.計算工況的殘差設置為u、v、w、k、ε，水蒸氣濃度殘差小于10-3，溫度殘差小于10-6，確保達到收斂后計算結果的穩定性.

2.2.2 邊界條件

1）考慮到實驗動物房保溫效果好，且與隔壁房間均為空調房間，故假設房間之間不存在換熱，將壁面當絕熱面處理.

2）因為兔子為恒溫動物，所以按照39 ℃的等溫體處理［12］.

3）目前暫無有關實驗兔氨氣散發量的具體數據，通過查閱相關資料［13］，假設一個實驗兔的氨氣散發量為0.01 mg∕s，散發源為實驗兔籠架區域所在空間.

4）送風口設置為速度入口，送風溫度設置為20℃，相對濕度60%.

2.2.3 網格獨立性測試

在正式計算之前選擇了3 組網格密度不同的網格試算，結果如表1所示.

由表1 可見網格2 與網格3 差距不大，因此之后的計算用網格2足以滿足本文計算要求.

表1 網格獨立性驗證Tab.1 Grid independence validation

3 結果與討論

3.1 風速分析

圖3 為采用空氣載能輻射空調末端的實驗動物房室內氣流速度分布圖.緩沖蓄能區內部空氣流速較大，接近于送風風速，但是由于輻射孔板的阻擋作用，進入實驗動物房內的空氣流速比較小且分布均勻，其內部最大風速為0.32 m∕s，出現在墻壁附近，離實驗動物區域相對較遠.因緩沖蓄能區空腔內送風口不對稱分布，故房間內氣流組織也非對稱分布，室內平均風速為0.1 m∕s，在籠架附近的風速更低，僅有0.08 m∕s，均低于國家標準所要求的0.2 m∕s.

圖4 為傳統上送下回式空調末端條件下室內氣流速度分布圖，室內氣流速度分層現象明顯，送風口下方風速較大.由于回流作用，地面處風速相對較高，平均風速超過了0.2 m∕s，在籠架附近處，氣流速度比較穩定且不高，只有底層實驗動物的下方和后方有局部區域達到了0.2 m∕s，仍符合國家標準要求.

相較于采用傳統上送下回式空調末端的實驗動物房來說，采用空氣載能輻射空調末端的實驗動物房內氣流速度分布更加均勻穩定，且緩沖蓄能區以下的部分平均風速很低.因此，在采用空氣載能輻射空調末端的實驗動物房內，動物籠架擺放的位置不必受到風口位置的制約，籠架的布置更加靈活，為實驗動物房內部的設計布局帶來了一定的便利.

3.2 溫濕度分析

圖5、圖6 所示分別為采用空氣載能輻射空調和傳統上送下回式空調為末端的實驗動物房內從橫縱兩個方向截取到的實驗動物房典型截面的溫度分布情況.從圖5 中可看到，采用空氣載能輻射空調的實驗動物房，由于房間內存在實驗動物的散熱，房間頂部的緩沖區溫度低于房間內平均水平，但整個房間內的溫度分布比較均勻，都在28～34 ℃，因為模型的設置問題，高溫出現在實驗兔附近，房間內大部分空間實際溫度在28～30 ℃，室內垂直溫度梯度和水平方向的溫度分布差值均較小.從圖6 中可看出，采用傳統上送下回式空調的實驗動物房，垂直方向溫度梯度較大，房間內溫度分層較強，出現了上熱下冷的現象，房間溫度在24～34℃，溫差較大.

圖5 空氣載能輻射空調末端典型截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of typical section of ACERS terminal

圖6 傳統上送下回式空調末端典型截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

從圖7 中可見，只有緩沖蓄能區內部濕度較高，室內的相對濕度分布比較均勻并且較低，實驗動物處由于局部環境溫度較高，因此其相對濕度較低，但這是本文研究中沒有將實驗兔及尿液糞便作為濕源考慮的結果.根據實驗經驗，如果加上散濕源，整個房間的相對濕度能保持在標準［14］規定的40%～70%之間.

圖7 空氣載能輻射空調末端典型截面濕度分布Fig.7 Relative humidity distribution of typical section of ACERS terminal

區別于毛細管輻射空調，在本文研究中空氣載能輻射空調體現出了更不易結露的性質，輻射孔板0.3 m 高度區域截面最大相對濕度（RHmax）、最低溫度（Tmin）和露點溫度（td），如表2 所示.可見，各個截面上的最低溫度遠遠高于該截面對應的露點溫度，而且隨著高度的降低，其截面呈現最低溫度上升、最大相對濕度下降的趨勢，因此，空氣載能輻射空調沒有結露風險.本文的研究對象為SPF 級實驗動物房，與相對封閉的IVC 系統相比，實驗動物局部環境更加開放，室內空氣流通性更好，不會出現水分聚集在封閉籠具內的情況.

表2 輻射孔板的結露分析Tab.2 Dew condensation analysis of radiant orifice plate

可見，與傳統上送下回式空調末端相比，空氣載能式輻射空調末端更能兼顧到實驗動物房內不同位置的動物對溫濕度的需求，不會像對流末端那樣出現很強的溫度分層以及濕度分布不均的現象，能更好地控制細菌與霉菌的滋生，能更好地滿足動物福利的要求.

3.3 污染物濃度分析

從圖8 中可見采用空氣載能輻射空調末端的實驗動物房室內氨質量濃度分布比較均勻，污染物已經得到充分擴散，其中緩沖蓄能區內氨質量濃度最低，墻壁及地面處較低，實驗動物房內部平均氨質量濃度為0.87 mg∕m3.而動物籠架處氨濃度相對較高，說明當達到穩定時，盡管室內通風較好，但由于動物托盤的阻擋作用，實驗動物區域整體的氨質量濃度還是要高一些.圖9 中采用傳統上送下回式空調末端的實驗動物房內由于較強的氣流的作用，氨氣質量濃度的分層也較為明顯，地面處較低，天花板處較高，污染物已經得到了充分擴散，房間內整體氨質量濃度為0.41 mg∕m3.

圖8 空氣載能輻射空調末端典型截面氨質量濃度分布Fig.8 Ammonia concentration distribution of typical section of ACERS terminal

圖9 傳統上送下回式空調末端典型截面氨質量濃度分布Fig.9 Ammonia concentration distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

由于氣流擴散速度等原因，相較于傳統空調末端，空氣載能輻射空調末端下污染物排除要慢一些，但是當達到穩定時，其含量都遠遠小于國家標準所規定的14 mg∕m3.因此空氣載能輻射空調在排除污染物這一項指標上是可以接受的.值得注意的是，盡管氨氣濃度符合國家標準要求，但其產生的異味對實驗動物和進去操作的工作人員都是不利的，應通過定期檢測及周期性提高換氣次數等方式來加強通風，避免污染物聚集造成不良后果.

3.4 換氣次數分析

為了研究改變空氣載能輻射空調的換氣次數對實驗動物房的環境參數的影響，在模型中分別取位于兔子頭部附近、籠架外部、回風口附近的5 個觀測點（2.7，1.35，0.4）、（2.7，1.35，1.5）、（2.7，0.7，0.4）、（2.7，0.7，1.5）、（3.8，0.1，0.2）測量數據.從圖10 可見，改變空氣載能輻射空調的換氣次數，除靠近出風口的觀測點5 風速較大且風速隨換氣次數的增加變化較大外，其他點的風速分布變化并不大，且實驗動物房整體風速分布變化不大，都在0.1 m∕s以下，低于規范要求的0.2 m∕s.因空氣載能輻射空調保證的是整個房間內的風速分布均勻，增大換氣次數在一定程度上增加了送風口風速，但對于整個房間的風速分布增量很小，所以增大換氣次數對房間風速分布的影響不會很大，且相對于對流空調而言其均勻度有了非常大的改善.溫度呈現出隨著換氣次數增加而降低的趨勢，在21次∕h時達到了27.5 ℃左右.相對濕度在換氣次數達到15次∕h后隨換氣次數增加上升較緩慢，大部分都在40%～52%之間.氨氣質量濃度隨換氣次數的增加有所降低，但在換氣次數達到18次∕h 之后變化很小，換氣次數達到18 次∕h 之后氨氣質量濃度穩定在0.8 mg∕m3附近.

圖10 不同換氣次數下風速、溫濕度、氨氣質量濃度的變化Fig.10 Variation of velocity，temperature，relative humidity and ammonia concentration under different ventilation times

可見，改變空氣載能輻射空調的換氣次數，對實驗動物房動物飼養區域的風速影響不大；對溫度有一定影響，但影響不大；對相對濕度有一定影響，但影響較小；而對于實驗動物房氨氣質量濃度的影響是有限的，當換氣次數達到一定次數后，氨氣濃度基本不再發生變化.這為實驗動物房的節能及動物福利的研究提供了一定的參考.

3.5 溫度梯度比較

為了驗證模擬結果的可靠性，在實驗動物房用溫濕度測量儀進行了實驗.選取動物飼養區域的6個點，測量了每個點0.3 m 與1.5 m 高度處的溫度，并計算其溫度梯度，將所得結果與CFD 模擬結果進行對比，結果如表3所示.

表3 溫度梯度比較Tab.3 Temperature gradient comparison

由表3 可見，實驗動物房中實際測量的溫度梯度范圍為0.16～0.36 ℃∕m，而模擬結果范圍為0.04～0.46 ℃∕m，實測與模擬的溫度梯度在接近的范圍內，而且都小于0.5 ℃∕m，處于較低的水平，這說明模擬結果具有較好的可靠性；同時表明溫度場十分均勻，有利于保證動物福利.

4 結論

通過CFD 模擬，對比了應用空氣載能輻射空調系統和傳統上送下回式空調系統的實驗動物房的環境情況，得到如下主要結論：

1）空氣載能輻射空調將室內所有位置風速控制在了0.2 m∕s 以內，這在很大程度上減少了對流空調帶來的吹風感，改善了對流空調房間風速分布不均的情況，這為實驗動物在飼養過程中的健康提供了保障.

2）空氣載能輻射空調的應用在很大程度上改善了實驗動物房垂直溫度梯度過大的問題，減弱了溫度分層的情況，溫度場非常均勻，溫度梯度在0.46℃∕m以下，減少了實驗動物出現病態的可能性.

3）空氣載能輻射空調解決了對流空調易出現的空間濕度分布不均以及普通輻射空調出現的輻射板易結露的問題，能使室內相對濕度保持在40%～70%且孔板附近溫度高于露點溫度6～12 ℃，避免了實驗動物房出現細菌以及霉菌，為實驗動物的健康提供了保障.

4）空氣載能輻射空調在提供了足夠的冷量的情況下，當換氣次數達到18次∕h以上時，再增加換氣次數，實際上對實驗動物房的風速、濕度、氨氣質量濃度影響不大，這就說明在現行標準下，空氣載能輻射空調還是具有一定的節能潛力.

空氣載能輻射空調的使用改善了實驗動物房中風速分布不均、溫度梯度過大、能耗過高的問題，為建設滿足“三低”要求的實驗動物設施提供了一種可行的途徑，為改善實驗動物福利以及節能提供了參考.