實驗動物用房暖通空調系統節能策略研究

余俊祥 林金成 高克文 曹益堅 吳美嫻

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

近年來,實驗動物設施建設如火如荼,建設規模越來越大。實驗動物設施極高的運行能耗越來越受到運維管理者和設計師的重視。如何在保證實驗動物安全的前提下降低運行費用是個很有現實意義的課題。本文對浙江省杭州市的3個實驗動物用房的實際運行情況進行對比研究,試圖從設計端找到降低實驗動物設施運行能耗的技術措施。

通風空調系統對保障動物實驗環境的空氣溫度、濕度、潔凈度等具有重要作用,尤其是凈化工程的快速發展,促進了屏障與隔離環境的建設,有效地控制了微生物與寄生蟲的干擾,為實驗動物的飼育與實驗環境提供了強力保障。

1 實驗動物用房暖通空調系統概況

1.1 室內參數要求

實驗動物用房室內環境主要參數見表1。表中氨濃度指標和潔凈度是2個重要的參數,它們決定了最小換氣次數,也間接決定了空調系統的型式。

表1 實驗動物用房室內環境參數[1]

1.2 空調負荷

由于實驗動物用房采用帶回風的全空氣系統存在產生交叉污染的生物安全風險,以及為了便于控制室內的氨濃度,國內外標準指南均建議動物生產區或實驗區采用全新風直流系統。因此新風熱濕負荷成為了實驗動物用房空調熱濕負荷的主要影響因素。以杭州地區為例計算實驗動物屏障環境冷熱負荷指標與加濕量指標,結果如表2所示。

1.3 凈化空調系統

對于使用獨立通風籠具(individually ventilated cage,IVC)的實驗動物設施,工作人員與實驗動物所處的環境不同(工作人員所處的環境稱為“大環境”,實驗動物所處的環境稱為“小環境”),需要分別為2種環境設置2套獨立的凈化空調送風系統和排風系統。有主機型IVC和無主機型IVC應采取不同的空調凈化系統。

1.3.1有主機型IVC實驗動物用房空調凈化系統

有主機型IVC自帶送風機與排風機,送風機將房間已經處理過的潔凈空氣通過高效過濾器送入動物籠具中,排風機側帶有高效過濾器,風機將可能被污染的空氣從籠具中抽出。對于有主機型IVC來說,只需要為“大環境”設置1套空氣凈化系統,其氣流控制方式相對簡單。根據GB 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規范》中的“隔離器、動物解剖臺、獨立通風籠具等不應向室內排風”的要求,籠具的排風不應直接排向室內,可通過與“大環境”的排風系統連接排至室外或設置專用排風機組排至室外。有主機型IVC實驗動物用房空調凈化系統原理見圖1。

圖1 有主機型IVC實驗動物用房空調凈化系統原理圖

1.3.2無主機型IVC實驗動物用房空調凈化系統

無主機型IVC自身帶有即插即用的風管接頭,可通過文丘里閥等氣流平衡裝置與“小環境”凈化空調的送風、排風系統相連接。這種技術方案有效地消除了風機的熱量、噪聲、振動等,雖然增加了1套“小環境”專用凈化空調與排風機組,但是實驗設備的初投資會有一定程度的降低。此外,籠架的拆除和安裝也相對簡單,可以實現快速連接。無主機型IVC實驗動物用房空調凈化系統原理見圖2。

2 實驗動物用房暖通空調系統節能設計策略研究

實驗動物用房空調系統都是大風量的全新風直流系統,其空調負荷指標約為寫字樓的5～7倍,而且空調系統必須24 h不間斷運行。文獻[2]以南京地區某動物房為例進行了計算,未采用節能措施前,其夏季單位建筑面積(含普通區)能耗約為376 kW·h/m2。文獻[3]則以沈陽地區某實驗動物工程為例進行了計算分析,在未采用任何節能措施的情況下,其空調系統年運行費用為303萬元(含普通區),約70元/m2。實驗動物用房空調系統具有巨大的節能潛力。

2.1 合理確定設計參數——換氣次數

合理確定設計參數是實驗室節能設計中至關重要的一步,此環節不存在任何資金投入,往往能產生可觀的節能效益。對于實驗動物用房潔凈空調系統,特別需要重點關注換氣次數這類需要設計人員把控的、各項目差異比較大的參數。

針對實驗動物用房,歐盟、加拿大標準認為15～20 h-1的全新風換氣次數可以滿足要求,美國標準則認為10～15 h-1的全新風換氣次數可以滿足絕大多數實驗動物的飼養需求,我國標準也已明確實驗動物生產或實驗屏障環境的最小換氣次數為15 h-1。在實際動物房的設計過程中,為了彌補施工階段導致的風管漏風及受設計人員習慣性地放大設計參數的影響,換氣次數都比較大。表3給出了筆者調研的10個實驗動物用房項目的換氣次數,除項目H外,其他項目的換氣次數均超過20 h-1。

表3 不同項目實驗動物用房換氣次數

筆者針對項目H實驗動物用房進行了實測分析。該項目共有20間飼養室,主要為飼養小鼠的屏障環境,按ISO 7級潔凈度進行設計,各小鼠飼養室的實測換氣次數如圖3所示,平均換氣次數為19.2 h-1。實測靜態平均塵埃粒子濃度遠小于規范要求(0.5 μm粒徑粒子數不大于352 000個/m3),各實驗室實測粒子數所對應的潔凈度等級如圖4所示。

圖3 項目H實驗動物用房實測換氣次數

圖4 項目H實驗動物用房實測潔凈度

圖4中有80%以上的實驗動物用房的靜態潔凈度等級高于規范要求至少1個等級。因此,調整了空調機組送風量,降低平均換氣次數至17.5 h-1,并由第三方檢測單位進行了平均塵埃粒子測試,結果顯示,粒子數仍滿足規范要求。

上述研究分析表明,一般15～18 h-1的換氣次數可滿足絕大多數實驗動物用房的使用要求,不建議采用過高的換氣次數。在工程設計時可以留有一定余量,調試時通過風機變頻等技術措施盡量降低室內送排風量。

2.2 冷熱源系統規劃和源側熱回收技術

目前實驗動物用房獨立空調冷熱源除了傳統的冷水機組加熱水鍋爐外,常用的還有四管制多功能熱泵、熱泵式溶液調濕系統。

下面對浙江省杭州市的3個實際項目進行比較研究。以項目A(冷水機組+園區蒸汽)的單位建筑面積運行能耗作為比較基準,通過分析項目B(溶液調濕空氣處理機組)和項目C(多功能四管制空氣源熱泵機組)的空調系統設計方案和運行能耗,更加清晰地揭示實驗動物用房空調系統冷熱源側節能設計策略的實際應用效果。

2.2.1項目概況

項目A實驗動物用房屏障空調面積約4 500 m2,地上4層,主要功能區包括大動物飼養實驗區、嚙齒類動物繁育區、藥物安全評價研究中心等。空調冷熱源由園區集中供應,經直埋水管接入實驗動物房。制冷站冷水供/回水溫度為7 ℃/12 ℃,熱水供/回水溫度為60 ℃/50 ℃。另埋設蒸汽管連接蒸汽管網,為實驗動物用房提供冬季加濕用蒸汽,自設2臺單臺0.35 t/h電蒸汽鍋爐,提供非供暖期校區集中鍋爐停用時間段內空調除濕再熱用熱量。

項目B實驗動物用房屏障空調面積為440 m2左右,動物用房位于1層,主要功能區包括嚙齒類動物繁育區、影像實驗區等。空調冷熱源采用室外機房內的3臺實驗動物環境專用型溶液調濕機組。

項目C實驗動物用房屏障空調面積為660 m2左右,動物用房位于地下1層,主要功能區包括嚙齒類動物繁育區、行為學實驗區等。空調冷熱源采用屋頂設備平臺上的2臺多功能四管制空氣源熱泵機組,可同時提供空調冷熱水,供冷工況空調機組供/回水溫度為7 ℃/12 ℃,供熱工況空調機組供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。常規運行工況下,2臺熱泵機組一用一備,夏季極端天氣情況下2臺熱泵機組同時使用。

2.2.2項目室內設計參數與空調負荷

項目A實驗動物用房的主要工藝房間室內設計參數見表4。屏障環境設計空調總冷負荷為3 024 kW,總熱負荷為2 274 kW,室內濕負荷為111.6 kg/h,加濕量為1.4 t/h,除濕再熱負荷為455 kW。

項目B實驗動物用房的主要工藝房間室內設計參數見表5。屏障環境設計空調總冷負荷為281.2 kW,總熱負荷為191.4 kW,室內濕負荷為12.2 kg/h,加濕量為160.2 kg/h。由于項目B采用的是溶液除濕而非冷凍除濕的空氣處理方式,因此無需統計除濕再熱負荷。

表5 項目B主要工藝房間室內設計參數

項目C實驗動物用房的主要工藝房間室內設計參數見表6。屏障環境設計空調總冷負荷為401 kW,總熱負荷為284.4 kW,室內濕負荷為19.82 kg/h,加濕量為198.8 kg/h,除濕再熱負荷為57.6 kW。

表6 項目C主要工藝用房室內設計參數

3個項目的空氣潔凈等級要求一致,均為ISO 7級,但其換氣次數項目C和項目B一致,項目A最大。3個項目的單位面積空調負荷指標對比如圖5所示,不含除濕再熱負荷的情況下,項目C的冬夏季空調負荷指標最小,項目A負荷指標最大,比項目C約大10%,項目B的負荷指標居中,這是由于項目C的換氣次數及設計溫濕度要求最低,而項目A的設計參數要求最高,特別是計算換氣次數,比項目B約高27%,對冷熱負荷指標影響相當大。

圖5 不同項目的負荷指標(不含再熱)

如果考慮除濕再熱負荷,則項目B負荷指標變為最小,項目A負荷指標仍然最大,比項目B約大20%,對比見圖6。項目B的空氣處理方式由于沒有再熱負荷的影響,更有利于實驗動物用房的節能。此外,從各項目的負荷指標中也可發現,在杭州典型的夏熱冬冷氣候條件下,冬季負荷指標大約為夏季負荷指標的70%,高于一般項目的冬夏季負荷比,這是由于在實驗動物用房的負荷計算中,凈化空調的新風負荷指標占比較大。

圖6 不同項目的負荷指標(含再熱)

從以上分析可以得出:

1) 合理確定實驗動物用房的設計參數,特別是換氣次數,對降低空調負荷指標可以起到積極作用。

2) 采用溫濕度解耦的空氣處理方式,如項目B的溶液調濕技術,可以進一步降低空調負荷指標,為實驗室的運行節能奠定良好基礎。

2.2.3項目運行能耗比較分析

根據能耗監測平臺統計數據,項目A空調系統年能耗如表7所示。為便于統計,將電量和蒸汽量折合成標準煤。0.6 MPa的飽和蒸汽,溫度為158.84 ℃時,比焓為2 756.4 kJ/kg,該工況下蒸汽的折標準煤系數為0.094,即1 t蒸汽折0.094 t標準煤,1 GJ用汽量折0.034 1 t標準煤;電力等價值取浙江省標準DB 33/644—2012《火力發電廠供電標煤耗限額及計算方法》中常規發電機組的供電煤耗指標基準值0.000 33 t/(kW·h)。項目A實驗動物用房屏障環境空調能耗構成如圖7所示。

圖7 項目A實驗動物用房屏障環境空調能耗構成

表7 項目A空調系統年能耗

項目A的單位面積年運行能耗為0.4 t/m2(1 212 kW·h/m2),相比浙江地區其他類型建筑,約為省級行政辦公樓單位面積能耗(電耗定額不大于90 kW·h/m2)的14倍,三級醫療機構單位面積能耗(電耗定額不大于155 kW·h/m2)的8倍。

運行能耗巨大,除了實驗動物用房全年24 h運行的因素外,對室內溫濕度的控制要求也是非常重要的因素。根據GB 14925—2010《實驗動物 環境及設施》的要求,實驗動物屏障環境要求室內溫度為20～26 ℃,最大日溫差在4 ℃以內,相對濕度為40%～70%。取制冷的室內上限參數值26 ℃、70%,對應的室內空氣比焓為64.11 kJ/kg,室內含濕量為14.86 g/kg,即當室外空氣比焓大于64.11 kJ/kg或者室外含濕量大于14.86 g/kg時,均應啟動冷源主機對新風制冷或除濕。

根據杭州市典型氣象年的氣象數據,室外空氣比焓大于64.11 kJ/kg或者室外含濕量大于14.86 g/kg的時間為4月4日—9月29日,即要滿足室內溫度26 ℃、相對濕度70%以下的要求,冷源主機從4月4日便應啟動。而從4月4日開始的制冷周期內,局部時間段室外空氣溫度并不高,例如在4—6月,室外空氣溫度僅為20.6～23.0 ℃,但此時室外相對濕度達90%以上,室外含濕量為16.00 g/kg,冷負荷雖然較小,但冷源主機必須啟動除濕。而除濕后送風干球溫度過低,需要進一步再熱提高送風干球溫度,一方面增加了部分低負荷下冷水主機的運行時間,冷水主機效率下降、電耗增加,另一方面增加了除濕再熱電耗。

從項目A的運行能耗統計數據可知:除濕再熱電鍋爐的能耗占比最大,約占整體能耗的28%;其次才是空調冷源、水泵輸配及冷卻水系統設備能耗,約占整體能耗的24%;供暖源側用汽能耗最低,約占整體能耗的9%。此結果十分符合夏熱冬冷地區的氣候特點,實驗動物用房需要對設施內部進行相對嚴格的濕度控制,夏熱冬冷地區梅雨季較長且高溫濕潤的氣候必會導致除濕再熱能耗進一步增大。

項目B和項目C均通過電表抄表的方式進行能耗數據統計。項目B的空調系統風量見表8。

表8 項目B空調系統風量 m3/h

項目B空調系統全年運行能耗見圖8。

圖8 項目B空調系統全年運行能耗

從項目B的逐月能耗數據可以看出:7、8月是實驗動物用房的運行能耗峰值月;整體觀之,夏季運行能耗最大,冬季運行能耗次之,約為夏季能耗的84%,過渡季運行能耗最小,約為夏季能耗的68%;項目B全年運行能耗約為294 831 kW·h,單位面積運行能耗為670 kW·h/m2,按電價0.558元/(kW·h)計算,單位面積空調系統年運行成本約為374元/m2,約為項目A的55%。

項目C 2021年分季度能耗數據如圖9所示。能耗大小依次為第3季度>第1季度>第2季度>第4季度,其中第1季度和第3季度差距不大,相差約7%。全年運行能耗約為623 536.5 kW·h,單位面積運行能耗為944.75 kW·h/m2,按電價0.558元/(kW·h)計算,單位面積空調系統年運行成本約為527萬元/m2,約為項目A的71%。

圖9 項目C各季度能耗

由以上對比可知:在運行成本和空調系統能耗方面,項目A>項目C>項目B,相比于項目A,項目C主要減少了大部分除濕再熱能耗,而項目B則在減少除濕再熱能耗的基礎上還回收了排風中的能量;在投資方面,項目B和項目C相對高一些,根據實際調研,項目B的空調系統投資約190萬元,單位面積約4 318元/m2,而項目C的空調系統投資約207.5萬元,單位面積約3 144元/m2,約為項目B的73%。因此,在方案優選階段還需綜合考慮項目的初投資及回收周期等因素。

另外,溶液調濕空調機組運行中的帶液問題是否會對實驗動物產生影響及溶液調濕空調機組運行維護中是否需要經常補液一直以來是困擾行業的難題。筆者對項目B及國內其他已經運行多年的采用溶液機組的實驗動物設施項目進行了調研,目前還沒有這方面的不利信息反饋,使用方對溶液調濕機組在實驗動物設施中的使用均給予了肯定。

3 結論

對于現在絕大多數采用通風籠具的實驗動物用房不建議采用過高的換氣次數,一般15～18 h-1的換氣次數可滿足絕大多數動物用房的使用要求。

在夏熱冬冷潮濕地區,因除濕再熱過程對空調負荷的巨大影響,在空調方案選擇上建議優先采用無需再熱的空氣處理方式——溫濕度解耦的溶液調濕方式。根據實際項目運行測算,該空調方案的能耗約為常規空調方案的55%。當采用冷卻除濕的空氣處理方式時,應充分考慮冷凝廢熱回收(四管制多功能熱泵)以減少再熱過程的用電依賴,根據實際項目運行測算,該空調方案的能耗約為常規空調方案的78%。