實驗動物中心項目冷熱源選擇及空調(diào)選型實證研究

河南大學(xué)基建處 姬東風(fēng)

某某大學(xué)實驗動物中心項目是集動物飼養(yǎng)、科研、實驗及教學(xué)于一體的建筑物，為了保證動物的成活率及科研的順利進(jìn)行，此建筑物室內(nèi)的溫濕度需要常年保持恒定，即此項目屬于高耗能的建筑物。由于此項目的特殊性，對于此建筑物的空調(diào)系統(tǒng)選型尤其重要。

一、國內(nèi)動物房常用的空調(diào)形式

據(jù)了解，目前實驗動物房所用的空調(diào)形式有五種：

1.風(fēng)冷熱泵形式。此種形式的空調(diào)機(jī)組一般適用于建筑面積較小的動物實驗中心，能解決四季冷熱源問題，機(jī)組設(shè)置于建筑物的屋面，不占用室內(nèi)空間。但此種空調(diào)機(jī)組能效比較低（COP為3.0），但耗電量最高（會給學(xué)校的用電負(fù)荷造成很大的負(fù)擔(dān)），后期運行費用較高。

2.直燃機(jī)形式，能解決四季冷熱源問題，需要占用室內(nèi)空間或者室外場地，此種空調(diào)機(jī)組能效比最低（COP為1.4），且耗天然氣量較高，后期運行費用最高。

3.水冷螺桿機(jī)組+熱交換器（市政熱源）。此種空調(diào)機(jī)組和市政熱源組合形式適用于大型建筑物，夏天采用水冷螺桿機(jī)組供冷，水冷螺桿機(jī)組的能效比較高（COP為5.0），耗電量低，冬季采用市政熱源提供的熱量供暖，過渡季節(jié)采用空調(diào)機(jī)組的余熱或者蒸汽發(fā)生器提供的能量達(dá)到室內(nèi)的溫濕度要求。此種空調(diào)形式的組合需要占用一定的室內(nèi)空間，一般機(jī)組設(shè)置于地下室，冷卻塔設(shè)置于屋面。后期運行費用相對較低。

4.水源熱泵形式，能解決四季冷熱源問題。此種形式的空調(diào)機(jī)組需要占用一定的室內(nèi)空間，一般機(jī)組設(shè)置于地下室，水源熱泵的能效比最高（COP為6.0），利用地下水的恒溫經(jīng)熱交換給建筑物提供冷熱源，后期運行費用理論上最低。

5.溶液空調(diào)。該空調(diào)形式是利用不同濃度的鹽溶液吸收或者釋放水蒸氣的方式對空氣進(jìn)行除濕或者加濕處理。理論上該空調(diào)具有高強的控濕能力、高效的殺菌效果、顯著的節(jié)能減排效益和超強的凈化能力。但該空調(diào)形式在動物房設(shè)計中使用的并不多。

二、項目概況

（一）建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)一個綜合性、多功能、現(xiàn)代化的醫(yī)藥動物實驗中心，以滿足學(xué)校各教學(xué)、科研單位需要，并推動學(xué)校生物醫(yī)學(xué)學(xué)科群的快速發(fā)展，為學(xué)校的“雙一流”建設(shè)提供保障。

（二）建設(shè)內(nèi)容

該項目占地面積約2.01畝，地上四層，地下一層，總建筑面積約6634m2，其中地上建筑面積約5676m2，地下建筑面積約958m2，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

地上一層分為兩個功能區(qū)，功能分區(qū)一為辦公室、會議室、監(jiān)控室等用房，布置一層平面右側(cè)的南北向四跨。功能分區(qū)二為功能試驗室、籠具籠盒存放室、儲藏室等動物實驗輔助用房，布置在平面左側(cè)南北向四跨；兩個功能分區(qū)分別在一層設(shè)置兩個直通室外的安全出口連通室外，且分別設(shè)置樓梯、電梯各一部連接地上各層。

地上二層為大動物飼養(yǎng)實驗室，主要功能用途為“犬、小豬、猴動物實驗室”“家兔、豚鼠動物實驗室”，平面功能采用潔、污分流的布局方式，潔凈流線從右側(cè)樓、電梯間進(jìn)入中間兩排獨立的清潔走廊；污物流線從左側(cè)樓、電梯間進(jìn)入南、北兩側(cè)東、西向的污物走廊。

地上三、四層功能為屏障環(huán)境小動物實驗室。

地下一層為電力、熱力、泵房等設(shè)備用房。

三、方案比選

由于動物實驗中心要求全年不間斷開啟空調(diào)，空調(diào)冷熱源選擇成為首要問題。因此在空調(diào)系統(tǒng)選型上要求控制靈活、運行節(jié)能、管理方便的空調(diào)系統(tǒng)。我們就四種冷熱源方案進(jìn)行對比。

（一）空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)計參數(shù)

1.氣象參數(shù)

開封屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量適中。年平均氣溫14℃，年均降雨量670mm，林木覆蓋率高于全國平均水平。下圖為河南開封地區(qū)全年逐時干濕球溫度曲線和相對濕度曲線，夏季空調(diào)設(shè)計溫度為35.2℃，相對濕度64%，冬季空調(diào)設(shè)計溫度-5.5℃，采暖設(shè)計溫度-3.2℃。

2.室內(nèi)外設(shè)計計算參數(shù)

見表1、表2

表1 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表2 空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)

（二）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1.項目主要冷熱負(fù)荷：

見表3

表3 本建筑主要冷熱負(fù)荷

2.運行時間，根據(jù)全年的制冷供暖期計算：

見表4

表4 建筑制冷供暖時間

3.運行費用計算公式

計算公式按照：

運行費用=系統(tǒng)總功率×運行天數(shù)×每天運行時間×電費

系統(tǒng)總功率=主機(jī)總功率+水泵總功率+其他功率

（三）項目能耗方案對比

1.以風(fēng)冷熱泵機(jī)組-水冷機(jī)組-地下水源熱泵為例。（見表5-7）

表5 夏季風(fēng)冷熱泵機(jī)組與水冷機(jī)組消耗對比

表6 冬季風(fēng)冷熱泵機(jī)組和市政供暖消耗費用對比

表7 電熱蒸汽發(fā)生器和燃?xì)庹羝l(fā)生器年消耗費用對比

（四）結(jié)果分析：

1.冷熱源：

（1）電驅(qū)動地下水源熱泵最為經(jīng)濟(jì)，穩(wěn)定，但其手續(xù)是關(guān)鍵，需提前進(jìn)行政策咨詢。

（2）電驅(qū)動水冷機(jī)組運行費用與電驅(qū)動地下水源熱泵相當(dāng)，這兩種方式都需要機(jī)房面積較大，建議在地下室。

（3）電驅(qū)動風(fēng)冷熱泵機(jī)組效率較低，運行費用高，小型動物設(shè)施常用，大型動物設(shè)施應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性價差，不需要室內(nèi)大面積機(jī)房，但需室外較大面積擺放設(shè)備。

（4）三種冷機(jī)形式的設(shè)備費用基本相當(dāng)，風(fēng)冷的稍貴，水冷稍便宜。（風(fēng)冷機(jī)組大約700元/kw，水冷機(jī)組大約500元/kw，水冷機(jī)組還需單獨配置水冷系統(tǒng)，或者地下水源系統(tǒng)，綜合算起來，設(shè)備費用差不太多）

2.蒸汽源：

（1）蒸汽的使用主要在消殺和加濕。

（2）在有天然氣的情況下建議設(shè)置天然氣蒸汽發(fā)生器（可以提前咨詢當(dāng)時安監(jiān)部門政策，盡量避免稱之為鍋爐），節(jié)省電能和運行費用。

（五）推薦組合方式：

1.方案一：地下水源熱泵機(jī)組+天然氣蒸汽發(fā)生器

全年的冷熱源均由地下水源熱泵機(jī)組提供，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽，最節(jié)能，最穩(wěn)定。

2.方案二：電驅(qū)動水冷機(jī)組+市政熱源+天然氣蒸汽發(fā)生器

冷源采用電驅(qū)動水冷機(jī)組，熱源采用市政熱源，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽源，運行經(jīng)濟(jì)性上夏季與方案一相當(dāng)，冬季雖比不上方案一的節(jié)能程度，但充分利用市政熱源是常規(guī)方案選擇時的最佳選擇。

3.方案三：電驅(qū)動風(fēng)冷熱泵機(jī)組+天然氣蒸汽發(fā)生器

電驅(qū)動風(fēng)冷熱泵機(jī)組可提供全年冷熱源，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽，此方案的便利程度和方案一基本相當(dāng)，但是其運行能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案一和方案二，在較大冷熱負(fù)荷，需全年24小時運行的動物設(shè)施，運行費用很高。

基本上確定方案一、方案二為備選方案。

四、實地考察

為確保動物實驗中心投入使用后空調(diào)機(jī)組能高效、穩(wěn)定地運行及最大保證節(jié)約能源，項目考察組赴北京進(jìn)行實地考察。考察情況見表8。

表8 北京考察情況匯總表

北京考察結(jié)束后，小組成員對考察情況進(jìn)行了討論，并結(jié)合設(shè)計院設(shè)計人員的空調(diào)形式選型對比及建議?？疾旖M意見如下：1.風(fēng)冷式空調(diào)適用于面積較小的實驗動物用房，且耗電量太高，而我校擬建設(shè)的動物實驗中心面積較大，因此并不適用；2.直燃機(jī)空調(diào)運行費用太高，也可以排除；3.水冷螺桿機(jī)組+熱交換器（市政熱源）。此種空調(diào)形式，由于技術(shù)非常成熟且能源供應(yīng)相對較為穩(wěn)定，后期運行費用又較低，因此，是一種較為合適的空調(diào)形式；4.水源熱泵空調(diào)。該空調(diào)形式由于需要采用地下水源，受政策、地質(zhì)環(huán)境等影響較大，實驗動物用房鮮有使用，因此需要進(jìn)一步論證。后咨詢當(dāng)?shù)厮?，又因受場地面積小，地?zé)崴蚓當(dāng)?shù)目受限，項目不適合采用水源熱泵型式；5.溶液空調(diào)。據(jù)了解該空調(diào)形式因為采用氯化鈣溶液作為熱交換媒介，而動物實驗用房會產(chǎn)生大量氨氣，時間長會造成溶液結(jié)塊失效。因此，初步判斷我校動物實驗中心的空調(diào)形式為：水冷螺桿機(jī)組+市政熱源形式，配合燃?xì)庹舭l(fā)器進(jìn)行春秋過渡季節(jié)的溫濕度補充。

五、結(jié)論

綜上所述，通過對以上空調(diào)形式的調(diào)研和考察論證，對前期投資、后期運營和維護(hù)、空調(diào)的穩(wěn)定性以及基建管理等方面通盤考慮，我校建議選用前期投資和后期運營適中、維護(hù)方便、空調(diào)運行穩(wěn)定的“水冷螺桿機(jī)組+熱交換器（市政熱源）+燃?xì)庹舭l(fā)器”的冷熱源及空調(diào)形式。