独立通风笼盒系统内传热传质分析

2019-08-28张建平傅江南

实验动物科学 2019年4期

张建平傅江南

(暨南大学实验动物管理中心,广州 510623)

独立通风笼盒系统(IVC)是一种以饲养盒为单位的独立通风小型屏障设备，由主机、笼架、笼盒和独立送排风系统组成，无调节送风参数功能，故笼盒内微环境对室内环境和空调系统的依赖性较大。

目前国内外众多学者从笼盒更换频率[1-3]、换气次数[4]、CO2浓度特性[5]、氨浓度[6]、垫料种类、笼盒空间大小、饲养密度[7-9]等方面对笼盒内微环境进行了大量研究。研究发现，换笼周期为7～14 d，换气次数为40～120次/h，饲养密度为≤5只/盒，最适宜实验动物生存生长。以上研究均是基于设施内换气次数>15次/h(国内)、20次/h～25次/h(国外)，环境参数满足相关法规标准要求的情况下进行的。如此大的换气次数使得实验动物设施空调系统能耗巨大，成为动物实验领域的一大难题。

目前IVC设备送风方式主要有两种：①主机从建筑空间内取风;②设备独立送风，即设施和设备是两套完全独立的空调通风系统[10-11]。以上两种方式在运行时，均可通过风机转速控制达到节能，无论哪种送风方式，IVC设备均放置在建筑空间内，并且笼盒的密封性较好，笼盒内的空气不易与室内的空气进行交换，但是笼盒的材质大多是PPSU和PSU，易导热，故笼盒内、外存在传热。实验动物生长过程中持续散热散湿、散放氨气对笼盒内的微环境影响较大，因此探讨笼盒传热传质机理，可对笼盒内微环境和设施内环境及空调系统控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 相关规范及环境指标

目前国内关于IVC的标准有江苏省的产品地方标准，DB32/T972—2006《实验动物笼器具独立通气笼盒(IVC)系统》[12]，关于实验动物设施的标准为：GB 14925—2010《实验动物环境及设施》[13]和GB 50447—2008《实验动物设施建筑技术规范》[14]，以上标准对实验动物饲养环境指标做了要求，详见表1。

1.2 仪器和设备

国产IVC,90笼位二代小鼠独立通气笼盒；温湿度仪(海创高科)、氨浓度监测仪(MX6 IBRID)，均经过独立第三方校准。

表1 不同标准对环境指标的要求Table 1 Environment parameters requirement of different standards

1.3 环境条件与控制

IVC设备放置在实验动物屏障设施内[SYXK(粤)2017-0174], 设施内的环境严格按照GB 14925要求进行控制，设备运行正常,笼盒的容积为7.6 L，换气次数(50次/h)及压差(+20 Pa)通过IVC控制面板进行控制, 其中设备的测试笼盒放置在靠近主机的最下端。

1.4 实验方法

SPF级基因工程小鼠75只，18～26 g，按1只、2只、3只、4只、5只进行随机分组，共5组，每组5笼。垫料为玉米芯，所有笼盒均放置于同一笼架，正常饲养。为减少对动物的干扰和保证笼盒的气密性，温湿度计的探头和氨浓度监测仪的软管均从笼盒现有放置饮水瓶瓶嘴的孔伸入笼盒内中层高度的位置进行检测。实验周期为7 d，每天测定笼盒内温度、湿度、氨浓度3次，取平均值。

1.5 统计方法

2 结果

2.1 笼盒内、外温度差随时间变化特性

IVC设备换气次数设为50次/h，测试周期房间内的温度控制在21～23 ℃之间。测试结果如图1所示：笼盒内外温差均在0～2.5 ℃之间变动，且随着动物只数的增多笼盒内外温差有微小增高。在测试时间内，笼盒内外温差在第4天达到最高。五组实验中，1只小鼠/笼的温差变化趋势不同于其余四组，因为此组笼盒放置在笼架最上部，距设施的送风口较近。但任意两组相比，无统计学差异(P>0.05)(表2)，即小鼠笼盒内外的温差受时间的影响较小。

图1 笼盒内外温差变化特性Fig.1 Temperature variation characteristics inside and outside the cage

表2 笼盒内外温差变化情况Table 2 Temperature variation characteristics inside and outside the

注：各组之间温差值比较，P>0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05，n=21

2.2 相对湿度随时间的变化特性

IVC设备换气次数为50次/h，测试周期房间内的相对湿度控制在50%～57%之间。测试结果如图2所示：笼盒内的相对湿度均高于笼盒外设施内的相对湿度，且笼盒内外相对湿度差随着天数逐渐增大，在饲养第7天时，当笼盒内小鼠只数大于4只时，笼盒内外相对湿度差大于15%。同时笼盒内小鼠越多，笼盒内外相对湿度差越大。任意两组相比，当相隔时间=1 d时，无统计学差异(P>0.05)，当相隔时间≥2 d时，有统计学差异(P<0.05)(表3)，即小鼠笼盒内外的相对湿度随着时间的增加等增大。

图2 笼盒内外相对湿度差变化特性Fig.2 Humidity variation characteristics inside and outside the cage

表3 笼盒内外相对湿度差变化情况Table 3 Humidity variation characteristics inside and outside the

注：任意两组相比，当相隔时间=1 d时，P>0.05;当相隔时间≥2 d时，P<0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for humidity was evaluated,P>0.05,when the interval time was 1 day; while, when the interval time was equal or greater than 2 day,P<0.05,n=21

2.3 氨浓度随时间的变化特性

IVC设备换气次数为50次/h，因笼盒具有密封性，测试周期内，设施内的氨浓度≤5 mg/m3。测试结果如图3所示：笼盒内外的氨浓度差在第4天之前较小，并且笼盒内的氨浓度也相对较低，<5 mg/m3，而且所有笼盒内的氨浓度相差较小。第5天笼盒内的氨浓度急速增高，之后缓慢增加，每组实验之间的氨浓度差异增大，并且在第5天时，饲养小鼠为5只的笼盒内氨浓度高于15 mg/m3。氨浓度测试结果与假定值(每组平均值)对比，均有统计学差异(P<0.05)(表4)，即小鼠笼盒内外的氨浓度与小鼠数量和时间均相关。

图3 笼盒内外氨浓度差变化特性Fig.3 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the cage

表4 笼盒内外氨浓度差变化情况Table 4 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the

注：各组氨浓度值与假定值相比，P<0.05

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05

3 讨论

3.1 散热分析

不同国家标准给定的实验动物小鼠散热量如表5所示：

表5中最小的全热量0.49 w(ASHRAE)为例，假设通过笼盒壁面不传热或者传热量可忽略，小鼠的散热量完全由送风承担，根据热平衡原理计算消除小鼠散热所需的通风量[15]。

表5 小鼠散热量Table 5 Mouse’s rate of heat emission

注：每个笼盒的体积为7.6升，最多饲养5只小鼠，笼盒的导热系数为0.35 W/m·K，笼盒表面积约0.3 m2，笼盒的厚度0.003 m。

Note:The volume of each cage is 7.6 L, maximum number of breeders is 5, the thermal conductivity of the cage box is 0.35 W/m·K, the surface area of the cage box is about 0.3 m2, and the thickness of the cage box is 0.003 m.

式中：qm—通风量(kg/s)

Q—散热量(kJ/s)

c—空气的质量热容，取c=1.01kJ/(kg.K)

tp—排出空气的温度(K)

to—进入空气的温度(K)

由公式可知，送风量和送排风温差为反比例函数的关系，送风量越大，温差越小，反之亦然。计算结果如表6所示。