余俊祥 林金成 高克文 曹益堅 吳美嫻

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

0 引言

近年來,實驗動物設(shè)施建設(shè)如火如荼,建設(shè)規(guī)模越來越大。實驗動物設(shè)施極高的運行能耗越來越受到運維管理者和設(shè)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(xiàn)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(shè)計端找到降低實驗動物設(shè)施運行能耗的技術(shù)措施。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對保障動物實驗環(huán)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(fā)展,促進了屏障與隔離環(huán)境的建設(shè),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(huán)境提供了強力保障。

1 實驗動物用房暖通空調(diào)系統(tǒng)概況

1.1 室內(nèi)參數(shù)要求

實驗動物用房室內(nèi)環(huán)境主要參數(shù)見表1。表中氨濃度指標(biāo)和潔凈度是2個重要的參數(shù),它們決定了最小換氣次數(shù),也間接決定了空調(diào)系統(tǒng)的型式。

表1 實驗動物用房室內(nèi)環(huán)境參數(shù)[1]

1.2 空調(diào)負(fù)荷

由于實驗動物用房采用帶回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)存在產(chǎn)生交叉污染的生物安全風(fēng)險,以及為了便于控制室內(nèi)的氨濃度,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)指南均建議動物生產(chǎn)區(qū)或?qū)嶒瀰^(qū)采用全新風(fēng)直流系統(tǒng)。因此新風(fēng)熱濕負(fù)荷成為了實驗動物用房空調(diào)熱濕負(fù)荷的主要影響因素。以杭州地區(qū)為例計算實驗動物屏障環(huán)境冷熱負(fù)荷指標(biāo)與加濕量指標(biāo),結(jié)果如表2所示。

1.3 凈化空調(diào)系統(tǒng)

對于使用獨立通風(fēng)籠具(individually ventilated cage,IVC)的實驗動物設(shè)施,工作人員與實驗動物所處的環(huán)境不同(工作人員所處的環(huán)境稱為“大環(huán)境”,實驗動物所處的環(huán)境稱為“小環(huán)境”),需要分別為2種環(huán)境設(shè)置2套獨立的凈化空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)。有主機型IVC和無主機型IVC應(yīng)采取不同的空調(diào)凈化系統(tǒng)。

1.3.1有主機型IVC實驗動物用房空調(diào)凈化系統(tǒng)

有主機型IVC自帶送風(fēng)機與排風(fēng)機,送風(fēng)機將房間已經(jīng)處理過的潔凈空氣通過高效過濾器送入動物籠具中,排風(fēng)機側(cè)帶有高效過濾器,風(fēng)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(huán)境”設(shè)置1套空氣凈化系統(tǒng),其氣流控制方式相對簡單。根據(jù)GB 50447—2008《實驗動物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范》中的“隔離器、動物解剖臺、獨立通風(fēng)籠具等不應(yīng)向室內(nèi)排風(fēng)”的要求,籠具的排風(fēng)不應(yīng)直接排向室內(nèi),可通過與“大環(huán)境”的排風(fēng)系統(tǒng)連接排至室外或設(shè)置專用排風(fēng)機組排至室外。有主機型IVC實驗動物用房空調(diào)凈化系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 有主機型IVC實驗動物用房空調(diào)凈化系統(tǒng)原理圖

1.3.2無主機型IVC實驗動物用房空調(diào)凈化系統(tǒng)

無主機型IVC自身帶有即插即用的風(fēng)管接頭,可通過文丘里閥等氣流平衡裝置與“小環(huán)境”凈化空調(diào)的送風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)相連接。這種技術(shù)方案有效地消除了風(fēng)機的熱量、噪聲、振動等,雖然增加了1套“小環(huán)境”專用凈化空調(diào)與排風(fēng)機組,但是實驗設(shè)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(xiàn)快速連接。無主機型IVC實驗動物用房空調(diào)凈化系統(tǒng)原理見圖2。

2 實驗動物用房暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計策略研究

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

2.1 合理確定設(shè)計參數(shù)——換氣次數(shù)

合理確定設(shè)計參數(shù)是實驗室節(jié)能設(shè)計中至關(guān)重要的一步,此環(huán)節(jié)不存在任何資金投入,往往能產(chǎn)生可觀的節(jié)能效益。對于實驗動物用房潔凈空調(diào)系統(tǒng),特別需要重點關(guān)注換氣次數(shù)這類需要設(shè)計人員把控的、各項目差異比較大的參數(shù)。

針對實驗動物用房,歐盟、加拿大標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為15～20 h-1的全新風(fēng)換氣次數(shù)可以滿足要求,美國標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為10～15 h-1的全新風(fēng)換氣次數(shù)可以滿足絕大多數(shù)實驗動物的飼養(yǎng)需求,我國標(biāo)準(zhǔn)也已明確實驗動物生產(chǎn)或?qū)嶒炂琳檄h(huán)境的最小換氣次數(shù)為15 h-1。在實際動物房的設(shè)計過程中,為了彌補施工階段導(dǎo)致的風(fēng)管漏風(fēng)及受設(shè)計人員習(xí)慣性地放大設(shè)計參數(shù)的影響,換氣次數(shù)都比較大。表3給出了筆者調(diào)研的10個實驗動物用房項目的換氣次數(shù),除項目H外,其他項目的換氣次數(shù)均超過20 h-1。

表3 不同項目實驗動物用房換氣次數(shù)

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(yǎng)室,主要為飼養(yǎng)小鼠的屏障環(huán)境,按ISO 7級潔凈度進行設(shè)計,各小鼠飼養(yǎng)室的實測換氣次數(shù)如圖3所示,平均換氣次數(shù)為19.2 h-1。實測靜態(tài)平均塵埃粒子濃度遠小于規(guī)范要求(0.5 μm粒徑粒子數(shù)不大于352 000個/m3),各實驗室實測粒子數(shù)所對應(yīng)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(shù)

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(tài)潔凈度等級高于規(guī)范要求至少1個等級。因此,調(diào)整了空調(diào)機組送風(fēng)量,降低平均換氣次數(shù)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(jié)果顯示,粒子數(shù)仍滿足規(guī)范要求。

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

2.2 冷熱源系統(tǒng)規(guī)劃和源側(cè)熱回收技術(shù)

目前實驗動物用房獨立空調(diào)冷熱源除了傳統(tǒng)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(diào)濕系統(tǒng)。

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(qū)蒸汽)的單位建筑面積運行能耗作為比較基準(zhǔn),通過分析項目B(溶液調(diào)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(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案和運行能耗,更加清晰地揭示實驗動物用房空調(diào)系統(tǒng)冷熱源側(cè)節(jié)能設(shè)計策略的實際應(yīng)用效果。

2.2.1項目概況

項目A實驗動物用房屏障空調(diào)面積約4 500 m2,地上4層,主要功能區(qū)包括大動物飼養(yǎng)實驗區(qū)、嚙齒類動物繁育區(qū)、藥物安全評價研究中心等?？照{(diào)冷熱源由園區(qū)集中供應(yīng),經(jīng)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(shè)蒸汽管連接蒸汽管網(wǎng),為實驗動物用房提供冬季加濕用蒸汽,自設(shè)2臺單臺0.35 t/h電蒸汽鍋爐,提供非供暖期校區(qū)集中鍋爐停用時間段內(nèi)空調(diào)除濕再熱用熱量。

項目B實驗動物用房屏障空調(diào)面積為440 m2左右,動物用房位于1層,主要功能區(qū)包括嚙齒類動物繁育區(qū)、影像實驗區(qū)等。空調(diào)冷熱源采用室外機房內(nèi)的3臺實驗動物環(huán)境專用型溶液調(diào)濕機組。

項目C實驗動物用房屏障空調(diào)面積為660 m2左右,動物用房位于地下1層,主要功能區(qū)包括嚙齒類動物繁育區(qū)、行為學(xué)實驗區(qū)等?？照{(diào)冷熱源采用屋頂設(shè)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(diào)冷熱水,供冷工況空調(diào)機組供/回水溫度為7 ℃/12 ℃,供熱工況空調(diào)機組供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。常規(guī)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(nèi)設(shè)計參數(shù)與空調(diào)負(fù)荷

項目A實驗動物用房的主要工藝房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表4。屏障環(huán)境設(shè)計空調(diào)總冷負(fù)荷為3 024 kW,總熱負(fù)荷為2 274 kW,室內(nèi)濕負(fù)荷為111.6 kg/h,加濕量為1.4 t/h,除濕再熱負(fù)荷為455 kW。

項目B實驗動物用房的主要工藝房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表5。屏障環(huán)境設(shè)計空調(diào)總冷負(fù)荷為281.2 kW,總熱負(fù)荷為191.4 kW,室內(nèi)濕負(fù)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(tǒng)計除濕再熱負(fù)荷。

表5 項目B主要工藝房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

項目C實驗動物用房的主要工藝房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表6。屏障環(huán)境設(shè)計空調(diào)總冷負(fù)荷為401 kW,總熱負(fù)荷為284.4 kW,室內(nèi)濕負(fù)荷為19.82 kg/h,加濕量為198.8 kg/h,除濕再熱負(fù)荷為57.6 kW。

表6 項目C主要工藝用房室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

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(shù)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(diào)負(fù)荷指標(biāo)對比如圖5所示,不含除濕再熱負(fù)荷的情況下,項目C的冬夏季空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)最小,項目A負(fù)荷指標(biāo)最大,比項目C約大10%,項目B的負(fù)荷指標(biāo)居中,這是由于項目C的換氣次數(shù)及設(shè)計溫濕度要求最低,而項目A的設(shè)計參數(shù)要求最高,特別是計算換氣次數(shù),比項目B約高27%,對冷熱負(fù)荷指標(biāo)影響相當(dāng)大。

圖5 不同項目的負(fù)荷指標(biāo)(不含再熱)

如果考慮除濕再熱負(fù)荷,則項目B負(fù)荷指標(biāo)變?yōu)樽钚?項目A負(fù)荷指標(biāo)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(fù)荷的影響,更有利于實驗動物用房的節(jié)能。此外,從各項目的負(fù)荷指標(biāo)中也可發(fā)現(xiàn),在杭州典型的夏熱冬冷氣候條件下,冬季負(fù)荷指標(biāo)大約為夏季負(fù)荷指標(biāo)的70%,高于一般項目的冬夏季負(fù)荷比,這是由于在實驗動物用房的負(fù)荷計算中,凈化空調(diào)的新風(fēng)負(fù)荷指標(biāo)占比較大。

圖6 不同項目的負(fù)荷指標(biāo)(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(shè)計參數(shù),特別是換氣次數(shù),對降低空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)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(diào)濕技術(shù),可以進一步降低空調(diào)負(fù)荷指標(biāo),為實驗室的運行節(jié)能奠定良好基礎(chǔ)。

2.2.3項目運行能耗比較分析

根據(jù)能耗監(jiān)測平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù),項目A空調(diào)系統(tǒng)年能耗如表7所示。為便于統(tǒng)計,將電量和蒸汽量折合成標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.094,即1 t蒸汽折0.094 t標(biāo)準(zhǔn)煤,1 GJ用汽量折0.034 1 t標(biāo)準(zhǔn)煤;電力等價值取浙江省標(biāo)準(zhǔn)DB 33/644—2012《火力發(fā)電廠供電標(biāo)煤耗限額及計算方法》中常規(guī)發(fā)電機組的供電煤耗指標(biāo)基準(zhǔn)值0.000 33 t/(kW·h)。項目A實驗動物用房屏障環(huán)境空調(diào)能耗構(gòu)成如圖7所示。

圖7 項目A實驗動物用房屏障環(huán)境空調(diào)能耗構(gòu)成

表7 項目A空調(diào)系統(tǒng)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(qū)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(yī)療機構(gòu)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(nèi)溫濕度的控制要求也是非常重要的因素。根據(jù)GB 14925—2010《實驗動物 環(huán)境及設(shè)施》的要求,實驗動物屏障環(huán)境要求室內(nèi)溫度為20～26 ℃,最大日溫差在4 ℃以內(nèi),相對濕度為40%～70%。取制冷的室內(nèi)上限參數(shù)值26 ℃、70%,對應(yīng)的室內(nèi)空氣比焓為64.11 kJ/kg,室內(nèi)含濕量為14.86 g/kg,即當(dāng)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(yīng)啟動冷源主機對新風(fēng)制冷或除濕。

根據(jù)杭州市典型氣象年的氣象數(shù)據(jù),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(nèi)溫度26 ℃、相對濕度70%以下的要求,冷源主機從4月4日便應(yīng)啟動。而從4月4日開始的制冷周期內(nèi),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(fù)荷雖然較小,但冷源主機必須啟動除濕。而除濕后送風(fēng)干球溫度過低,需要進一步再熱提高送風(fēng)干球溫度,一方面增加了部分低負(fù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)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(diào)冷源、水泵輸配及冷卻水系統(tǒng)設(shè)備能耗,約占整體能耗的24%;供暖源側(cè)用汽能耗最低,約占整體能耗的9%。此結(jié)果十分符合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點,實驗動物用房需要對設(shè)施內(nèi)部進行相對嚴(yán)格的濕度控制,夏熱冬冷地區(qū)梅雨季較長且高溫濕潤的氣候必會導(dǎo)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(shù)據(jù)統(tǒng)計。項目B的空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量見表8。

表8 項目B空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量 m3/h

項目B空調(diào)系統(tǒng)全年運行能耗見圖8。

圖8 項目B空調(diào)系統(tǒng)全年運行能耗

從項目B的逐月能耗數(shù)據(jù)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(diào)系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)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(chǔ)上還回收了排風(fēng)中的能量;在投資方面,項目B和項目C相對高一些,根據(jù)實際調(diào)研,項目B的空調(diào)系統(tǒng)投資約190萬元,單位面積約4 318元/m2,而項目C的空調(diào)系統(tǒng)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(yōu)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(diào)濕空調(diào)機組運行中的帶液問題是否會對實驗動物產(chǎn)生影響及溶液調(diào)濕空調(diào)機組運行維護中是否需要經(jīng)常補液一直以來是困擾行業(yè)的難題。筆者對項目B及國內(nèi)其他已經(jīng)運行多年的采用溶液機組的實驗動物設(shè)施項目進行了調(diào)研,目前還沒有這方面的不利信息反饋,使用方對溶液調(diào)濕機組在實驗動物設(shè)施中的使用均給予了肯定。

3 結(jié)論

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

在夏熱冬冷潮濕地區(qū),因除濕再熱過程對空調(diào)負(fù)荷的巨大影響,在空調(diào)方案選擇上建議優(yōu)先采用無需再熱的空氣處理方式——溫濕度解耦的溶液調(diào)濕方式。根據(jù)實際項目運行測算,該空調(diào)方案的能耗約為常規(guī)空調(diào)方案的55%。當(dāng)采用冷卻除濕的空氣處理方式時,應(yīng)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(jù)實際項目運行測算,該空調(diào)方案的能耗約為常規(guī)空調(diào)方案的78%。