实验动物建筑设施节能技术探讨

唐利军，徐国景，张金明，樊柏林，杨文祥，骆 伟

（湖北省疾病预防控制中心，武汉 430079）

水、电、气、蒸汽等能源物质供应是实验动物建筑设施建立与正常运行的物质基础。改革开放以来，全国各地建立了规模不等的实验动物设施，从实际运行管理的效果来看，能源物质供应与利用的方式成为制约实验动物设施成败的关键，节能降耗也因此成为新建实验动物设施重点考虑的关键因素。本文结合作者长期的的实践经验探讨了这个问题，以供参考交流。

1 实验动物建筑设施的能耗分析

由于实验动物建筑设施基本采用集中式通风空调系统，并且对空调控制区域的温湿度、洁净度及气流组织等环境参数都有严格的控制范围要求，故其机电设备所耗能源几乎占建筑能耗的50％以上，其中冷热源使用量占40％、输送系统占60％［1］。

图1 日本某大型医院的能耗分析及节能21％所采取的措施（涂光备［2］，天津大学环境科学与工程学院）Fig.1 Japan’s energy consumption at a large hospital and 21％energy-savingmeasures taken（TU guang-bei［2］，Tianjin University，College of Environmental Science and Engineering）

图1是日本某大型医院的能耗分析及节能21％所采取的措施［3］。从该能耗分布图可以看出，空调热源消耗占25％，其中通过新风消耗的热源占40％、维护设施造成的能耗占30％、内部人员热耗占30％；驱动设备如空调、通风及水泵电机耗能占29％；提供卫生热水能耗占11％；照明耗能占15％；电梯、医疗及厨具等设备能耗占20％。如果要节能21％，则上述五个方面采取的措施应该分别占8∶5∶2∶3∶3。

尽管实验动物建筑设施与医院建筑设施具有类似的能耗特点，但仔细分析，前者还是有其结构与使用上的特点，如医院的开放式环境比例高；内部人员数量多、流动量大、热耗高；中央空调部分新风；卫生热水用量大；照明要求高；电梯、医疗及厨房等产热设备多。因此，在能耗分布与节能措施方面略有不同。总的来讲，由于目前的实验动物设施基本上是采用全新风中央空调通风系统，并且内部主要是动物所产生的热源能耗，故空调热源与消毒蒸汽设备耗能要高于医院设施，驱动设备耗能与医院设施相当，而热水、照明、电梯、厨房、医疗等设备耗能则低于医院设施。

针对上述特点，笔者认为实验动物设施在设计与运行管理阶段应采取如下节能措施。

2 实验动物建筑设施设计阶段的节能措施

技术先进、经济合理、使用安全、维护方便是实验动物建筑设施设计的宗旨［4］，也是国家投资建设项目节能控制措施的基本要求［5］。从上述能耗分析的实际情况来看，完善的空调热源设计是节能控制措施的核心，这体现在优化空调控制的工艺布局、重视建筑维护材料及能耗设备的选型、减少冷热负荷、提高冷热源工作效率、改善通风空调气流组织及采用自动控制管理方式等。

2.1 优化实验动物建筑设施的工艺布局设计、控制或减少新风量

由于新风负荷占建筑物总负荷的20％～30％，控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一。所以，要控制新风量就必须改变建筑的工艺布局，按照动物生存空间的最小新风量标准进行设计，并选择技术先进的独立通风笼具（IVC设备）饲养动物，杜绝该设备以外的渠道如工作人员的屏障环境补充新风，这样就可以利用大屏障环境洁净循环空气而节能，并由于IVC设备可以对人与动物实施有效的物理隔离、改善了动物小屏障环境的气流组织与饲养条件，这样就可以使屏障设施实验单元的数量提高3～5倍，即原来在30m2左右只能开展1项实验的饲养单元（饲养间加前室面积），由于采用了IVC设备就可以开展5个左右的实验项目，并可以保证实验动物的质量及实验结果不受影响，故这是国外最先进的、设施利用率最高、最普遍采用的建筑设施工艺布局。

值得提醒的是，由于国内外目前使用的IVC设备都是机、架、笼一体化设计，饲养间过多的电机设备布局也是需要特别控制耗能设备，如果把主机设备放在控制区外面如设备技术层，这样不仅可以对控制单元的多个饲养架实施系统管理，饲养室内动物笼具外面的空气就可以循环使用，从而大大降低新风的热能耗，这种模式在医院洁净手术部建筑设计［6］方面具有很成熟的技术，即大洁净环境由洁净空调新风机组集中提供定温度、定压力、变风量洁净新风，局部或单个手术室的通风空调系统则根据工作需要，从新风机组的主管道获取所需要的洁净空气，并可以随时关停，有利于节能，新风机组在手术室停用的情况下，还可以向手术室提供值班新风，以保持手术室的洁净环境条件，国内外新建的实验动物设施也开始采用这种工艺技术。

2.2 减少冷热负荷

改善建筑的保温隔热性能可以直接有效地减少建筑物的冷热负荷，并因此可以减小制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、空调箱、风机盘管等设备的型号，降低空调系统的初投资，而且这些设备型号减小后，所需的配电功率也会减少，这会造成变配电设备初投资减少以及上述空调设备日常运行耗电量减少，运行费用降低；同时在普通屋顶表面涂上浅色的、高反射率的屋顶，以减少太阳热量的吸收，可使空调负荷减少约10％～50％。目前，国内绝大多数实验动物设施都是使用轻质彩钢板材料作为屏障设施的维护结构，这对小面积的建筑设施不会带来大问题，但规模建筑设施则不仅会带来检修维护方面的困难，更会由于天生的拼装结构建筑，而造成保温、消防、气密性、耐用性及经济性等方面的问题。因此，笔者认为，动物设施装修应该尽可能使用土建材料，包括技术层建筑尽可能使用混凝土整体现浇而成，各种风口、管口要事先按照使用工艺设计好，容易增加冷热负荷的窗户、门、设备、灯具及管线都要减少或回避使用。

2.3 提高冷热源工作效率

中央空调能耗一般包括冷热源、空调机组与末端设备、水与空气输送系统三部分，其中冷热源能耗约占总能耗的一半左右。故在空调系统的设计中，必须重视工况不同对冷水机组性能产生的影响，考虑并满足中国气候和水质条件的要求，以保证机组长期高效运行。凡是控制在2万风量以上的实验动物动物设施，主张选用高能效螺杆冷水机组制冷及燃气热水或蒸汽锅炉制热。但也反对盲目追求能效，应结合中国当前经济发展水平及设施规模，采用系统法选用高效离心式制冷机。

有条件的地方，还可以利用土壤热源［7］，我国南方地区空调系统主要用空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高，从而主机能耗增大。与地面上环境空气相比，5m以下土壤的全年温度稳定且约等于年平均温度，这是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源，还可与太阳能联用以改善冬季的运行条件，可以节能约20％，并且埋地换热器不需要除霜，可以在地下静态的吸放热，减少了冬季除霜的能耗及空调系统对地面空气的热污染与噪音污染。

蓄冰中央空调系统是采用再冷式冰蓄能与冰剥离法，而减少了剥离能耗，其核心是利用峰谷电价的差别将用电高峰时的空调负荷转移到电价较为便宜的夜间，从而达到节约运行费用的目的，具有极佳的经济和环保效益，该技术在欧美日韩等国的使用普及率已达60％以上，我国也出台了相关政策推广该技术。该技术是将制冷机组和蓄冰装置以串联方式连接为一体，主机位于蓄冰设备的上游（图2），采用全部或部分负荷蓄能运转方式。前者是利用原有的冷水机组，再补充蓄冷设备和有关的辅助装置，常用于需要瞬时大量释冷的改建工程如体育馆建筑；后者的冷水机组连续运行，夜间制冷蓄能、白天则利用蓄冰为屏障区提供制冷，这样可使冷水机组的制冷能力减少50％以上，是新建实验动物设施最实用的、投资有效的负荷管理方案。值得提醒的是，蓄冰空调系统初投资通常高于常规空调系统的26％，但由于其使用寿命至少在20年以上，按照国家电网能源节约政策，一般需要4年以上运转才能将增加的投资收回，在不实行峰谷电价分段计费的地区或单位，不推荐该技术的应用。

2.4 改善通风空调气流组织

无论是普通级还是SPF级实验动物设施，采用中央空调送风系统对于温湿度等环境参数控制及氨气调节都是十分必要的。出于节能的考虑，普通级环境的动物饲养区采用全新风排放（局部相对负压条件）与辅助区空气循环利用的方式比采用换能设备对实验区全排放的空气能源进行回收的方式（图3、4），而屏障环境则采用2.1的优化气流组织工艺及其设备，这样更有利于保证实验区空气质量、节省投资及节能。

图2 双工况制冷机组与蓄冰装置串联的工作原理图Fig.2 Duplex status of refrigeration units and ice-storage devices work in series schematic

图3 普通级实验动物设施通风空调节能工艺设计原理图Fig.3 Schematic design of ventilation and air conditioning energy saving technology of ordinary laboratory animal facilities

由于初、中、高效过滤器及调节阀、冷热交换器、风管的空气阻力存在，在设计时就必须考虑这些设备的工艺布局，如果在设施的最短、最捷径位置布局通风空调机房，就会缩短送排风管的长度、减小风机的功率、提高换气效率；如果在机组新风段增加粗效过滤器设备，尽管会增加空气阻力，但可以有效保护其后段的初、中效过滤器与冷热交换器等设备的功能，并因此延长高效过滤器的使用寿命；如果合理地布局送排风管的走向、并充分利用变频等自控设备，就会大大减少风管的数量及转弯程度，并会避免不必要的风管布局交叉，从而有效地减小了风管的空气阻力。

图4 实验动物屏障环境设施通风空调节能工艺设计原理图Fig.4 Schematic design of ventilation and air conditioning energy saving technology of barrier environment laboratory animal facilities

另外，还应该针对实验动物设施的生产、使用、动物饲养区与非动物饲养区的功能需要，合理地布局建筑装修、设备安装与送排/回风口位置，以保持流畅的工艺设备条件布局与气流组织布局，并达到节省初投资与长期运行的费用。

此外，冬夏季利用全热交换器可以从排风中回收70％～80％的冷热量传递给新风，有明显的节能作用。为了保证室内空气足够新鲜，以满足动物与工作人员的舒适要求，全热交换器必须将排风与新风完全隔离，只能能量交换，而不能发生新排风交叉混合。

2.5 采用先进控制设计的节能管理方式

新风量与各种驱动设备是实验动物设施的能耗重点，占中央空调能耗的40％左右，通过采用自动控制的管理方式可节省30％以上的初投资及运行管理费用。

2.5.1 采用变风量空调控制系统重点控制新风量能耗［8］：实验动物设施经常会由于生产或实验计划的改变，而需要对空调控制区域的大小进行调整，并因此而导致区域内的余热值发生变化，要保持区域内的温度与压力不变就必须将送风温度与压力值固定，而改变进风量，这也是实验动物设施由集中式控制向各个区域进行独立或个别控制的方面发展趋势。

变风量空调控制系统可根据各动物饲养间的实际使用情况（动物容积率），在温度与压力值相对固定的情况下，通过改变区域送风量的办法来满足不同房间（或区域）对负荷变化的需要，从而可以减少系统的总设计风量及空调设备的容量，进而可节省设备费的初投资及系统30％的运行能耗，并可同时提高环境的舒适性，这种设计尤其适合于设施空间大而且房间多的建筑。

2.5.2 采用中央空调智能节电系统控制驱动设备能耗［9］：实验动物设施内各种驱动设备如水泵与风机是节能控制的重点部位，应采用先进的中央空调智能节电系统（简称GL-CAC）。

该系统系统尤其适合于复杂的、非线性和时变性的实验动物设施中央空调控制，其核心是模糊控制器及其控制软件即利用模糊规则推理对系统的粗略知识进行类似人脑的知识处理，进而实现对复杂系统的优化控制。其工作原理是根据设施使用的不同状况，以微电脑技术、系统集成技术及变频技术为控制手段，当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时，模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值，如系统供回水温度、供回水压差、流量及环境温度等，经推理运算后输出优化的控制参数值，对系统运行参数进行动态调整，确保主机在任何负荷条件下，都有一个优化的运行环境，始终处于最佳运行工况，从而保持效率最高、能耗最低，实现进而实现中央空调辅机节电30％～60％、主机节电5％～20％的目标（图5）。

图5 GL-CAC中央空调节电控制原理图Fig.5 Power-saving control of the GL-CAC central air-conditioning schematic

GL-CAC系列中央空调节能控制系统是目前最先进的节能控制产品，它与当今普遍使用的定流量控制模式和通用变频器控制方法相比，具有以下技术特点：它通过对中央空调能源运行系统的动态监测和闭环控制，将定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化，满足了系统的舒适性与节能最大的需求；由于空调主机是根据系统的运行工况及制冷工质参数的变化，通过模糊控制器动态调整空调系统运行参数，确保其始终处于优化的最佳工作点上，使主机始终保持具有高的热转换效率，有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题，提高了系统的能源利用率；针对空调系统的各个环节如冷冻水系统、冷却水系统、冷却风系统等实施全面控制、系统协调运行，并实现系统大功率泵组和风机的平滑起停，减小起停冲击和机械磨损，减少设备故障和延长设备使用寿命，最终实现中央空调全系统综合性能优化与最佳综合节能的效果。

2.6 卫生热水与消毒蒸汽设备工程优化设计节能方式

卫生热水与消毒蒸汽耗能占总耗能的30％以上，也是在设计阶段重点考虑的节能领域。

一般而言，规模化的实验动物设施须采用集中供消毒蒸汽的供应方式，并且要考虑蒸汽设备的备用问题。如果需要1000kg的消毒蒸汽，应配备2台500kg而不是2台1000kg的的消毒设备，并串联在一起互为备用，因为蒸汽消毒设备不需要24h不间断、满负荷运行，完全可以根据设备的正常运行需要调整消毒工作时间及消毒负荷。同时，还可以投入少量的换能设备，将蒸汽转换成卫生热水，将空调主机降温产生的热能转换成卫生热水的能源，将太阳能产生的热水与卫生热水系统串联起来。这样的设计不仅会减少50％以上的初投资费用，并且可节省50％以上的热能费用。

3 设施系统运行过程中的节能

在实验动物设施的能耗中，有很大一部分是由于管理不善而引起的，故加强对设施系统运行的科学管理是节能控制的关键措施之一。

3.1 采用热量计量技术，加强冷热源设备系统的运行管理

该成熟技术在欧美等国已普遍采用，武汉国家生物产业基地计划采用，这样各中央空调用户，尤其是实验动物设施用户不仅不需要建立独立的中央空调冷热源、卫生热水及消毒蒸汽设备，而且由于建立了专业化的操作人员队伍，并通过热量计量设备来检验操作人员的控制管理水平，其节能率在8％～15％。如果是独立的实验动物设施用户，也可以通过专业培训及专业操作证制度来提高管理人员的业务素质，并通过热量计量设备来达到节能的目的。

3.2 设施的年运行节能管理

设施的年运行节能管理重点应考虑过渡季节的运行管理，包括设施外新风的利用与新风量的确定等。

设施外冷空气的利用有两种方法：一是春秋季过渡季节充分利用室外焓值小的低温空气为室内供冷降温，减少冷机的开启量，节省能耗；二是利用冷却塔供冷，这适合于对新风量实施最低标准控制的前提下为室内降温，即利用冷却塔将冷却水温度降低，再通过板式换热器冷却冷冻循环水，被降低了温度的冷冻水送到末端的散冷设备，如风机盘管、空调箱等，将冷量送到各个需要供冷的房间或区域。

3.3 设施的日运行节能管理

设施的日运行节能管理主要应考虑随室外温度的变化而采取不同的日节能运行模式，即采用合理的自控系统及一定的手动调节装置来实现。

规模化的实验动物设施由于建立有复杂的空气温湿度、洁净度、压力、通风换气设备及水、电、汽、门禁及监控设备系统，并且要求全年每天24h不间断运行，故除设计上述自动控制系统外，还必须建立综合性的中央自动控制计算机管理系统来有效地管理设施，加上采取下述的手动调节，这样至少可节省40％以上的设施能耗。

冷却塔的设计是按全年最不利工况进行设计的，尽管其能耗在空调系统中所占的比例不大，但由于其使用频率高，累计能耗还是十分可观的，如何改善其工作状况，同样具有重要的节能意义。冷却塔冷却能力的影响因素有循环水量、水温、诱导风量、当地空气干湿球温度和空气中灰尘浓度等，这些因素都可以通过管理人员的手动控制与勤于清洗除尘来改变冷却塔的工作状态，找出适合这些因素变化的最佳工作状况，从而达到节能目的。

手动调节主要目的是减小过滤器与阀门的阻力。在空调系统的运行管理过程中，要定期更换或清洗过滤器，如果过滤器被颗粒或沉淀物堵塞，空气或循环水经过滤器的阻力将会成倍增加；由于阀门的阻力会增加风机的压头功率与水泵的扬程，所以应尽量避免使用阀门调节阻力的方法来改善空气或循环水的流量。

新风口与实验区内的非阻漏式孔板、格栅、丝网及加湿器和表冷器下的水盘、挡水板等被灰尘污染，还有各种空调与水泵电机机：定期清洗过滤、定期检修、检查皮带是否太松、工作点是否偏移、送风状态是否合适送风口，应当定期进行擦拭清洁设施设备的日常卫生管理也是节能的重要措施。

［1］徐国景.实验动物管理与实用技术手册［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2008.

［2］涂光备.医院的空调与净化.医院洁净手术部建筑技术规范标准（武汉）培训讲义［R］.天津大学环境科学与工程学院.2003.

［3］GB50447-2008，实验动物设施建筑技术规范［S］.

［4］国家发展改革委员会.关于加强固定资产投资项目节能评估和审查工作的通知（发改投资［2007］2787号）［R］.

［5］GB50333-2002，医院洁净手术部建筑技术规范［S］.

［6］刘清江，韩学庭.中央空调运行管理节能问题的研究［J］.上海节能，2006（3）：128-130.

［7］商业建筑空调节能技术措施探讨［EB/OL］.（2002-12-05）［2009-05-20］.http://www.ce86.com/a/gongxue/gysj119/200212/06-14827.html.

［8］中央空调系统的节能方案探讨［EB/OL］.（2007-06-19）［2009-05-20］.http://www.100paper.com/100paper/gongxue/gongchengjianzhu/20070619/12009.html.

［9］中央空调智能节电系统［EB/OL］.（2008-12-26）［2009-05-20］.http://www.ok909.com/sca-view.asp?id=48286.