獨(dú)立通風(fēng)籠盒系統(tǒng)內(nèi)傳熱傳質(zhì)分析

張建平 傅江南

(暨南大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理中心,廣州 510623)

獨(dú)立通風(fēng)籠盒系統(tǒng)(IVC)是一種以飼養(yǎng)盒為單位的獨(dú)立通風(fēng)小型屏障設(shè)備，由主機(jī)、籠架、籠盒和獨(dú)立送排風(fēng)系統(tǒng)組成，無(wú)調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)功能，故籠盒內(nèi)微環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)的依賴(lài)性較大。

目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從籠盒更換頻率[1-3]、換氣次數(shù)[4]、CO2濃度特性[5]、氨濃度[6]、墊料種類(lèi)、籠盒空間大小、飼養(yǎng)密度[7-9]等方面對(duì)籠盒內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，換籠周期為7～14 d，換氣次數(shù)為40～120次/h，飼養(yǎng)密度為≤5只/盒，最適宜實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生存生長(zhǎng)。以上研究均是基于設(shè)施內(nèi)換氣次數(shù)>15次/h(國(guó)內(nèi))、20次/h～25次/h(國(guó)外)，環(huán)境參數(shù)滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下進(jìn)行的。如此大的換氣次數(shù)使得實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大，成為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的一大難題。

目前IVC設(shè)備送風(fēng)方式主要有兩種：①主機(jī)從建筑空間內(nèi)取風(fēng);②設(shè)備獨(dú)立送風(fēng)，即設(shè)施和設(shè)備是兩套完全獨(dú)立的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)[10-11]。以上兩種方式在運(yùn)行時(shí)，均可通過(guò)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制達(dá)到節(jié)能，無(wú)論哪種送風(fēng)方式，IVC設(shè)備均放置在建筑空間內(nèi)，并且籠盒的密封性較好，籠盒內(nèi)的空氣不易與室內(nèi)的空氣進(jìn)行交換，但是籠盒的材質(zhì)大多是PPSU和PSU，易導(dǎo)熱，故籠盒內(nèi)、外存在傳熱。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程中持續(xù)散熱散濕、散放氨氣對(duì)籠盒內(nèi)的微環(huán)境影響較大，因此探討籠盒傳熱傳質(zhì)機(jī)理，可對(duì)籠盒內(nèi)微環(huán)境和設(shè)施內(nèi)環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 相關(guān)規(guī)范及環(huán)境指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于IVC的標(biāo)準(zhǔn)有江蘇省的產(chǎn)品地方標(biāo)準(zhǔn)，DB32/T972—2006《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物籠器具 獨(dú)立通氣籠盒(IVC)系統(tǒng)》[12]，關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)為：GB 14925—2010《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 環(huán)境及設(shè)施》[13]和GB 50447—2008《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范》[14]，以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境指標(biāo)做了要求，詳見(jiàn)表1。

1.2 儀器和設(shè)備

國(guó)產(chǎn)IVC,90籠位二代小鼠獨(dú)立通氣籠盒；溫濕度儀(海創(chuàng)高科)、氨濃度監(jiān)測(cè)儀(MX6 IBRID)，均經(jīng)過(guò)獨(dú)立第三方校準(zhǔn)。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境指標(biāo)的要求Table 1 Environment parameters requirement of different standards

1.3 環(huán)境條件與控制

IVC設(shè)備放置在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物屏障設(shè)施內(nèi)[SYXK(粵)2017-0174], 設(shè)施內(nèi)的環(huán)境嚴(yán)格按照GB 14925要求進(jìn)行控制，設(shè)備運(yùn)行正常,籠盒的容積為7.6 L，換氣次數(shù)(50次/h)及壓差(+20 Pa)通過(guò)IVC控制面板進(jìn)行控制, 其中設(shè)備的測(cè)試籠盒放置在靠近主機(jī)的最下端。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

SPF級(jí)基因工程小鼠75只，18～26 g，按1只、2只、3只、4只、5只進(jìn)行隨機(jī)分組，共5組，每組5籠。墊料為玉米芯，所有籠盒均放置于同一籠架，正常飼養(yǎng)。為減少對(duì)動(dòng)物的干擾和保證籠盒的氣密性，溫濕度計(jì)的探頭和氨濃度監(jiān)測(cè)儀的軟管均從籠盒現(xiàn)有放置飲水瓶瓶嘴的孔伸入籠盒內(nèi)中層高度的位置進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)周期為7 d，每天測(cè)定籠盒內(nèi)溫度、濕度、氨濃度3次，取平均值。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

2 結(jié)果

2.1 籠盒內(nèi)、外溫度差隨時(shí)間變化特性

IVC設(shè)備換氣次數(shù)設(shè)為50次/h，測(cè)試周期房間內(nèi)的溫度控制在21～23 ℃之間。測(cè)試結(jié)果如圖1所示：籠盒內(nèi)外溫差均在0～2.5 ℃之間變動(dòng)，且隨著動(dòng)物只數(shù)的增多籠盒內(nèi)外溫差有微小增高。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，籠盒內(nèi)外溫差在第4天達(dá)到最高。五組實(shí)驗(yàn)中，1只小鼠/籠的溫差變化趨勢(shì)不同于其余四組，因?yàn)榇私M籠盒放置在籠架最上部，距設(shè)施的送風(fēng)口較近。但任意兩組相比，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)(表2)，即小鼠籠盒內(nèi)外的溫差受時(shí)間的影響較小。

圖1 籠盒內(nèi)外溫差變化特性Fig.1 Temperature variation characteristics inside and outside the cage

表2 籠盒內(nèi)外溫差變化情況Table 2 Temperature variation characteristics inside and outside the

注：各組之間溫差值比較，P>0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05，n=21

2.2 相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化特性

IVC設(shè)備換氣次數(shù)為50次/h，測(cè)試周期房間內(nèi)的相對(duì)濕度控制在50%～57%之間。測(cè)試結(jié)果如圖2所示：籠盒內(nèi)的相對(duì)濕度均高于籠盒外設(shè)施內(nèi)的相對(duì)濕度，且籠盒內(nèi)外相對(duì)濕度差隨著天數(shù)逐漸增大，在飼養(yǎng)第7天時(shí)，當(dāng)籠盒內(nèi)小鼠只數(shù)大于4只時(shí)，籠盒內(nèi)外相對(duì)濕度差大于15%。同時(shí)籠盒內(nèi)小鼠越多，籠盒內(nèi)外相對(duì)濕度差越大。任意兩組相比，當(dāng)相隔時(shí)間=1 d時(shí)，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)，當(dāng)相隔時(shí)間≥2 d時(shí)，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(表3)，即小鼠籠盒內(nèi)外的相對(duì)濕度隨著時(shí)間的增加等增大。

圖2 籠盒內(nèi)外相對(duì)濕度差變化特性Fig.2 Humidity variation characteristics inside and outside the cage

表3 籠盒內(nèi)外相對(duì)濕度差變化情況Table 3 Humidity variation characteristics inside and outside the

注：任意兩組相比，當(dāng)相隔時(shí)間=1 d時(shí)，P>0.05;當(dāng)相隔時(shí)間≥2 d時(shí)，P<0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for humidity was evaluated,P>0.05,when the interval time was 1 day; while, when the interval time was equal or greater than 2 day,P<0.05,n=21

2.3 氨濃度隨時(shí)間的變化特性

IVC設(shè)備換氣次數(shù)為50次/h，因籠盒具有密封性，測(cè)試周期內(nèi)，設(shè)施內(nèi)的氨濃度≤5 mg/m3。測(cè)試結(jié)果如圖3所示：籠盒內(nèi)外的氨濃度差在第4天之前較小，并且籠盒內(nèi)的氨濃度也相對(duì)較低，<5 mg/m3，而且所有籠盒內(nèi)的氨濃度相差較小。第5天籠盒內(nèi)的氨濃度急速增高，之后緩慢增加，每組實(shí)驗(yàn)之間的氨濃度差異增大，并且在第5天時(shí)，飼養(yǎng)小鼠為5只的籠盒內(nèi)氨濃度高于15 mg/m3。氨濃度測(cè)試結(jié)果與假定值(每組平均值)對(duì)比，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(表4)，即小鼠籠盒內(nèi)外的氨濃度與小鼠數(shù)量和時(shí)間均相關(guān)。

圖3 籠盒內(nèi)外氨濃度差變化特性Fig.3 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the cage

表4 籠盒內(nèi)外氨濃度差變化情況Table 4 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the

注：各組氨濃度值與假定值相比，P<0.05

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05

3 討論

3.1 散熱分析

不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物小鼠散熱量如表5所示：

表5中最小的全熱量0.49 w(ASHRAE)為例，假設(shè)通過(guò)籠盒壁面不傳熱或者傳熱量可忽略，小鼠的散熱量完全由送風(fēng)承擔(dān)，根據(jù)熱平衡原理計(jì)算消除小鼠散熱所需的通風(fēng)量[15]。

表5 小鼠散熱量Table 5 Mouse’s rate of heat emission

注：每個(gè)籠盒的體積為7.6升，最多飼養(yǎng)5只小鼠，籠盒的導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/m·K，籠盒表面積約0.3 m2，籠盒的厚度0.003 m。

Note:The volume of each cage is 7.6 L, maximum number of breeders is 5, the thermal conductivity of the cage box is 0.35 W/m·K, the surface area of the cage box is about 0.3 m2, and the thickness of the cage box is 0.003 m.

式中：qm—通風(fēng)量(kg/s)

Q—散熱量(kJ/s)

c—空氣的質(zhì)量熱容，取c=1.01kJ/(kg.K)

tp—排出空氣的溫度(K)

to—進(jìn)入空氣的溫度(K)

由公式可知，送風(fēng)量和送排風(fēng)溫差為反比例函數(shù)的關(guān)系，送風(fēng)量越大，溫差越小，反之亦然。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 送風(fēng)量和籠盒內(nèi)外溫差之間的關(guān)系Table 6 The link with the air supply volume and the temperature difference inside and outside the cage

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)IVC籠盒內(nèi)外的溫差為6 ℃時(shí)，籠盒內(nèi)換氣次數(shù)高達(dá)到160次/h。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)測(cè)值相悖，分析原因可能為：IVC籠盒內(nèi)小鼠的散熱量并不完全由送風(fēng)量承擔(dān)，其中大部分熱量是以傳熱和對(duì)流的形式通過(guò)籠盒壁傳到籠盒外即設(shè)施內(nèi)。

3.2 散濕特性分析

根據(jù)濕平衡原理計(jì)算消除余濕所需的通風(fēng)量計(jì)算式

式中：qm—通風(fēng)量(kg/s)

W—余濕量(g/s)(小鼠散熱量)

dp—排出空氣的含濕量[g/kg(干空氣)]

do—進(jìn)入空氣的含濕量[g/kg(干空氣)]

由公式可知，在小鼠散濕量一定時(shí)，籠盒內(nèi)的相對(duì)濕度受通風(fēng)量和送風(fēng)相對(duì)濕度影響。

3.3 氨濃度擴(kuò)散特性分析

根據(jù)風(fēng)量平衡原理和污染物質(zhì)量平衡原理計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)下所需全面通風(fēng)量計(jì)算式

L—全面通風(fēng)量(m3/s)

K—安全系數(shù)

x—污染物散發(fā)量(g/s)

yo—送風(fēng)中污染物濃度(g/m3)

y2—室內(nèi)污染物濃度(g/m3)

由上式可知，在小鼠氨氣散發(fā)量一定時(shí)，籠盒內(nèi)的氨濃度只與送風(fēng)量有關(guān)。

3.4 結(jié)論

以上結(jié)果中，相對(duì)濕度和氨濃度隨時(shí)間的變化與已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中變化趨勢(shì)一致[16]。

通過(guò)實(shí)測(cè)和理論分析得知，為保證籠盒內(nèi)的溫度滿足小鼠生長(zhǎng)，需保證設(shè)施內(nèi)的溫度在19～24 ℃之間，避免籠盒內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低。為保證籠盒內(nèi)的相對(duì)濕度<70%，設(shè)備送風(fēng)的相對(duì)濕度建議不超過(guò)55%，需通過(guò)控制換氣次數(shù)來(lái)減小籠盒內(nèi)的氨濃度。