獨(dú)立通風(fēng)籠具兩種送風(fēng)方式的解析

季金星

(上海得風(fēng)建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200233)

伴隨著國(guó)家“健康中國(guó)2030規(guī)劃”以及“建設(shè)雙一流大學(xué)戰(zhàn)略”的全面深入實(shí)施，作為生物醫(yī)藥行業(yè)科研實(shí)驗(yàn)和生命科學(xué)研究重要支撐條件之一的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施，近些年迎來(lái)了一波建設(shè)熱潮。獨(dú)立通風(fēng)籠具(individually ventilated cage，IVC)系統(tǒng)，可為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供相對(duì)穩(wěn)定且獨(dú)立的微環(huán)境，同時(shí)也能較好地控制動(dòng)物之間及動(dòng)物與人之間的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中。在目前各大新建的設(shè)施中，IVC籠具的空調(diào)送風(fēng)主要存在如圖1所示的兩種方式。送風(fēng)方式A：IVC自帶主機(jī)，主機(jī)從房間取風(fēng)后，再向籠具送風(fēng)。送風(fēng)方式B：IVC不帶主機(jī)，屏障設(shè)施設(shè)置集中專用的送風(fēng)系統(tǒng)向各籠架送風(fēng)。本文將從安全可靠性、空間利用率、運(yùn)行能耗、監(jiān)控調(diào)節(jié)、初投資這五方面對(duì)上述兩種送風(fēng)方式的具體特點(diǎn)和適用性進(jìn)行分析。

1 安全可靠性分析

1.1 送風(fēng)方式A

采用該方式，每臺(tái)控制主機(jī)可對(duì)一組或多組籠架送風(fēng)，其籠具送風(fēng)由每臺(tái)控制主機(jī)上的送風(fēng)機(jī)直接從房間內(nèi)抽取?；\具送風(fēng)的來(lái)源為對(duì)房間空氣集中進(jìn)行冷熱、過(guò)濾處理的凈化空調(diào)箱，該空調(diào)箱設(shè)置必要的備用措施。

在發(fā)生故障或污染的情況下，該系統(tǒng)可能存在以下幾種風(fēng)險(xiǎn)：

(1)當(dāng)房間的集中空調(diào)箱發(fā)生故障且備用機(jī)組也因故障無(wú)法有效投入使用時(shí)，由于房間的溫濕度將失控，因此該空調(diào)箱所服務(wù)的所有房間、所有籠具內(nèi)的微環(huán)境指標(biāo)也將失控。

圖1 兩種不同送風(fēng)方式的系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the two different air supply systems

(2)當(dāng)房間內(nèi)的單臺(tái)控制主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于控制主機(jī)本身沒(méi)用備用設(shè)備，因此由該主機(jī)所控制的籠具將受影響，而由其它主機(jī)所控制的籠具仍可維持正常工作狀態(tài)。雖然近年來(lái)隨著IVC產(chǎn)品的生產(chǎn)及制作水平不斷提高，大多數(shù)品牌的控制主機(jī)已經(jīng)具有比較可靠穩(wěn)定的運(yùn)行性能，但市場(chǎng)上依然存在產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)象。若在大型項(xiàng)目中應(yīng)用送風(fēng)方式A，則往往需要設(shè)置幾百臺(tái)的IVC主機(jī)。大量主機(jī)均經(jīng)受著常年不間斷運(yùn)行且無(wú)備用設(shè)備輪換的考驗(yàn)，無(wú)形中會(huì)成為大量的故障隱患。

(3)由于IVC主機(jī)是從房間取風(fēng)的，因此一旦發(fā)生管理事故造成某房間內(nèi)的空氣被污染，則該房間的籠盒內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物也將面臨被污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于IVC籠盒通常被設(shè)定為相對(duì)房間保持一定正壓，因此當(dāng)某些籠盒內(nèi)的動(dòng)物被意外感染時(shí)，在正壓作用下，通過(guò)房間空氣這一媒介，各籠盒間也存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。在管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染的情況下，可通過(guò)臨時(shí)將污染籠盒調(diào)整為負(fù)壓來(lái)控制交叉感染。當(dāng)然，在IVC主機(jī)及籠盒的高效過(guò)濾網(wǎng)均不發(fā)生滲漏且定期更換的前提下，上述污染風(fēng)險(xiǎn)均在可控的范圍內(nèi)。

1.2 送風(fēng)方式B

采用該方式，房間送風(fēng)與IVC籠具送風(fēng)設(shè)置兩套完全獨(dú)立的空調(diào)機(jī)組，且各自設(shè)置相應(yīng)的備用措施。實(shí)際工程中，可在房間送風(fēng)管與籠具送風(fēng)管之間設(shè)置備用旁通管，旁通管上設(shè)置電動(dòng)定風(fēng)量閥(見(jiàn)圖1)。該閥門(mén)平時(shí)常閉，當(dāng)籠具送風(fēng)空調(diào)箱發(fā)生故障且其備用設(shè)備也失靈時(shí)該閥門(mén)自動(dòng)迅速開(kāi)啟，應(yīng)急送風(fēng)。根據(jù)《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 環(huán)境及設(shè)施》(GB 14925-2010)的規(guī)定，屏障環(huán)境房間的潔凈度級(jí)別為7級(jí)[1]，其送風(fēng)同樣須經(jīng)過(guò)初、中、高三級(jí)過(guò)濾。房間空調(diào)送風(fēng)應(yīng)急旁通作為IVC籠具的送風(fēng)，可在短時(shí)間內(nèi)基本維持籠具內(nèi)的微環(huán)境指標(biāo)，包括潔凈度指標(biāo)。

在發(fā)生故障的情況下，該系統(tǒng)可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)房間送風(fēng)空調(diào)箱及IVC籠具送風(fēng)空調(diào)箱均發(fā)生故障且各自的備用設(shè)備均也因故障無(wú)法投入使用時(shí)，該空調(diào)箱所服務(wù)的所有房間內(nèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的微環(huán)境指標(biāo)將失控。

1.3 對(duì)比分析

送風(fēng)方式B配置了“房間送風(fēng)”及“籠具送風(fēng)”兩套完全獨(dú)立的送風(fēng)系統(tǒng)，兩者互不干擾、互不污染、互不依賴。由于各籠架均不帶送風(fēng)主機(jī)，該系統(tǒng)室內(nèi)不存在大量點(diǎn)位的可能發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)動(dòng)力部件及過(guò)濾器。通過(guò)設(shè)置緊急旁通風(fēng)閥，“房間送風(fēng)”可在“籠具送風(fēng)”的備用設(shè)備失靈時(shí)作為第二備用風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)急投入使用。送風(fēng)方式B 較之送風(fēng)方式A，可提供更安全可靠的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行保障。

2 室內(nèi)空間利用率分析

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施建設(shè)難度大、造價(jià)高，業(yè)主往往希望設(shè)施建成后能夠盡量多地布置籠具。尤其對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)企業(yè)而言，空間的利用率對(duì)其產(chǎn)量及利潤(rùn)更是至關(guān)重要。下文以一個(gè)典型的小鼠飼養(yǎng)房間為例，計(jì)算對(duì)比采用上述兩種送風(fēng)方式時(shí)的室內(nèi)空間利用率。

對(duì)比模型概述：該飼養(yǎng)房間面積為70.8 m2。采用密集型單面、雙面IVC籠架。單面籠架尺寸為1720 mm × 540 mm × 2080 mm(長(zhǎng)×寬×高)，雙面籠架尺寸為1720 mm × 890 mm × 2090 mm(長(zhǎng)×寬×高)，IVC主機(jī)尺寸為470 mm × 660 mm × 2090 mm(長(zhǎng)×寬×高)。每個(gè)籠盒內(nèi)的小鼠數(shù)量均為5只。

采用上述兩種不同的籠具送風(fēng)方式，IVC籠具的布置示意見(jiàn)圖2；其對(duì)室內(nèi)可布置籠盒數(shù)量及可飼養(yǎng)小鼠數(shù)量的影響見(jiàn)表1。

由此可見(jiàn)：采用送風(fēng)方式B，室內(nèi)無(wú)需設(shè)置控制主機(jī)，可節(jié)省相應(yīng)的建筑空間，較之采用送風(fēng)方式A，其室內(nèi)空間利用率更高。當(dāng)然，無(wú)論采取那種方式，要想將空間利用率最大化，合理確定房間的尺寸、合理布局IVC籠具都是必不可少的。

圖2 兩種不同送風(fēng)方式下的籠架布置圖Figure 2 Layouts of cages for the two different air supply modes

表1 兩種不同送風(fēng)方式下的可布置籠盒數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of the number of cage boxes arranged for the two air supply modes

3 運(yùn)行能耗分析

3.1 送風(fēng)方式A

采用該方式，空調(diào)送風(fēng)只設(shè)置一套系統(tǒng)，其空氣處理量為根據(jù)房間換氣次數(shù)要求計(jì)算得出的風(fēng)量。為確?；\盒內(nèi)的溫濕度達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不得不依據(jù)籠盒內(nèi)小鼠的散熱及散濕量來(lái)計(jì)算確定籠盒的進(jìn)風(fēng)參數(shù)(即房間的溫濕度參數(shù))。由于籠盒內(nèi)小鼠聚集，其單位空間體積的散熱散濕量遠(yuǎn)大于房間，因此以籠盒內(nèi)的熱濕條件來(lái)確定房間的空氣參數(shù)，對(duì)于房間而言，空調(diào)系統(tǒng)存在過(guò)度處理、不節(jié)能的情況。

《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 環(huán)境及設(shè)施》(GB 14925-2010)規(guī)定：非工作時(shí)間下，出于降低能耗的考慮，房間的最小換氣次數(shù)可降低到10次/h[1]。然而，當(dāng)采用送風(fēng)方式A時(shí)，則不建議采用降低送風(fēng)換氣次數(shù)的做法。IVC主機(jī)進(jìn)風(fēng)從房間空氣中抽取，該風(fēng)量在房間總送風(fēng)量中占較大比例，且通常在非人員工作時(shí)段也需保持恒定。若房間換氣次數(shù)大幅降低而IVC進(jìn)風(fēng)量不變，為維持房間壓力穩(wěn)定，勢(shì)必要將房間四周的排風(fēng)口風(fēng)量調(diào)得很低。此時(shí)，房間氣流組織的均勻性將受到影響并發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)對(duì)房間的微環(huán)境指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。

3.2 送風(fēng)方式B

采用該方式，將房間送風(fēng)與籠盒送風(fēng)完全獨(dú)立開(kāi)來(lái)。房間送風(fēng)的風(fēng)量可按扣除籠盒體積后的房間體積乘以規(guī)范要求的換氣次數(shù)計(jì)算得出?；\盒的送風(fēng)量一般以籠盒換氣次數(shù)40～60次/h[2]為宜。依據(jù)上述方法計(jì)算得出的整體空調(diào)送風(fēng)量大于采用方式A的系統(tǒng)。

采用送風(fēng)方式B，籠盒的送風(fēng)處理參數(shù)按照小鼠的散熱散濕量來(lái)計(jì)算確定；而房間的送風(fēng)參數(shù)則可從房間的實(shí)際負(fù)荷出發(fā)，結(jié)合人員的熱舒適要求按需配置。其空調(diào)系統(tǒng)不存在過(guò)度處理的情況。采用這種方式，由于房間與IVC籠盒的微環(huán)境相對(duì)獨(dú)立，因此在非人員工作時(shí)間，可在確?；\盒內(nèi)換氣次數(shù)及微環(huán)境指標(biāo)保持不變的前提下，大幅降低房間的送風(fēng)量從而降低運(yùn)行能耗。

3.3 對(duì)比分析

下文針對(duì)上海地區(qū)同一典型屏障環(huán)境的小鼠飼養(yǎng)室，按照采用上述兩種送風(fēng)方式進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，分別對(duì)其空調(diào)處理工況進(jìn)行計(jì)算并分析對(duì)比。

3.3.1 對(duì)比模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)飼養(yǎng)條件：房間面積：62 m2，室內(nèi)凈高2.6 m；籠盒數(shù)量：1656只，每籠小鼠數(shù)量：5只；每只小鼠產(chǎn)熱量及散濕量：全熱=0.49 W，顯熱=0.33 W，潛熱=0.16 W，散濕量=0.168 g/h[3]。

(2)籠盒參數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)籠盒外部尺寸：391 mm × 199 mm × 160 mm，體積：0.0124 m3。

(3)換氣次數(shù)：房間換氣次數(shù)取18次/h；籠盒換氣次數(shù)取40～60次/h；空調(diào)通風(fēng)采用全新風(fēng)系統(tǒng)。

(4)籠盒內(nèi)參數(shù)：IVC籠盒內(nèi)溫濕度設(shè)定點(diǎn)：23℃，50%，焓值45.63 kJ/kg，含濕量8.81 g/kg。

3.3.2 夏季空調(diào)冷熱量需求

根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在焓濕圖上按照各狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算后，所得出的夏季空調(diào)冷熱量需求見(jiàn)表2～3。

(1)表2列出了不同籠盒換氣次數(shù)設(shè)定條件下，采用方式A時(shí)，計(jì)算得出的空調(diào)制冷量與再熱量。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著籠盒換氣次數(shù)的減少，空調(diào)總冷熱量下降的趨勢(shì)并不明顯。

(2)由表2可見(jiàn)：采用方式A，為實(shí)現(xiàn)籠盒內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到50%，房間內(nèi)的空氣相對(duì)濕度必須控制得更低，才能以干燥的空氣帶走籠盒內(nèi)動(dòng)物的散濕量。隨著籠盒換氣次數(shù)的逐級(jí)取低，房間空氣必須處理得越來(lái)越干燥，才能保障籠盒內(nèi)的相對(duì)濕度。

表2 不同籠盒換氣次數(shù)下，方式A的空調(diào)總冷熱量需求表Table 2 Total heat and cold demands of mode A when using different cage air change rates

注：在上述計(jì)算中，籠盒內(nèi)溫度取23℃，籠盒內(nèi)相對(duì)濕度取50%，房間整體換氣次數(shù)取18次/h。
Note. In the above calculation, the temperature in the cage was 23°C, with a relative humidity of 50%, and air change rate of the room of 18 times/h.

表3 不同籠盒及房間換氣次數(shù)下，方式B的空調(diào)總冷熱量需求表Table 3 Total heat and cold demands of mode B when using different cage and room air change rates

注：在上述計(jì)算中，籠盒內(nèi)溫度取23℃，籠盒內(nèi)相對(duì)濕度取50%，房間溫度取23℃，房間相對(duì)濕度取60%。
Note. In the above calculation, the temperature in cage was 23°C, with a relative humidity of 50%, room temperature of 23°C, and a relative room humidity of 60%.

(3)表3列出了不同籠盒換氣次數(shù)及房間換氣次數(shù)設(shè)定條件下，采用方式B時(shí)，計(jì)算得出的空調(diào)制冷量與再熱量。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著籠盒換氣次數(shù)的減少，空調(diào)總冷熱量下降的趨勢(shì)較為明顯。

(4)采用方式B，房間的濕度設(shè)定無(wú)需考慮籠盒的濕度控制需求，兩套系統(tǒng)互不制約。

(5)將上述計(jì)算數(shù)據(jù)匯總到圖3，進(jìn)行對(duì)比分析后可知：當(dāng)房間換氣次數(shù)均設(shè)定為18次/h時(shí)，采用方式B所消耗的空調(diào)冷熱量大于方式A。隨著籠盒換氣次數(shù)逐漸取小，兩者的數(shù)據(jù)差值逐漸縮小。采用方式B，非工作時(shí)間當(dāng)房間換氣次數(shù)降低到10次/h時(shí)，空調(diào)總冷熱量需求與采用方式A(房間換氣次數(shù)18次/h)相比有明顯降低，節(jié)能效果顯著。

4 監(jiān)控調(diào)節(jié)手段分析

4.1 送風(fēng)方式A

IVC主機(jī)自帶可編程邏輯控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)籠盒參數(shù)的監(jiān)視、調(diào)控。市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品通?？蓪?shí)現(xiàn)以下功能：

(1)對(duì)籠盒的溫濕度、壓差、換氣次數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，異常時(shí)報(bào)警。

(2)可實(shí)現(xiàn)籠盒正負(fù)壓狀態(tài)的切換。

(3)通過(guò)監(jiān)控通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警。

(4)可實(shí)現(xiàn)籠盒換氣次數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。同一飼養(yǎng)室內(nèi)由不同主機(jī)所控制的籠盒可設(shè)置不同的換氣次數(shù)并可隨時(shí)按需調(diào)節(jié)。

(5)當(dāng)籠架上有部分籠盒未使用時(shí)，IVC主機(jī)可根據(jù)實(shí)際使用籠盒的風(fēng)量需求來(lái)降低主機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率、減少籠架的總送風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

4.2 送風(fēng)方式B

IVC集中送風(fēng)的系統(tǒng)，通過(guò)在各送排風(fēng)管道上設(shè)置溫濕度、風(fēng)量傳感器、籠架恒風(fēng)量閥等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)籠盒溫濕度、風(fēng)量的監(jiān)控和對(duì)籠盒壓力的控制。該系統(tǒng)在室內(nèi)無(wú)智能控制器，其可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控功能及調(diào)節(jié)功能不如送風(fēng)方式A豐富。

圖3 改變籠盒換氣次數(shù)時(shí)兩種方式的空調(diào)需求對(duì)比Figure 3 Comparison of air conditioning requirements for the two air supply modes when changing cage ventilation times

5 初投資分析

采用方式A，項(xiàng)目初投資中增加了IVC主機(jī)的費(fèi)用；采用方式B則增加了空調(diào)箱、管路、風(fēng)閥等的費(fèi)用。IVC主機(jī)集成了多項(xiàng)智能化監(jiān)控與調(diào)節(jié)功能，其售價(jià)不菲，進(jìn)口品牌尤為突出。下面以一個(gè)典型項(xiàng)目為例，對(duì)比A、B兩種方式空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的初投資，詳見(jiàn)表4。該項(xiàng)目建筑面積約600 m2，設(shè)置大鼠籠位數(shù)490個(gè)，小鼠籠位數(shù)3520個(gè)。

表4 兩種送風(fēng)方式的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)初投資對(duì)比Table 4 Comparison of initial investment of air supply systems for the two air supply modes

由表4可見(jiàn)，采用送風(fēng)方式A較之方式B，空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的初投資明顯增加。

6 結(jié)論

綜上所述，IVC籠具的這兩種空調(diào)送風(fēng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：方式A在數(shù)字化監(jiān)控調(diào)節(jié)手段上具有優(yōu)勢(shì)；方式B則在安全可靠性、空間利用率、節(jié)能性和初投資合理性上更勝一籌?；谶@些特質(zhì)，上述兩種送風(fēng)方式分別適用于不同類型的項(xiàng)目。

6.1 送風(fēng)方式A適用于較小規(guī)模的設(shè)施，適用于對(duì)籠盒參數(shù)需要分散、靈活調(diào)控的項(xiàng)目

在較小規(guī)模的設(shè)施中，往往很難找到足夠的空間用以設(shè)置多臺(tái)大尺寸的空調(diào)箱。采用方式A可減少空調(diào)箱及送風(fēng)管路的設(shè)置，可通過(guò)在房間內(nèi)設(shè)置多臺(tái)IVC主機(jī)將送風(fēng)設(shè)備化整為零。IVC主機(jī)也可靈活且智能化地實(shí)現(xiàn)籠盒環(huán)境的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。在小型設(shè)施中應(yīng)用該方式所需設(shè)置的IVC主機(jī)數(shù)量不至于過(guò)多，其潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位數(shù)及對(duì)初投資的影響也相對(duì)可控。

6.2 送風(fēng)方式B適用于中大型的設(shè)施

一方面，中大型的設(shè)施整體能耗基數(shù)較大，其節(jié)能潛力更大。采用IVC集中送風(fēng)的系統(tǒng)，在非工作時(shí)段可大幅降低空調(diào)通風(fēng)能耗，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，中大型的設(shè)施一旦發(fā)生系統(tǒng)故障或污染事故往往會(huì)造成重大損失。采用方式B，風(fēng)系統(tǒng)具有多重冗余備份且交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)更低，具有更高的安全性。

總而言之，只有根據(jù)項(xiàng)目的具體特點(diǎn)選擇適合的送風(fēng)方式，方可最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)、創(chuàng)造價(jià)值收益。