夏熱冬冷地區(qū)某大型動物實驗室空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

王亞林 毛希凱 余俊祥 楊 毅,2△ 丁 德

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學(xué)平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

該項目位于浙江省溫州市,為大型生物科技類實驗室的配套動物實驗中心。項目總建筑面積約為32 000 m2。其中,地上建筑面積25 000 m2,分為小動物飼養(yǎng)及實驗樓、大動物飼養(yǎng)及實驗樓、輔助樓。動物飼養(yǎng)及實驗樓均為6層,地上部分主要功能為動物飼養(yǎng)及實驗、辦公與培訓(xùn)、后勤區(qū)等。小動物實驗樓每層2個實驗區(qū)域相互獨立,中部交界處設(shè)置辦公區(qū)域與實驗輔助區(qū)域。地下建筑面積7 000 m2,主要功能為集中清洗及配套庫房、影像區(qū)、設(shè)備用房、機(jī)動車庫等。作為公共研究平臺,整體以模塊化的設(shè)計理念,保證實驗空間的可變性,可滿足分期建設(shè)和局部使用(非使用空間可以關(guān)閉)要求;同時集中布置了通用性實驗室和影像設(shè)備及公共服務(wù)設(shè)施,提高使用效率,降低運(yùn)維成本。實驗室總體平面圖見圖1。

圖1 某大型動物實驗室總體平面圖

1 動物實驗室空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

該大型動物實驗室的定位為具備國際國內(nèi)認(rèn)證的含有豬、犬、猴、兔、豚鼠、大小鼠、水生動物等種類動物實驗條件,集科研、生產(chǎn)、教學(xué)及成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化應(yīng)用的綜合性學(xué)術(shù)創(chuàng)新平臺。項目規(guī)模較大,實驗動物的種類繁多,各種功能實驗室較為齊備,因此對空調(diào)系統(tǒng)的安全、高效、低碳運(yùn)行都提出了較高的要求。

實驗動物大多屬于恒溫動物,當(dāng)環(huán)境溫度過高或過低時,都可能導(dǎo)致機(jī)體生理、生化功能發(fā)生改變,從而影響實驗結(jié)果的正確性?？諝鉂穸鹊母叩团c動物的體溫調(diào)節(jié)有著非常密切的關(guān)系,高濕度條件下可明顯增加過敏性休克的大小鼠的死亡率;低濕度條件下,仔鼠常出現(xiàn)發(fā)育不良等情況[1]。在滿足GB 14925—2010《實驗動物 環(huán)境及設(shè)施》和GB 19489—2010《實驗室 生物安全通用要求》要求情況下,主要室內(nèi)環(huán)境參數(shù)如表1所示[2-3]。

表1 動物飼養(yǎng)及實驗室區(qū)域空調(diào)室內(nèi)參數(shù)

1.1 空調(diào)負(fù)荷分析

該動物實驗室所在地溫州為夏熱冬冷地區(qū),屬于浙江省氣候分區(qū)的南區(qū),制冷期較長,供熱期較短。

動物實驗室內(nèi)飼養(yǎng)的動物密度較大,面積約20 m2的飼養(yǎng)間可飼養(yǎng)小鼠1 600只或大鼠300只。動物產(chǎn)生的氨氣、硫化氫等氣體需要從室內(nèi)排出并需給室內(nèi)補(bǔ)充大量新風(fēng),維持室內(nèi)污染物濃度在安全范圍內(nèi)。動物實驗室及輔助用房采用全新風(fēng)直流凈化空調(diào)系統(tǒng),制冷工況下室外新風(fēng)經(jīng)過粗效和中效雙級過濾后進(jìn)入表冷段降溫除濕,后經(jīng)再熱段升溫;制熱工況下室外新風(fēng)經(jīng)兩級過濾、加熱段升溫后,通過干蒸汽加濕段控制送風(fēng)濕度。處理后的新風(fēng)經(jīng)過定風(fēng)量閥、電動密閉閥和高效送風(fēng)口后送入室內(nèi)。所有主實驗室及飼養(yǎng)間送風(fēng)支管安裝可調(diào)定風(fēng)量文丘里閥,僅用于系統(tǒng)運(yùn)行時根據(jù)實驗需求及實驗室環(huán)境調(diào)整換氣次數(shù)。實驗室內(nèi)各個房間排風(fēng)支管安裝變風(fēng)量文丘里閥,以利于調(diào)節(jié)和控制風(fēng)量。

該項目典型的小鼠實驗室空調(diào)處理過程焓濕圖及各狀態(tài)點參數(shù)見表2。

表2 小鼠實驗室空氣處理過程狀態(tài)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)熱濕負(fù)荷,分別計算出小動物實驗樓SPF(無特定病原體)大小鼠實驗室和大動物實驗樓豚鼠、兔實驗室的空調(diào)負(fù)荷,見表3。其中,小動物實驗室面積為800 m2,凈高為2.6 m,換氣次數(shù)為18 h-1;大動物實驗室面積為800 m2,凈高為2.6 m,換氣次數(shù)為12 h-1,空調(diào)箱風(fēng)機(jī)修正系數(shù)為1.1。由典型實驗室的送風(fēng)處理過程和空調(diào)負(fù)荷計算結(jié)果可知,動物實驗室采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),新風(fēng)的冷熱負(fù)荷及濕負(fù)荷較大。由于室內(nèi)熱濕負(fù)荷較小,送風(fēng)溫差較小,因此空調(diào)制冷階段需要一定的再熱負(fù)荷[4-6]。

表3 典型大動物及小動物實驗室空調(diào)負(fù)荷計算

動物實驗室排風(fēng)量較大,且排風(fēng)狀態(tài)即為室內(nèi)狀態(tài),與室外新風(fēng)存在較大的溫差和比焓差,充分回收排風(fēng)中的熱量用于新風(fēng)預(yù)冷或預(yù)熱是實驗動物用房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要措施。

由于動物房排風(fēng)中含有氨氣、硫化氫等臭味氣體,在對排風(fēng)進(jìn)行熱回收時,必須避免交叉污染。末端空調(diào)凈化機(jī)組采用帶制冷劑泵的分離式熱管熱回收系統(tǒng),根據(jù)冬夏溫度自動切換調(diào)整熱量傳遞方向,利用熱傳導(dǎo)及相變傳熱,通過熱管中傳熱介質(zhì)間接完成換熱。采用自帶制冷劑泵的熱管熱回收系統(tǒng),增加了系統(tǒng)的耗電量,制冷劑泵的電功率約占熱回收系統(tǒng)所增加風(fēng)阻功率的20%。但是制冷劑泵的引入可實現(xiàn)送、排風(fēng)的非接觸換熱,杜絕新排風(fēng)交叉污染;強(qiáng)化了換熱并提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,熱回收效率可達(dá)70%[7-9]。

溫州極端最低氣溫為-3.9 ℃,設(shè)置熱回收段之后,不需要考慮新風(fēng)預(yù)熱[10-11]。動物實驗室的空調(diào)凈化機(jī)組組合段如圖2所示。

圖2 采用熱管熱回收系統(tǒng)的動物實驗室空調(diào)箱組合段

該項目的動物飼養(yǎng)及實驗區(qū)面積較大,小動物飼養(yǎng)及實驗區(qū)約為8 000 m2,大動物飼養(yǎng)及實驗區(qū)約為4 000 m2。計算得總冷負(fù)荷約為7 881 kW,總熱負(fù)荷約為5 961 kW。通過末端空調(diào)凈化機(jī)組的熱回收系統(tǒng)設(shè)計,減小了空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷,優(yōu)化后的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)容量如表4所示。

由表4可以看出,通過采用熱管熱回收系統(tǒng),可減少夏季空調(diào)冷源容量約10%,冬季空調(diào)系統(tǒng)熱源容量可減少約36.7%。因為冬季新風(fēng)溫度與排風(fēng)溫度相差較大,顯熱量回收相對較大,可顯著減少空調(diào)制熱系統(tǒng)的設(shè)計容量。

考慮到室內(nèi)外溫差較小的過渡工況熱回收量較小,室外氣象參數(shù)處于供冷供熱熱回收平衡點時采用旁通措施,新風(fēng)排風(fēng)不經(jīng)過熱回收盤管直接排至表冷段,排風(fēng)直接排至屋面處理機(jī)組。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)論述了熱管熱回收系統(tǒng)的供冷供熱熱回收平衡點的計算過程。

1.2 空調(diào)冷熱源設(shè)計

動物房空調(diào)送風(fēng)參數(shù)需穩(wěn)定,不允許有大的波動,房間環(huán)境需全年穩(wěn)定,凈化、空調(diào)設(shè)備需可靠運(yùn)行,因此對空調(diào)冷熱源設(shè)計提出了較高要求。一般大型動物實驗室冷熱源采用冷水機(jī)組和燃?xì)鉄崴畽C(jī)組,運(yùn)行能耗較高。為提升整個項目的運(yùn)行能效,該項目采用四管制空氣源熱泵,夏季其制熱量用作再熱熱源,制冷量用于新風(fēng)降溫除濕;冬季及過渡季采用空氣源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)熱源?？照{(diào)冷熱源系統(tǒng)的流程如圖3所示。

為減少設(shè)備噪聲及振動的影響,在該項目輔樓設(shè)置單獨的能源中心,制冷機(jī)房位于輔樓地下室,冷卻塔及空氣源熱泵機(jī)組設(shè)置于輔樓屋面,空調(diào)冷水最遠(yuǎn)輸送距離約450 m。為了減小空調(diào)冷水輸送能耗,夏季空調(diào)冷水供/回水溫度設(shè)為6 ℃/12 ℃。空調(diào)冷源擬采用3臺單臺制冷量為2 110 kW的磁懸浮離心式冷水機(jī)組,部分負(fù)荷下能效和綜合能效較高,并具備較好的調(diào)節(jié)性能。另外,磁懸浮多機(jī)頭機(jī)組可實現(xiàn)當(dāng)單個機(jī)頭故障停機(jī)或檢測維修時整體不停機(jī)維護(hù),更適合動物實驗室等對機(jī)組穩(wěn)定性有特殊需求的場所,同時多機(jī)頭機(jī)組可保持各機(jī)頭均衡的負(fù)荷值,確保機(jī)組在高效點節(jié)能運(yùn)行。

動物實驗室的再熱熱源采用2臺四管制空氣源熱泵,夏季制冷時熱泵的供/回水溫度為6 ℃/12 ℃,再熱水供/回水溫度為45 ℃/40 ℃,為末端空調(diào)凈化機(jī)組提供再熱熱源。設(shè)計工況下單臺機(jī)組夏季制熱量為490 kW,制冷量為380 kW。動物實驗室的冬季工況采用3臺空氣源熱泵代替燃?xì)鉄崴畽C(jī)組,熱泵供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。

該項目采用燃?xì)庹羝l(fā)生器為動物實驗室空調(diào)加濕及設(shè)備消毒提供蒸汽,蒸汽發(fā)生器放置于實驗樓屋面?？照{(diào)用蒸汽經(jīng)過減壓后送入空調(diào)機(jī)組進(jìn)行加濕,工藝用蒸汽接入分汽缸后直接接入末端消毒設(shè)備,產(chǎn)生的凝結(jié)水用作集中熱水系統(tǒng)的輔助熱源。該項目空氣源熱泵在夏季除用作再熱熱源外,還可用來預(yù)熱蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水,通過補(bǔ)水水箱內(nèi)設(shè)置的換熱器,將蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水溫度提升至43 ℃左右,以減少系統(tǒng)的燃?xì)庥昧?提升系統(tǒng)的整體能效水平。

四管制空氣源熱泵通過翅片式換熱器同時控制冷水及熱水出水溫度,調(diào)節(jié)性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。在系統(tǒng)制冷階段,開啟四管制空氣源熱泵,根據(jù)系統(tǒng)再熱需求調(diào)節(jié)四管制熱泵的制冷量和供熱量,同時根據(jù)空調(diào)冷水回水溫度調(diào)節(jié)磁懸浮冷水機(jī)組的運(yùn)行臺數(shù)和供冷量,滿足系統(tǒng)制冷量需求。在系統(tǒng)制熱階段,先開啟空氣源熱泵,按制熱模式運(yùn)行,并根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)熱水回水溫度調(diào)節(jié)空氣源熱泵機(jī)組制熱量,制熱量不足時再啟動四管制空氣源熱泵機(jī)組單制熱模式運(yùn)行,當(dāng)空調(diào)熱負(fù)荷減小時,減小四管制空氣源熱泵機(jī)組的供熱量和運(yùn)行臺數(shù)。

2 設(shè)計工況分析

為了降低空調(diào)系統(tǒng)能耗,該項目采取了新排風(fēng)熱管熱回收和四管制空氣源熱泵熱回收的組合方式。熱管熱回收及熱泵熱回收裝置均減少了空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量和運(yùn)行能耗,包括冷熱源能耗、輸送能耗等。增加熱管熱回收裝置增大了換熱阻力和風(fēng)機(jī)電耗,四管制空氣源熱泵系統(tǒng)增加了熱泵主機(jī)能耗和輸送能耗,因此需對前述的動物實驗室空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行合理判斷。其中,因能量回收而減少的能耗,根據(jù)實際使用的加熱或冷卻形式,折合成相應(yīng)的電耗或者一次能源的消耗量;增加的泵和風(fēng)機(jī)能耗為電耗。最終折算出能源的總消耗量,并與采用水冷冷水機(jī)組制冷及燃?xì)鉄崴畽C(jī)組加熱的冷熱源方案進(jìn)行對比。

動物實驗室空調(diào)冷熱源系統(tǒng)方案對比的過程中,暫不考慮空氣源熱泵系統(tǒng)預(yù)熱蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水所節(jié)約的能耗,因此僅對系統(tǒng)總的一次能源消耗量(夏季制冷及再熱能耗、冬季加熱能耗)進(jìn)行分析。夏季設(shè)計計算工況和冬季設(shè)計計算工況的室外氣象參數(shù)采用GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中的溫州市室外氣象參數(shù)[10]。該動物實驗室空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計計算工況下每小時的綜合能耗采用式(1)計算[11]。

(1)

式中E為系統(tǒng)綜合能耗;n為消耗的能源種類數(shù);Ei為實際消耗的第i種能源量(含耗能工質(zhì)消耗的能源量);ki為第i種能源的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)。

該項目一次能源主要采用電力及燃?xì)?其中電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.122 9 kg/(kW·h),燃?xì)庹蹣?biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為1.214 3 kg/m3[12]。

2.1 夏季設(shè)計計算工況能耗分析

夏季采用2臺四管制空氣源熱泵機(jī)組為末端凈化機(jī)組提供再熱量980 kW,供/回水溫度為45 ℃/40 ℃,同時提供制冷及除濕冷量約762 kW,其余空調(diào)冷負(fù)荷由3臺磁懸浮離心式冷水機(jī)組承擔(dān),冷水供/回水溫度均為6 ℃/12 ℃。據(jù)此,計算出該項目夏季空調(diào)工況下每小時的能耗,并與傳統(tǒng)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行對比,結(jié)果見表5。

表5 夏季空調(diào)工況下冷熱源系統(tǒng)每小時能耗對比

由表5可知,采用四管制熱回收系統(tǒng),不僅可減少末端機(jī)組再熱的能耗,還可以提供部分空調(diào)制冷量,減小空調(diào)制冷系統(tǒng)容量及減少能耗。綜合分析,夏季設(shè)計計算工況下,可減少標(biāo)準(zhǔn)煤耗量約36.7%。

2.2 冬季設(shè)計計算工況能耗分析

冬季采用空氣源熱泵機(jī)組制熱。2臺熱回收熱泵在冬季空調(diào)室外氣象參數(shù)條件下的制熱量為820 kW,不足部分由另外3臺空氣源熱泵機(jī)組提供,熱泵供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。計算得到該項目冬季設(shè)計計算工況下每小時的能耗,并與采用燃?xì)鉄崴畽C(jī)組供熱的熱源系統(tǒng)進(jìn)行對比,結(jié)果見表6。

表6 冬季空調(diào)工況下冷熱源系統(tǒng)每小時能耗對比

由表6可知,采用空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱供回水溫差為燃?xì)鉄崴到y(tǒng)的一半,輸送能耗約為燃?xì)鉄崴到y(tǒng)的2倍。綜合分析,冬季設(shè)計計算工況下,采用空氣源熱泵相對于燃?xì)鉄崴到y(tǒng)可減少標(biāo)準(zhǔn)煤耗量約67.9%,具備顯著的節(jié)能效果。

3 結(jié)論

1) 采用熱管熱回收系統(tǒng),利用熱傳導(dǎo)及相變傳熱間接完成換熱,熱回收效率較高,并且可以避免新排風(fēng)交叉污染,可顯著減少空調(diào)冷熱源的設(shè)計容量和運(yùn)行能耗,特別是在冬季空調(diào)設(shè)計工況下,系統(tǒng)熱源容量減少約36.7%。

2) 采用四管制空氣源熱泵熱回收系統(tǒng)同時制冷制熱,在夏季設(shè)計工況下,相對于采用燃?xì)鉄崴畽C(jī)組再熱,可減少一次能源耗量約36.7%。

3) 結(jié)合項目所在地的氣候條件,采用空氣源熱泵系統(tǒng)代替燃?xì)鉄崴畽C(jī)組,在冬季設(shè)計工況下,可大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗,減少一次能源耗量約67.9%。

4) 空氣源熱泵系統(tǒng)在系統(tǒng)熱負(fù)荷較小時,可用于蒸汽發(fā)生器的補(bǔ)水預(yù)熱,以減少蒸汽發(fā)生器的能耗。

綜上所述,針對夏熱冬冷地區(qū)的大型動物實驗室,采用磁懸浮離心式冷水機(jī)組+空氣源熱泵制熱,結(jié)合分離式熱管熱回收、四管制空氣源熱泵熱回收的空調(diào)冷熱源系統(tǒng),可實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。