某GLP實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

歐少華，周 斌，劉吉宏

(上海開(kāi)純潔凈室技術(shù)工程有限公司，上海 200233)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境設(shè)施是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境控制是保證實(shí)驗(yàn)室人員安全健康和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的重要措施，而空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的控制起著關(guān)鍵作用，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施環(huán)境的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。目前對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)研究較多[1-3]，但所研究的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模較小或者動(dòng)物種類(lèi)較少。隨著生命科學(xué)研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的規(guī)模和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種類(lèi)多樣性要求也越來(lái)越高。本文以某機(jī)構(gòu)GLP中心建設(shè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)其空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，以其結(jié)果對(duì)其他GLP動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)提供一些具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目的建設(shè)地點(diǎn)位于深圳市，總建筑面積為48 259平方米，其中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的面積約13 200平方米，建筑高度為94.8米，其中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的層高均為5.1米。具體樓層信息如表1所示。

2 空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)介紹

2.1 冷熱源

本項(xiàng)目的冷源采用雙工況冰蓄冷工藝為空調(diào)系統(tǒng)提供冷水，額定制冷工況的冷水進(jìn)出溫度為5℃/13℃，冷卻水進(jìn)出水溫為37℃/32℃。熱源采用蒸汽發(fā)生器，為工藝設(shè)備和空調(diào)加濕提供0.2～0.5 MPa的蒸汽，通過(guò)板式換熱器為空調(diào)系統(tǒng)提供進(jìn)出溫度為50℃/60℃的熱水。

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

在滿足相關(guān)規(guī)范[4-5]要求情況下，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)以及節(jié)能考慮，對(duì)主要的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì):考慮到不同運(yùn)行模式所需求的風(fēng)量差異較大，且不同動(dòng)物對(duì)溫濕度的要求也有所差異，因此本項(xiàng)目中的換氣次數(shù)在滿足使用需求的情況下，采用變風(fēng)量節(jié)能設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)表2。

2.3 空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)

2.3.1 空調(diào)系統(tǒng)劃分

根據(jù)工藝條件及功能分區(qū)，不同動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室之間的送排風(fēng)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，避免交叉污染。為了防止臭味的蓄積，所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)均采用直流式全新風(fēng)方式。以下以清洗前后區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)以及SPF級(jí)小鼠實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

2.3.2 清洗區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)

該區(qū)域是動(dòng)物籠盒、籠具和水瓶等集中清洗消毒區(qū)，以及臟墊料集中收集處理區(qū)，也是工作人員人數(shù)最多、工作時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域[5]。此區(qū)域涉及到的工藝設(shè)備較多，設(shè)備和蒸汽發(fā)熱量較大，臟墊料的異味較濃，因此該區(qū)的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到工作人員的舒適性以及運(yùn)行的節(jié)能性問(wèn)題。通過(guò)精確計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備的總排風(fēng)量與房間按換氣次數(shù)所計(jì)算的排風(fēng)量接近，因此從空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性出發(fā)，采用了總送風(fēng)量和總排風(fēng)量恒定的空調(diào)系統(tǒng)，整個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)為負(fù)壓，避免清洗區(qū)的異味外溢。另外，根據(jù)不同排風(fēng)設(shè)備開(kāi)啟的情況，調(diào)整房間排風(fēng)量的大小，使設(shè)備和房間的總排風(fēng)量恒定。

表1 項(xiàng)目樓層信息Table 1 Floor information

清洗區(qū)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖詳見(jiàn)圖1，其中清洗后區(qū)空調(diào)運(yùn)行控制邏輯為:如果所有設(shè)備均不開(kāi)啟，房間送風(fēng)量9000 m3/h，排風(fēng)量11 200 m3/h；如果設(shè)備全部開(kāi)啟，設(shè)備排風(fēng)量為7600 m3/h，房間排風(fēng)量降到3600 m3/h，總排風(fēng)量仍為11 200 m3/h，房間送風(fēng)仍為9000 m3/h。清洗前區(qū)空調(diào)運(yùn)行控制邏輯為:如果所有設(shè)備均不開(kāi)啟，房間送風(fēng)量11 000 m3/h，排風(fēng)量13 600 m3/h，如果設(shè)備全部開(kāi)啟，設(shè)備排風(fēng)量為9800 m3/h，房間排風(fēng)量降到3800 m3/h，總排風(fēng)量仍為13 600 m3/h，房間送風(fēng)仍為11 000 m3/h。

2.3.3 屏障環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)屏障環(huán)境的要求，以及結(jié)合本項(xiàng)目的飼養(yǎng)動(dòng)物種類(lèi)，本項(xiàng)目以18層某SPF級(jí)大鼠飼養(yǎng)室的空調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。與常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具體如下特點(diǎn):

(1)為維持屏障環(huán)境內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)24 h連續(xù)不間斷運(yùn)行，選用雙通道空調(diào)箱[5]，即該組合式空調(diào)機(jī)組由新風(fēng)段、初效過(guò)濾段、檢修段、風(fēng)機(jī)段、中效過(guò)濾段、快速切換止回裝置段、中間段(以上所有段均為一用一備)、制冷盤(pán)管段、制熱/再熱盤(pán)管段、蒸汽加濕段、出風(fēng)段構(gòu)成，詳見(jiàn)圖2。即當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，或者更換過(guò)濾裝置時(shí)，空調(diào)機(jī)組仍能保證正常運(yùn)行；

表2 主要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)室的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)Table 2 Room environment parameters for main lab animal labs

圖1 清洗區(qū)空調(diào)系統(tǒng)原理圖Figure 1 HVAC system scheme for washing area

(2)房間送排風(fēng)管均安裝變風(fēng)量文丘里閥，在滿足室內(nèi)溫濕度、氨氣、二氧化碳濃度的情況，實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量節(jié)能運(yùn)行。

2.4 排風(fēng)系統(tǒng)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)系統(tǒng)[5-6]中除了含有氨氣、硫化氫等臭氣，還含有動(dòng)物毛發(fā)、糞便等固體。為滿足環(huán)保的排放要求，本項(xiàng)目的排風(fēng)先經(jīng)過(guò)房間的帶初效尼龍網(wǎng)過(guò)濾的齒輪式排風(fēng)口，除去大部分的毛發(fā)和糞便，再通過(guò)排風(fēng)機(jī)組后導(dǎo)入納米半導(dǎo)體光催化模塊，即采用MnOx-TiO2復(fù)合物作為催化劑，選用真空紫外燈管作為催化光源，氧化分解氣流中的TVOCs等大分子有機(jī)物，使部分難溶于水的臭味分子分解為可溶性小分子。然后再將經(jīng)過(guò)光催化后的氣體導(dǎo)入氣液擾流凈化裝置，通過(guò)擾流球的擾動(dòng)作用形成微渦旋，與向下散布霧化噴淋液充分交融，將廢氣中的可懸浮顆粒物、光催化分解產(chǎn)物、臭氧、氨氣、硫化氫等空氣污染物由氣相轉(zhuǎn)入液相，從而達(dá)到凈化空氣除臭的目的。此外，張忍虎[6]對(duì)經(jīng)過(guò)該噴淋除臭處理之后的廢水進(jìn)行了工程實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示廢水中的氨氮及硫化物濃度均滿足環(huán)保要求。

2.5 氣流組織

規(guī)范[5]規(guī)定，屏障設(shè)施凈化區(qū)的氣流組織宜采用上送下回(排)方式。為了提高通風(fēng)效率，使室內(nèi)氣流組織更合理，本項(xiàng)目在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)設(shè)計(jì)了250～300 mm的排風(fēng)夾道，根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的大小以及動(dòng)物籠具的布置情況，靈活地布置排風(fēng)口(以四角下排風(fēng)為主)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的氣流組織的研究[3，7-8]主要都是從溫濕度和吹風(fēng)感的角度對(duì)氣流組織進(jìn)行優(yōu)化分析，而對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的臭味少有研究。根據(jù)部分動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室使用方的反饋，盡管采用了上送下排的氣流組織形式，但室內(nèi)臭氣還是較明顯。筆者認(rèn)為主要原因是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的主要臭味來(lái)源是氨氣，其密度比空氣輕，易集聚于天花之下，僅設(shè)計(jì)下排風(fēng)不利于氨氣的排放。因此，本項(xiàng)目在上送下排氣流組織基礎(chǔ)上，輔助設(shè)計(jì)頂排風(fēng)口。

此外，通過(guò)CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行輔助量化分析，對(duì)比上送下排輔助頂排方式和上送下排方式的室內(nèi)氨氣濃度情況。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化和假設(shè):

圖2 某屏障環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)原理圖Figure 2 Barrier HVAC system scheme

物理模型:選取本項(xiàng)目中的某大鼠實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)×寬×高＝6.5 m×3.7 m×2.5 m。室內(nèi)設(shè)有4個(gè)長(zhǎng)×寬×高＝1.8 m×0.5 m×2.0 m的大鼠IVC籠架，每個(gè)籠架有35個(gè)大鼠籠盒，考慮到非滿負(fù)荷飼養(yǎng)，每個(gè)籠盒暫按飼養(yǎng)2只大鼠計(jì)算，每只大鼠發(fā)熱量6.33 W[5]，每個(gè)籠架的發(fā)熱量為433 W。另外，籠盒內(nèi)的動(dòng)物及臟墊料是臭味氨氣的釋放源，其釋放量與動(dòng)物的飼養(yǎng)量以及墊料的更換頻率密切相關(guān)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將整個(gè)籠具作為體污染源，恒定釋放濃度為10 mg/m3。房間設(shè)有兩個(gè)高效送風(fēng)口的尺寸為0.48 m×0.48 m，送風(fēng)口風(fēng)速為0.94 m，送風(fēng)溫度為18℃，每個(gè)送風(fēng)口的風(fēng)量780 m3/h。下排風(fēng)口的尺寸為0.4 m×0.2 m，距地0.15 m。上送下排輔助頂排方式(以下簡(jiǎn)稱模型1)在房間的頂部四角設(shè)計(jì)了0.2 m×0.2 m的4個(gè)排風(fēng)口，每個(gè)風(fēng)口排風(fēng)量為100 m3/h，詳見(jiàn)圖3。僅上送下排方式(以下簡(jiǎn)稱模型2)，不設(shè)計(jì)頂排風(fēng)。詳見(jiàn)圖4。

數(shù)學(xué)模型:本模擬采用室內(nèi)零方程模型，清華大學(xué)趙彬等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在非等溫流動(dòng)的空調(diào)通風(fēng)領(lǐng)域中，室內(nèi)零方程比標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型的模擬結(jié)果精度更高，計(jì)算速度更快。另外，將室內(nèi)空氣視為理想氣體，符合Boussinesq假設(shè)，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

結(jié)果表明，模型1的整個(gè)房間氨氣濃度為3.42 ppm，人員呼吸高度(約1.4～1.8 m)氨氣濃度為3.45 ppm，模型2的整個(gè)房間氨氣濃度3.81 ppm，人員呼吸高度氨氣濃度為3.90 ppm，即增加了輔助頂排之后，室內(nèi)氨氣的平均濃度能降低約10%，詳見(jiàn)圖5～圖7。

2.6 空調(diào)自控系統(tǒng)：

2.6.1 壓差控制

為了保證動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室在正常工作或者空氣平衡暫時(shí)受到破壞時(shí)，氣流都能從空氣潔凈度高的區(qū)域流向空氣潔凈度低的區(qū)域，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)必須保持一定的壓差[5]。目前，對(duì)于壓差控制方法主要有純壓差控制法和余風(fēng)量控制法，以及兩者混合控制法。由于受房間門(mén)的開(kāi)關(guān)、室內(nèi)通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門(mén)的移動(dòng)以及人員運(yùn)動(dòng)等諸多因素對(duì)室內(nèi)壓力帶來(lái)的擾動(dòng)，如果采用純壓差控制法，控制系統(tǒng)的波動(dòng)性會(huì)較大[10]，而如果僅采用余風(fēng)量控制，隨著設(shè)施運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，房間的氣密性會(huì)變化，從而導(dǎo)致室內(nèi)的壓力值會(huì)偏離原設(shè)計(jì)值[11]。

結(jié)合純壓差控制法和余風(fēng)量控制法的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用混合控制法，即以余風(fēng)量差作為基本的控制依據(jù)，然后通過(guò)設(shè)置壓差傳感器以及控制器來(lái)設(shè)定余風(fēng)量控制系統(tǒng)的余風(fēng)量值。此外，在房間送排風(fēng)量主管上均安裝了變風(fēng)量文丘里閥，通過(guò)送排風(fēng)的風(fēng)量差來(lái)維持房間的設(shè)定壓力值，并參考?jí)翰顐鞲衅鞯闹?，每半年或一年重新校訂余風(fēng)量值。

圖3 上送下排輔助頂排的物理模型(模型1)Figure 3 Physic Model of Ceiling SA/Wall EA plus Ceiling EA assistance(Model 1)

圖4 上送下排的物理模型(模型2)Figure 4 Physical Model of Ceiling SA/Wall EA(Model 2)

本項(xiàng)目的所有屏障環(huán)境的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)為正壓實(shí)驗(yàn)室，凈化空調(diào)系統(tǒng)的送、排風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖關(guān)系為:先開(kāi)送風(fēng)機(jī)，后開(kāi)排風(fēng)機(jī)；關(guān)閉時(shí)先關(guān)排風(fēng)機(jī)，后關(guān)送風(fēng)機(jī)。所有普通級(jí)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)為負(fù)壓實(shí)驗(yàn)室，空調(diào)系統(tǒng)的連鎖程序與上述正壓實(shí)驗(yàn)室相反。

2.6.2 室內(nèi)空氣品質(zhì)及節(jié)能控制

圖5 X＝0.45 m的氨氣濃度場(chǎng)(模型1)Figure 5 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 1)

圖6 X＝0.45 m的氨氣濃度場(chǎng)(模型2)Figure 6 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 2)

圖7 模型1與模型2室內(nèi)氨氣濃度與垂直高度的關(guān)系Figure 7 Relationship of NH3 and Room Height in Model 1＆2

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、氨氣濃度等室內(nèi)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行模式、動(dòng)物飼養(yǎng)量以及墊料更換頻率均密切相關(guān)。為滿足動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)空氣品質(zhì)要求，常規(guī)設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)直流式空調(diào)系統(tǒng)，且換氣次數(shù)大，運(yùn)行能耗和碳排放指標(biāo)均較高。因此，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排問(wèn)題備受大家關(guān)注。Gordon等[12]通過(guò)對(duì)美國(guó)三類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室(包括非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室、帶通風(fēng)籠具的嚙齒類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室和開(kāi)放式籠具的嚙齒類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室)進(jìn)行了約100 000 h的TVOC及氨氣濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，結(jié)果表明約98.5%的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的換氣次數(shù)達(dá)到每小時(shí)6次即可保證TVOC及氨氣濃度指數(shù)達(dá)標(biāo)。因此，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室采用基于需求的變風(fēng)量控制模式可通過(guò)降低換氣次數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

此外，由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室在不同控制工況下的室內(nèi)人員狀況、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物狀態(tài)、環(huán)境控制參數(shù)要求均不同，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室有5種典型的運(yùn)行模式[13-15]:上班運(yùn)行狀態(tài)、下班運(yùn)行狀態(tài)、備用運(yùn)行狀態(tài)、自凈狀態(tài)和緊急狀態(tài)，所以空調(diào)系統(tǒng)的送排風(fēng)量需與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作模式相對(duì)應(yīng)，從而即能達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

本項(xiàng)目在滿足動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行需求的情況下，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，采用基于需求的變風(fēng)量控制模式，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的送排風(fēng)管上均安裝了變風(fēng)量文丘里閥，并且配置了AIRCUITY空氣品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)主管上以及每個(gè)重要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)室的排風(fēng)管上的空氣進(jìn)行分散采樣、集中測(cè)量分析。對(duì)采樣空氣進(jìn)行測(cè)量的物質(zhì)有:總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)、氨氣、二氧化碳、溫度、相對(duì)濕度。將測(cè)量值與室內(nèi)空氣品質(zhì)限定的最小值進(jìn)行對(duì)比，分別求出滿足室內(nèi)該五項(xiàng)指標(biāo)的最小送風(fēng)量，然后取五項(xiàng)最小送風(fēng)量的最大值，且不低于規(guī)范規(guī)定的非工作模式的最小換氣次數(shù)[4-5]，并聯(lián)動(dòng)房間送排風(fēng)變風(fēng)量文丘里閥，實(shí)現(xiàn)真正的基于需求的變風(fēng)量控制目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目目前正在施工中，預(yù)計(jì)2020年上半年進(jìn)行空調(diào)調(diào)試及有關(guān)竣工驗(yàn)收，下半年正式投入使用，實(shí)際運(yùn)行情況有待后續(xù)考證。通過(guò)對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)的調(diào)研分析，筆者認(rèn)為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)問(wèn)題:

1)目前，大多數(shù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室采用全新風(fēng)直流式空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)行能耗較大，如何在避免交叉污染的情況下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，是設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)之一。

2)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室廢氣處理的技術(shù)較多，包括有紫外線光解法、活性炭吸附法、等離子光解法、液體噴淋法等，還需要對(duì)各種技術(shù)從除臭效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保角度進(jìn)行對(duì)比分析。

3)隨著計(jì)算機(jī)配置的提高，采用數(shù)值模擬(CFD)技術(shù)輔助優(yōu)化氣流組織，提高空調(diào)的通風(fēng)效率，將成為經(jīng)濟(jì)可行的方案，特別是針對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求較高的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室。