某SPF級(jí)動(dòng)物房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施效果分析

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隨著醫(yī)學(xué)高速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房不斷興建，其空調(diào)要求與普通舒適性空調(diào)存在差異，不僅需要為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供相對(duì)穩(wěn)定的生存環(huán)境(溫濕度適宜、7級(jí)潔凈度)，也需為工作人員提供相對(duì)良好的工作環(huán)境(及時(shí)排除動(dòng)物排放惡臭)。因此，該空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)量、新風(fēng)量大，空調(diào)能耗大，且設(shè)備運(yùn)行必須可靠。本文主要對(duì)某無特定病原體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(SPF)級(jí)動(dòng)物房節(jié)能措施進(jìn)行分析。

1 SPF級(jí)動(dòng)物房建筑概況

該項(xiàng)目為上海某營(yíng)養(yǎng)與健康實(shí)驗(yàn)建筑大樓，共17層。其中，15～17層為SPF級(jí)動(dòng)物房，該3層建筑面積為3 779.8 m2，屏障區(qū)面積為2 002.9 m2，主要由SPF級(jí)飼養(yǎng)間、實(shí)驗(yàn)室、消毒后室、一二次更衣室、熏蒸室、通道組成。建筑層高均為5.4 m，屏障區(qū)凈高為2.4 m[1]，此區(qū)域無可開啟外窗，為封閉區(qū)域。動(dòng)物飼養(yǎng)間主要位于屏障區(qū)內(nèi)區(qū)，通道位于外區(qū)，屏障與非屏障區(qū)之間設(shè)置緩沖間。SPF級(jí)動(dòng)物房飼養(yǎng)間采用獨(dú)立通風(fēng)籠(IVC)形式，主要飼養(yǎng)小鼠。

2 動(dòng)物房空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)

2.1 動(dòng)物房室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)

2.2 空調(diào)冷熱負(fù)荷

動(dòng)物房空調(diào)能耗大，屏障區(qū)域空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為776.6 kW,單位面積的冷指標(biāo)為388.0 W/m2，空調(diào)計(jì)算熱負(fù)荷為671.7 kW，單位面積熱指標(biāo)為335.0 W/m2。根據(jù)IVC特點(diǎn)及GB 50447—2008《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 環(huán)境及設(shè)施》第5.2.2條，該項(xiàng)目未采用傳統(tǒng)直流式全新風(fēng)系統(tǒng)[1]，但新風(fēng)量不低于送風(fēng)量的50%[2]。冬夏季各項(xiàng)負(fù)荷情況如圖1所示。

表1 SPF級(jí)動(dòng)物房室內(nèi)參數(shù)(主要飼養(yǎng)動(dòng)物種類為小鼠、大鼠)[1]

圖1 動(dòng)物房各負(fù)荷曲線

由圖1可以看出，動(dòng)物房空調(diào)特點(diǎn)如下：1) 送/新風(fēng)量大，冷熱負(fù)荷高，且新風(fēng)負(fù)荷占90%以上；2) 夏季新風(fēng)濕負(fù)荷大，需冷卻除濕后再熱，造成冷熱抵消。所以動(dòng)物房空調(diào)送風(fēng)參數(shù)需穩(wěn)定，不允許有大波動(dòng)，房間環(huán)境需全年穩(wěn)定，凈化、空調(diào)設(shè)備需可靠。

3 動(dòng)物房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施

根據(jù)2.2節(jié)的總結(jié)分析，以保證動(dòng)物房環(huán)境為原則，設(shè)計(jì)中采用2種熱管熱回收形式：顯熱回收熱管、U形除濕熱管。既避免了新/排風(fēng)熱回收時(shí)的交叉污染，又能減少新風(fēng)負(fù)荷，減少冷熱抵消，同時(shí)熱管使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，維護(hù)方便[3]。

3.1 僅用顯熱回收熱管

該項(xiàng)目3層動(dòng)物房均采用了4排管熱管顯熱回收裝置，統(tǒng)計(jì)了動(dòng)物房空調(diào)全年8 760 h的能耗，以計(jì)算全年減少的能耗及運(yùn)行費(fèi)用，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。圖2為上海地區(qū)某SPF級(jí)動(dòng)物房(第16層)經(jīng)熱管顯熱回收后全年減少能耗及運(yùn)行費(fèi)用。表2統(tǒng)計(jì)了該動(dòng)物房(共3層)全年可減少能耗及運(yùn)行費(fèi)用，表3給出了不同冷熱源COP下減少的能耗及不同年利率i下的回收期。

圖2 某SPF級(jí)動(dòng)物房(第16層)經(jīng)熱管顯熱回收后 減少的能耗、運(yùn)行費(fèi)用[4]

表2 采用熱管顯熱回收后動(dòng)物房(共3層)全年減少 的能耗及運(yùn)行費(fèi)用

表3 采用顯熱回收熱管不同冷熱源COP下減少的 能耗及不同年利率下的回收期

由表3可知，回收年限主要取決于冷熱源效率，年利率對(duì)其影響不大，基本可忽略。該項(xiàng)目采用空氣源熱泵，熱泵COP在2.8～3.5范圍內(nèi)[5]，年利率為3.0%～4.5%時(shí)，回收年限可控制在4.5 a內(nèi)；COP=4時(shí)，回收年限為6 a，長(zhǎng)于常規(guī)的合理回收年限5 a。

3.2 增加U形除濕熱管

為減少除濕再熱后的冷熱抵消，該項(xiàng)目采用了U形除濕熱管。冷熱抵消主要出現(xiàn)在夏季，通過室內(nèi)冷負(fù)荷、送風(fēng)量、室內(nèi)環(huán)境溫濕度范圍，計(jì)算得出送風(fēng)參數(shù)。

送風(fēng)比焓差：

(1)

式中 Δh為送風(fēng)比焓差，kJ/kg；Qn為室內(nèi)冷負(fù)荷，kW；Ls為送風(fēng)量,m3/h。

送風(fēng)比焓值：

hs=hn-Δh

(2)

式中hs為送風(fēng)比焓，kJ/kg；hn為室內(nèi)空氣比焓，取43.3 kJ/kg。

查焓濕圖可得15～17層的送風(fēng)溫度ts分別為21.1、21.1、20.7 ℃。

通過焓濕圖可知，含濕量為8.22 g/kg、相對(duì)濕度為95%的狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的干球溫度為11.8 ℃，濕球溫度為11.5 ℃，再熱時(shí)需從11.8 ℃加熱至21.0 ℃，溫差為9.2 ℃。

U形除濕熱管工作原理為：夏季通過將蒸發(fā)器前后能量轉(zhuǎn)移，以達(dá)到二次預(yù)冷和冷卻后一次再熱的效果。表4為采用U形除濕熱管處理過程各階段參數(shù)。

表4 采用U形除濕熱管處理過程各階段參數(shù) (送風(fēng)量39 000 m3/h)

通過對(duì)上海全年干濕球溫度及動(dòng)物房控制環(huán)境濕度的分析，動(dòng)物房?jī)?nèi)含濕量需控制為8.28 g/kg。在焓濕圖上，含濕量8.28 g/kg、相對(duì)濕度90%對(duì)應(yīng)的干球溫度為11.9 ℃、濕球溫度為11.2 ℃，說明當(dāng)溫度降低至12 ℃以下，基本不需要除濕。列舉了干球溫度在12～35 ℃間，含濕量8.28 g/kg時(shí)的臨界濕球溫度，并進(jìn)行擬合分析(見圖3)。通過臨界濕球溫度曲線擬合得出對(duì)應(yīng)臨界濕球溫度計(jì)算式(3)。

圖3 臨界濕球溫度曲線

(3)

式中ts,l為無需除濕的臨界濕球溫度，℃；tg為室外干球溫度，℃。

通過計(jì)算，當(dāng)實(shí)際濕球溫度>臨界濕球溫度時(shí)，需要冷卻除濕，U形除濕熱管進(jìn)行熱量回收。結(jié)合以上公式與上海全年室外干濕球溫度進(jìn)行分析，得出上海地區(qū)全年需除濕日分布，見圖4。

注：0為不需要除濕，1為需要除濕。圖4 上海地區(qū)全年需除濕日分布

如圖4所示，上海地區(qū)除濕日主要集中于4月下旬(20日)至10月中下旬(20日)，而3月下旬至4月下旬及11月上旬也存在需除濕的可能性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海全年需除濕小時(shí)數(shù)為4 647 h，即U形除濕熱管的全年使用小時(shí)數(shù)為4 647 h，占全年的53%。表5給出了增加U形除濕熱管后該3層動(dòng)物房的全年逐時(shí)能耗及減少的運(yùn)行費(fèi)用，表6給出了不同冷熱源COP下增加U形除濕熱管后減少的總運(yùn)行費(fèi)用及不同年利率下的回收期。

表5 增加U形除濕熱管3層動(dòng)物房全年減少的能耗及運(yùn)行費(fèi)用

①COP取2.8進(jìn)行計(jì)算；

② 運(yùn)行費(fèi)用按商業(yè)兩部制分時(shí)(平峰谷)10 kV電價(jià)計(jì)算。

表6 增加U形除濕熱管后不同冷熱源COP下減少的 總運(yùn)行費(fèi)用及不同年利率下的回收期

結(jié)合空氣源熱泵可能出現(xiàn)的運(yùn)行環(huán)境工況，COP取2.8～4.0[5]，年利率取3.0%～4.5%時(shí)，采用熱管顯熱回收+U形除濕熱管回收的回收期僅為1 a。

4 結(jié)語(yǔ)

通過分析該SPF級(jí)動(dòng)物房冷熱負(fù)荷特點(diǎn)，總結(jié)出其空調(diào)系統(tǒng)能耗大的兩大主要因素，針對(duì)性地采用熱管顯熱回收+U形除濕熱管熱回收的節(jié)能技術(shù)。通過對(duì)2項(xiàng)熱回收進(jìn)行全年能耗與經(jīng)濟(jì)性分析，得出當(dāng)2項(xiàng)節(jié)能技術(shù)同時(shí)應(yīng)用時(shí)，投資回收期為1 a，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。