實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

李楠

上海航天建筑設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是生命科學(xué)研究的基礎(chǔ)和條件，又是醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，衛(wèi)生保健產(chǎn)業(yè)和相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的支撐條件?！秾?shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施》GB14925-2010 中定義實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為經(jīng)人工培育，對其攜帶微生物和寄生蟲實(shí)行控制，遺傳背景明確或者來源清楚，用于科學(xué)研究，教學(xué)，生產(chǎn)，檢定以及其他科學(xué)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物[1]。這樣定義是為了保證科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，精確性和可重復(fù)性。而實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境因素的穩(wěn)定性和標(biāo)準(zhǔn)化，對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具有重要影響。最常使用的是SPF 級動(dòng)物（Specific Pathogen Free，無特定病原體級實(shí)驗(yàn)動(dòng)物），它既排除病原體的干擾，價(jià)格又低于無菌動(dòng)物和悉生動(dòng)物，被廣泛應(yīng)用和肯定。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對環(huán)境的依賴性很強(qiáng)，尤其是一些近交系動(dòng)物和免疫缺陷動(dòng)物，要求更嚴(yán)格的環(huán)境條件。目前國標(biāo)對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所處環(huán)境（溫濕度、氨濃度、靜壓差、空氣潔凈度、噪聲、照度動(dòng)物籠具處氣流速度等）指標(biāo)均有嚴(yán)格控制。主要有以下指標(biāo)：

1）溫濕度

熱濕環(huán)境對動(dòng)物自身熱平衡和生理反應(yīng)影響很大，動(dòng)物通過新陳代謝同周圍環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，溫度過高或過低導(dǎo)致雌性動(dòng)物性周期紊亂，濕度過高有利于病原微生物和寄生蟲的生長和繁殖，低濕環(huán)境下大鼠、小鼠的哺乳母鼠經(jīng)常發(fā)生拒哺或吃仔鼠的現(xiàn)象，仔鼠也常發(fā)育不良。所以實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物只有在舒適的環(huán)境中才能正常生長、發(fā)育、繁育和用于實(shí)驗(yàn)[2]。

《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施》GB14925-2010 中規(guī)定實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)間的環(huán)境指標(biāo)如下：

表1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)間的環(huán)境技術(shù)指標(biāo)

2）氨濃度

動(dòng)物糞尿等排泄物發(fā)酵分解產(chǎn)生的污染物種類很多，氨是這些污染物中濃度最高的一種，長期處于高濃度氨的作用下，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物呼吸道黏膜可出現(xiàn)慢性炎癥，使這些動(dòng)物失去作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的應(yīng)用價(jià)值。氨有惡臭對人和動(dòng)物有直接毒害。所有的動(dòng)物設(shè)施中室內(nèi)氨濃度應(yīng)低于14 mg/m3。

3）靜壓差

每個(gè)房間的功能往往不一樣要求各異、飼育動(dòng)物密度和品質(zhì)不一樣，為避免實(shí)驗(yàn)動(dòng)物交叉感染和相互干擾，就需要建立良好的壓差梯度保護(hù)屏障環(huán)境的潔凈，形成合理氣流組織，并能達(dá)到有效控制污染物的目的。屏障環(huán)境內(nèi)相通區(qū)域的最小靜壓差≥10 Pa。隔離環(huán)境內(nèi)隔離設(shè)備內(nèi)外靜壓差≥50 Pa。

4）空氣潔凈度

空氣中顆粒物對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人員的健康有直接影響。環(huán)境指標(biāo)恒定，動(dòng)物質(zhì)量才有保證。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一致性、可靠性和可重復(fù)性。潔凈度要求如上表1。

由于屏障環(huán)境的特殊性，加上我國實(shí)驗(yàn)動(dòng)物屏障設(shè)施建設(shè)起步晚、歷史短、經(jīng)驗(yàn)少，又處于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物蓬勃發(fā)展黃金時(shí)期，顯然在專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確化等方面有許多地方亟需我們不斷進(jìn)取。所以本文結(jié)合實(shí)際工程探討在潔凈動(dòng)物房工藝布局合理的前提下，采用相對獨(dú)立風(fēng)管布置、結(jié)合空調(diào)控制方法，SPF 級實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房獲得壓差控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)（使用安全、經(jīng)濟(jì)合理、維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定）。

1 工程實(shí)例——某實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房潔凈空調(diào)現(xiàn)狀及分析

某食品藥品檢驗(yàn)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房（改造中），地處杭州市，位于其實(shí)驗(yàn)樓的13 層，總建筑面積1500 m2，層高4.70 m，包括SPF 動(dòng)物級飼養(yǎng)室，檢疫間，實(shí)驗(yàn)室及輔助更衣，緩沖和準(zhǔn)備間等功能房間。系統(tǒng)是帶一次回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，單走道，飼養(yǎng)室凈化級別為7 級，正壓。實(shí)際使用中，業(yè)主反饋的問題是：房間與走廊之間的壓差不能保證最小靜壓差≥10 Pa。每個(gè)房間不能保證獨(dú)立使用和隔離消毒。臭味兒重，臭味兒會(huì)順著樓梯間擴(kuò)散到其他層。自控系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)失靈現(xiàn)象導(dǎo)致房間的環(huán)境技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求。

圖1 排風(fēng)管布置圖

圖2 送風(fēng)管布置圖

為了方便討論，本文截取組合凈化空調(diào)機(jī)組PAU13-2 負(fù)責(zé)的SPF 級實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房區(qū)域進(jìn)行討論，約120 m2的面積，送風(fēng)系統(tǒng)平面布置如圖2 排風(fēng)系統(tǒng)平面布置如圖1?？照{(diào)送風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻，風(fēng)量7000 m3/h 機(jī)外余壓700 Pa，室內(nèi)采用高效送風(fēng)口（自帶調(diào)節(jié)閥），送風(fēng)風(fēng)管布置呈枝狀，各個(gè)房間的送風(fēng)風(fēng)口有串聯(lián)現(xiàn)象。走廊送風(fēng)口與房間送風(fēng)口公用一根風(fēng)管設(shè)置的。排風(fēng)機(jī)設(shè)置在屋面上，排風(fēng)機(jī)變頻，另設(shè)置一根回風(fēng)管接回空調(diào)機(jī)組里，兩根風(fēng)管設(shè)置調(diào)節(jié)閥進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)分配。排風(fēng)風(fēng)管布置呈枝狀，各個(gè)房間的風(fēng)口有串聯(lián)現(xiàn)象。室內(nèi)采用鋁合金回風(fēng)口（自帶調(diào)節(jié)閥），走廊排風(fēng)與房間排風(fēng)的風(fēng)管是串聯(lián)在一根風(fēng)管上設(shè)置的。單獨(dú)一個(gè)房間多個(gè)送風(fēng)口支管和其余的風(fēng)管是串聯(lián)的關(guān)系，針對一個(gè)房間缺少其主送風(fēng)管，導(dǎo)致每個(gè)房間都不能獨(dú)立使用控制。相通房間壓差不穩(wěn)，很難保持壓力梯度，說明自控系統(tǒng)不靈光。動(dòng)物房臭味兒重的原因也在于壓差梯度失穩(wěn)和排風(fēng)系統(tǒng)的不當(dāng)設(shè)置。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)要點(diǎn)

常規(guī)空調(diào)多采用手動(dòng)控制，這樣很難實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)變化的跟蹤和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。即使調(diào)試可以達(dá)到在正壓潔凈環(huán)境下運(yùn)行，但是對過濾器堵塞造成阻力增加、門的開閉、送排風(fēng)機(jī)啟停、因滅菌操作關(guān)閉閥門等的干擾還是無法克服，容易出現(xiàn)波動(dòng)。與常規(guī)空調(diào)相比，由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的發(fā)展歷史不長，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房潔凈空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)踐中有很多問題沒有得到妥善處理和引起足夠重視。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用潔凈空調(diào)系統(tǒng)一般每個(gè)系統(tǒng)均需要負(fù)擔(dān)多個(gè)房間，由于分批飼養(yǎng)或者需求量不穩(wěn)定等因素，設(shè)計(jì)時(shí)以最大需求量設(shè)計(jì)總送風(fēng)量，在部分使用時(shí)就減少這一部分送風(fēng)，即實(shí)際是一個(gè)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。要求風(fēng)機(jī)變頻，各個(gè)房間的空調(diào)系統(tǒng)可相對獨(dú)立。要想變風(fēng)量系統(tǒng)投入使用后真正好用，前期空調(diào)設(shè)計(jì)本身必須打下良好的基礎(chǔ)，不能過分依賴后期自控裝置的調(diào)節(jié)。

針對該實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房運(yùn)行使用中出現(xiàn)的上述問題，對該潔凈空調(diào)系統(tǒng)做以下三方面改進(jìn)：

1）風(fēng)管布置

從風(fēng)管初布置時(shí)就創(chuàng)造各個(gè)房間能獨(dú)立控制的基礎(chǔ)，有條件的建筑物可以設(shè)置維修馬道，實(shí)現(xiàn)吊頂空間內(nèi)的無障礙維修及檢修、避免踩踏吊頂板確保實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境潔凈要求。所以每個(gè)房間有獨(dú)立于其他房間的主送風(fēng)管道很有必要，回風(fēng)管管道布置同理。這樣各房間送風(fēng)管是并聯(lián)關(guān)系回風(fēng)管也是并聯(lián)關(guān)系。若要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的自凈消毒、清掃、備用等狀態(tài)只需要關(guān)閉該房間送回風(fēng)主管上的閥門即可。

除了風(fēng)管布置，還有室內(nèi)氣流組織同樣重要。上送下回的氣流組織中，相較于四角回風(fēng)，兩側(cè)回風(fēng)更有利室內(nèi)污染物排放[3]。

2）風(fēng)系統(tǒng)末端閥門設(shè)置

每個(gè)房間的送風(fēng)主管上設(shè)置電動(dòng)密閉閥和雙位定風(fēng)量閥，排風(fēng)主管道上設(shè)置電動(dòng)密閉調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥滿足房間的壓差要求。在房間內(nèi)設(shè)有壓力傳感器，當(dāng)房間壓力與設(shè)定壓力相差較大時(shí)，精確調(diào)整房間排風(fēng)變風(fēng)量閥，達(dá)到要求的房間壓力。房間設(shè)有房間門位開關(guān)，在開門與關(guān)門的瞬間，壓力變化不作為控制的依據(jù)，排風(fēng)變風(fēng)量閥不動(dòng)作。長時(shí)間未關(guān)門，蜂鳴報(bào)警。

若室內(nèi)有IVC 籠具盒的飼養(yǎng)室，IVC 籠具空調(diào)系統(tǒng)宜采用獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)模式，為保證IVC 籠具盒壓力恒定，送排風(fēng)均為定風(fēng)量，在IVC 送排風(fēng)管上均設(shè)置定風(fēng)量閥和電動(dòng)密閉閥。IVC 系統(tǒng)設(shè)置的定風(fēng)量閥具有響應(yīng)時(shí)間快和風(fēng)量調(diào)節(jié)準(zhǔn)的特點(diǎn)，從而整個(gè)系統(tǒng)簡便高效。

經(jīng)實(shí)踐和對比，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房采用定風(fēng)量送風(fēng)、變風(fēng)量排風(fēng)這種模式較好。這里所說的送風(fēng)定風(fēng)量并非送風(fēng)量一直不變，當(dāng)不同工況時(shí)需要改變送風(fēng)量來滿足要求。房間送風(fēng)管道上裝雙位定風(fēng)量閥，以調(diào)節(jié)不同工作狀態(tài)下的換氣次數(shù)。當(dāng)該房間處于非工作狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)減少送風(fēng)量，此時(shí)房間壓差會(huì)發(fā)生變化，控制器根據(jù)房間壓差的變化保持恒定，以保證與相鄰房間的壓力梯度不至于紊亂。若房間處于自凈狀態(tài)無人也無動(dòng)物，關(guān)閉該房間主風(fēng)管上的密閉閥，送風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)管上風(fēng)速傳感器調(diào)節(jié)變頻器，改變總送風(fēng)量。改進(jìn)后的風(fēng)管布置如圖3、4。

圖3 改進(jìn)后送風(fēng)管布置圖

圖4 改進(jìn)后排風(fēng)管布置圖

3）選擇合適自控方式

空調(diào)自控的任務(wù)是對空調(diào)室內(nèi)的被控對象（空氣參數(shù)）溫度、濕度、潔凈度、壓差等參數(shù)自動(dòng)檢測、自動(dòng)調(diào)節(jié)及有關(guān)信號的報(bào)警、連鎖保護(hù)控制。目前仍有不少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房設(shè)計(jì)成定風(fēng)量，這樣很難實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)變化的跟蹤和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。不同性質(zhì)不同需求必然要求實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房是變風(fēng)量系統(tǒng)。在變風(fēng)量控制系統(tǒng)中，排除機(jī)組的控制環(huán)節(jié)后，風(fēng)系統(tǒng)中只有房間參數(shù)控制環(huán)節(jié)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)。為了避免交叉感染，該空調(diào)系統(tǒng)改造為全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房控制對象優(yōu)先級為：潔凈度、溫濕度、氨濃度。動(dòng)物房飼養(yǎng)主房間送排風(fēng)機(jī)都是變頻風(fēng)機(jī)。潔凈室壓差控制系統(tǒng)按照送風(fēng)（新風(fēng)）、排風(fēng)的不同控制分類。如何控制好該區(qū)域的送排風(fēng)風(fēng)量變化，區(qū)域壓差能夠穩(wěn)定控制在允許范圍內(nèi)是控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。動(dòng)物房排風(fēng)量及送風(fēng)量的變化采用余風(fēng)量控制方式，在房間設(shè)有壓差傳感器當(dāng)房間壓力與設(shè)定壓力相差較大時(shí)，調(diào)節(jié)排風(fēng)變風(fēng)量閥，從而穩(wěn)定形成一定的風(fēng)量差，保證正確的房間壓力。按工況，運(yùn)行的房間不同，送風(fēng)量不同，送風(fēng)機(jī)變頻控制。以達(dá)到節(jié)能的目的。排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)可靠連鎖。風(fēng)量調(diào)節(jié)邏輯框如圖5。

圖5 風(fēng)量調(diào)節(jié)邏輯框

如果設(shè)計(jì)方案是送排風(fēng)風(fēng)管末端均設(shè)置變風(fēng)量閥，送風(fēng)機(jī)變風(fēng)量排風(fēng)機(jī)同時(shí)也變風(fēng)量控制，理論上也能完成系統(tǒng)控制要求但有不盡人意的地方。一般多見的就是定靜壓控制或者變靜壓控制。定靜壓控制簡單但大多是經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，然而若是雙風(fēng)管系統(tǒng)無論是在系統(tǒng)調(diào)試的難度還是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性上都有待商榷。變靜壓控制需要條件：帶閥位開度傳感器并搭配傳感器驅(qū)動(dòng)、DDC 需要采集閥位信號，且目前算法不夠成熟，系統(tǒng)易振蕩調(diào)試?yán)щy。再加上送風(fēng)變風(fēng)量排風(fēng)量也變風(fēng)量，那么房間壓差和換氣次數(shù)控制更是難上加難。所以，實(shí)際中不推薦使用送風(fēng)量變排風(fēng)量也變的控制策略。

變風(fēng)量控制方法的主要問題是如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行。系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)連鎖，正壓房間開機(jī)時(shí)先送風(fēng)機(jī)-排風(fēng)機(jī)。關(guān)機(jī)順序?yàn)橄扰棚L(fēng)機(jī)-送風(fēng)機(jī)。設(shè)置備用風(fēng)機(jī)，將氣流開關(guān)信號作為運(yùn)行風(fēng)機(jī)的故障報(bào)警，并在機(jī)房及監(jiān)控室發(fā)出故障報(bào)警，提醒維修故障風(fēng)機(jī)。

房間控制原理如圖6。

圖6 房間控制原理圖

3 結(jié)論

要明確實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的環(huán)境要求，不同種類不同級別的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物要求是不同的，級別越高控制要求也越嚴(yán)格，并在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)逐一體現(xiàn)和達(dá)成。

前期空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮充分，并為后期的自控創(chuàng)造好條件。風(fēng)管布置要依據(jù)動(dòng)物房的環(huán)境及要求特性進(jìn)行設(shè)計(jì)布置，保證每個(gè)房間設(shè)置主送風(fēng)管和排風(fēng)管，這樣達(dá)到獨(dú)立使用的目的。

風(fēng)閥設(shè)置時(shí)不是僅僅依靠調(diào)節(jié)閥達(dá)到流量平衡的目的，而是要考慮實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的特性，合理使用定風(fēng)量閥門、變風(fēng)量閥和密閉閥。依據(jù)控制策略設(shè)置閥門，為后期自控奠定基礎(chǔ)。

合適的控制方法關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、安全性的。定送風(fēng)量保證足夠的換氣次數(shù)，變排風(fēng)量控制去保證壓差控制，送風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)均變頻，控制運(yùn)行簡便、調(diào)試容易、還經(jīng)濟(jì)節(jié)能。