夏熱冬冷地區某大型動物實驗室空調冷熱源系統設計

王亞林 毛希凱 余俊祥 楊 毅,2△ 丁 德

(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

該項目位于浙江省溫州市,為大型生物科技類實驗室的配套動物實驗中心。項目總建筑面積約為32 000 m2。其中,地上建筑面積25 000 m2,分為小動物飼養及實驗樓、大動物飼養及實驗樓、輔助樓。動物飼養及實驗樓均為6層,地上部分主要功能為動物飼養及實驗、辦公與培訓、后勤區等。小動物實驗樓每層2個實驗區域相互獨立,中部交界處設置辦公區域與實驗輔助區域。地下建筑面積7 000 m2,主要功能為集中清洗及配套庫房、影像區、設備用房、機動車庫等。作為公共研究平臺,整體以模塊化的設計理念,保證實驗空間的可變性,可滿足分期建設和局部使用(非使用空間可以關閉)要求;同時集中布置了通用性實驗室和影像設備及公共服務設施,提高使用效率,降低運維成本。實驗室總體平面圖見圖1。

圖1 某大型動物實驗室總體平面圖

1 動物實驗室空調冷熱源系統設計

該大型動物實驗室的定位為具備國際國內認證的含有豬、犬、猴、兔、豚鼠、大小鼠、水生動物等種類動物實驗條件,集科研、生產、教學及成果轉移轉化應用的綜合性學術創新平臺。項目規模較大,實驗動物的種類繁多,各種功能實驗室較為齊備,因此對空調系統的安全、高效、低碳運行都提出了較高的要求。

實驗動物大多屬于恒溫動物,當環境溫度過高或過低時,都可能導致機體生理、生化功能發生改變,從而影響實驗結果的正確性。空氣濕度的高低與動物的體溫調節有著非常密切的關系,高濕度條件下可明顯增加過敏性休克的大小鼠的死亡率;低濕度條件下,仔鼠常出現發育不良等情況[1]。在滿足GB 14925—2010《實驗動物 環境及設施》和GB 19489—2010《實驗室 生物安全通用要求》要求情況下,主要室內環境參數如表1所示[2-3]。

表1 動物飼養及實驗室區域空調室內參數

1.1 空調負荷分析

該動物實驗室所在地溫州為夏熱冬冷地區,屬于浙江省氣候分區的南區,制冷期較長,供熱期較短。

動物實驗室內飼養的動物密度較大,面積約20 m2的飼養間可飼養小鼠1 600只或大鼠300只。動物產生的氨氣、硫化氫等氣體需要從室內排出并需給室內補充大量新風,維持室內污染物濃度在安全范圍內。動物實驗室及輔助用房采用全新風直流凈化空調系統,制冷工況下室外新風經過粗效和中效雙級過濾后進入表冷段降溫除濕,后經再熱段升溫;制熱工況下室外新風經兩級過濾、加熱段升溫后,通過干蒸汽加濕段控制送風濕度。處理后的新風經過定風量閥、電動密閉閥和高效送風口后送入室內。所有主實驗室及飼養間送風支管安裝可調定風量文丘里閥,僅用于系統運行時根據實驗需求及實驗室環境調整換氣次數。實驗室內各個房間排風支管安裝變風量文丘里閥,以利于調節和控制風量。

該項目典型的小鼠實驗室空調處理過程焓濕圖及各狀態點參數見表2。

表2 小鼠實驗室空氣處理過程狀態參數

根據室內熱濕負荷,分別計算出小動物實驗樓SPF(無特定病原體)大小鼠實驗室和大動物實驗樓豚鼠、兔實驗室的空調負荷,見表3。其中,小動物實驗室面積為800 m2,凈高為2.6 m,換氣次數為18 h-1;大動物實驗室面積為800 m2,凈高為2.6 m,換氣次數為12 h-1,空調箱風機修正系數為1.1。由典型實驗室的送風處理過程和空調負荷計算結果可知,動物實驗室采用全新風空調系統,新風的冷熱負荷及濕負荷較大。由于室內熱濕負荷較小,送風溫差較小,因此空調制冷階段需要一定的再熱負荷[4-6]。

表3 典型大動物及小動物實驗室空調負荷計算

動物實驗室排風量較大,且排風狀態即為室內狀態,與室外新風存在較大的溫差和比焓差,充分回收排風中的熱量用于新風預冷或預熱是實驗動物用房空調系統節能的重要措施。

由于動物房排風中含有氨氣、硫化氫等臭味氣體,在對排風進行熱回收時,必須避免交叉污染。末端空調凈化機組采用帶制冷劑泵的分離式熱管熱回收系統,根據冬夏溫度自動切換調整熱量傳遞方向,利用熱傳導及相變傳熱,通過熱管中傳熱介質間接完成換熱。采用自帶制冷劑泵的熱管熱回收系統,增加了系統的耗電量,制冷劑泵的電功率約占熱回收系統所增加風阻功率的20%。但是制冷劑泵的引入可實現送、排風的非接觸換熱,杜絕新排風交叉污染;強化了換熱并提升了系統的穩定性,熱回收效率可達70%[7-9]。

溫州極端最低氣溫為-3.9 ℃,設置熱回收段之后,不需要考慮新風預熱[10-11]。動物實驗室的空調凈化機組組合段如圖2所示。

圖2 采用熱管熱回收系統的動物實驗室空調箱組合段

該項目的動物飼養及實驗區面積較大,小動物飼養及實驗區約為8 000 m2,大動物飼養及實驗區約為4 000 m2。計算得總冷負荷約為7 881 kW,總熱負荷約為5 961 kW。通過末端空調凈化機組的熱回收系統設計,減小了空調系統的冷熱負荷,優化后的空調冷熱源系統容量如表4所示。

由表4可以看出,通過采用熱管熱回收系統,可減少夏季空調冷源容量約10%,冬季空調系統熱源容量可減少約36.7%。因為冬季新風溫度與排風溫度相差較大,顯熱量回收相對較大,可顯著減少空調制熱系統的設計容量。

考慮到室內外溫差較小的過渡工況熱回收量較小,室外氣象參數處于供冷供熱熱回收平衡點時采用旁通措施,新風排風不經過熱回收盤管直接排至表冷段,排風直接排至屋面處理機組。文獻[8]詳細論述了熱管熱回收系統的供冷供熱熱回收平衡點的計算過程。

1.2 空調冷熱源設計

動物房空調送風參數需穩定,不允許有大的波動,房間環境需全年穩定,凈化、空調設備需可靠運行,因此對空調冷熱源設計提出了較高要求。一般大型動物實驗室冷熱源采用冷水機組和燃氣熱水機組,運行能耗較高。為提升整個項目的運行能效,該項目采用四管制空氣源熱泵,夏季其制熱量用作再熱熱源,制冷量用于新風降溫除濕;冬季及過渡季采用空氣源熱泵系統作為空調熱源。空調冷熱源系統的流程如圖3所示。

為減少設備噪聲及振動的影響,在該項目輔樓設置單獨的能源中心,制冷機房位于輔樓地下室,冷卻塔及空氣源熱泵機組設置于輔樓屋面,空調冷水最遠輸送距離約450 m。為了減小空調冷水輸送能耗,夏季空調冷水供/回水溫度設為6 ℃/12 ℃。空調冷源擬采用3臺單臺制冷量為2 110 kW的磁懸浮離心式冷水機組,部分負荷下能效和綜合能效較高,并具備較好的調節性能。另外,磁懸浮多機頭機組可實現當單個機頭故障停機或檢測維修時整體不停機維護,更適合動物實驗室等對機組穩定性有特殊需求的場所,同時多機頭機組可保持各機頭均衡的負荷值,確保機組在高效點節能運行。

動物實驗室的再熱熱源采用2臺四管制空氣源熱泵,夏季制冷時熱泵的供/回水溫度為6 ℃/12 ℃,再熱水供/回水溫度為45 ℃/40 ℃,為末端空調凈化機組提供再熱熱源。設計工況下單臺機組夏季制熱量為490 kW,制冷量為380 kW。動物實驗室的冬季工況采用3臺空氣源熱泵代替燃氣熱水機組,熱泵供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。

該項目采用燃氣蒸汽發生器為動物實驗室空調加濕及設備消毒提供蒸汽,蒸汽發生器放置于實驗樓屋面。空調用蒸汽經過減壓后送入空調機組進行加濕,工藝用蒸汽接入分汽缸后直接接入末端消毒設備,產生的凝結水用作集中熱水系統的輔助熱源。該項目空氣源熱泵在夏季除用作再熱熱源外,還可用來預熱蒸汽發生器補水,通過補水水箱內設置的換熱器,將蒸汽發生器補水溫度提升至43 ℃左右,以減少系統的燃氣用量,提升系統的整體能效水平。

四管制空氣源熱泵通過翅片式換熱器同時控制冷水及熱水出水溫度,調節性能及系統穩定性較好。在系統制冷階段,開啟四管制空氣源熱泵,根據系統再熱需求調節四管制熱泵的制冷量和供熱量,同時根據空調冷水回水溫度調節磁懸浮冷水機組的運行臺數和供冷量,滿足系統制冷量需求。在系統制熱階段,先開啟空氣源熱泵,按制熱模式運行,并根據空調系統熱水回水溫度調節空氣源熱泵機組制熱量,制熱量不足時再啟動四管制空氣源熱泵機組單制熱模式運行,當空調熱負荷減小時,減小四管制空氣源熱泵機組的供熱量和運行臺數。

2 設計工況分析

為了降低空調系統能耗,該項目采取了新排風熱管熱回收和四管制空氣源熱泵熱回收的組合方式。熱管熱回收及熱泵熱回收裝置均減少了空調系統的設備容量和運行能耗,包括冷熱源能耗、輸送能耗等。增加熱管熱回收裝置增大了換熱阻力和風機電耗,四管制空氣源熱泵系統增加了熱泵主機能耗和輸送能耗,因此需對前述的動物實驗室空調冷熱源系統的節能性進行合理判斷。其中,因能量回收而減少的能耗,根據實際使用的加熱或冷卻形式,折合成相應的電耗或者一次能源的消耗量;增加的泵和風機能耗為電耗。最終折算出能源的總消耗量,并與采用水冷冷水機組制冷及燃氣熱水機組加熱的冷熱源方案進行對比。

動物實驗室空調冷熱源系統方案對比的過程中,暫不考慮空氣源熱泵系統預熱蒸汽發生器補水所節約的能耗,因此僅對系統總的一次能源消耗量(夏季制冷及再熱能耗、冬季加熱能耗)進行分析。夏季設計計算工況和冬季設計計算工況的室外氣象參數采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的溫州市室外氣象參數[10]。該動物實驗室空調冷熱源系統設計計算工況下每小時的綜合能耗采用式(1)計算[11]。

(1)

式中E為系統綜合能耗;n為消耗的能源種類數;Ei為實際消耗的第i種能源量(含耗能工質消耗的能源量);ki為第i種能源的折標準煤系數。

該項目一次能源主要采用電力及燃氣,其中電力折標準煤系數為0.122 9 kg/(kW·h),燃氣折標準煤系數為1.214 3 kg/m3[12]。

2.1 夏季設計計算工況能耗分析

夏季采用2臺四管制空氣源熱泵機組為末端凈化機組提供再熱量980 kW,供/回水溫度為45 ℃/40 ℃,同時提供制冷及除濕冷量約762 kW,其余空調冷負荷由3臺磁懸浮離心式冷水機組承擔,冷水供/回水溫度均為6 ℃/12 ℃。據此,計算出該項目夏季空調工況下每小時的能耗,并與傳統空調冷熱源系統進行對比,結果見表5。

表5 夏季空調工況下冷熱源系統每小時能耗對比

由表5可知,采用四管制熱回收系統,不僅可減少末端機組再熱的能耗,還可以提供部分空調制冷量,減小空調制冷系統容量及減少能耗。綜合分析,夏季設計計算工況下,可減少標準煤耗量約36.7%。

2.2 冬季設計計算工況能耗分析

冬季采用空氣源熱泵機組制熱。2臺熱回收熱泵在冬季空調室外氣象參數條件下的制熱量為820 kW,不足部分由另外3臺空氣源熱泵機組提供,熱泵供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。計算得到該項目冬季設計計算工況下每小時的能耗,并與采用燃氣熱水機組供熱的熱源系統進行對比,結果見表6。

表6 冬季空調工況下冷熱源系統每小時能耗對比

由表6可知,采用空氣源熱泵系統的制熱供回水溫差為燃氣熱水系統的一半,輸送能耗約為燃氣熱水系統的2倍。綜合分析,冬季設計計算工況下,采用空氣源熱泵相對于燃氣熱水系統可減少標準煤耗量約67.9%,具備顯著的節能效果。

3 結論

1) 采用熱管熱回收系統,利用熱傳導及相變傳熱間接完成換熱,熱回收效率較高,并且可以避免新排風交叉污染,可顯著減少空調冷熱源的設計容量和運行能耗,特別是在冬季空調設計工況下,系統熱源容量減少約36.7%。

2) 采用四管制空氣源熱泵熱回收系統同時制冷制熱,在夏季設計工況下,相對于采用燃氣熱水機組再熱,可減少一次能源耗量約36.7%。

3) 結合項目所在地的氣候條件,采用空氣源熱泵系統代替燃氣熱水機組,在冬季設計工況下,可大幅度減少空調系統的綜合能耗,減少一次能源耗量約67.9%。

4) 空氣源熱泵系統在系統熱負荷較小時,可用于蒸汽發生器的補水預熱,以減少蒸汽發生器的能耗。

綜上所述,針對夏熱冬冷地區的大型動物實驗室,采用磁懸浮離心式冷水機組+空氣源熱泵制熱,結合分離式熱管熱回收、四管制空氣源熱泵熱回收的空調冷熱源系統,可實現空調系統的高效運行。