基于节能的实验动物人工环境气流组织数值模拟

钟加晨王志毅∗吴 强

(1.浙江理工大学,杭州 310018; 2.江苏苏净集团有限公司,江苏苏州 215122)

实验动物设施空调系统对房间热湿、洁净环境的控制起着关键作用,影响实验动物能否健康舒适地生长。实验动物设施作为洁净室的一种,相比于普通空调系统,其空调系统能耗高得多,如何降低能耗是一个很重要的问题。合适的换气次数和室内污染物分布、节能之间存在一定的耦合关系[1],且合适的气流组织是降低换气次数的关键。送风速度、送风口大小、形状、位置、类型,排风速度,排风口数量和位置,笼具布置等因素都会影响气流组织。

欧少华等[2]结合计算流体动力学模拟技术得出采用上送下排辅助顶排风的方式有助于降低室内氨气浓度的结论。孙照燕[3]对严寒地区SPF 鸡场生物洁净室模拟研究了排风口面积、送风口面积、养殖层距地高度等因素对气流组织的影响。解茜等[4]、王燕平等[5]以氨气为代表,对不同气流组织形式下实验动物设施内污染物的浓度和分布进行了分析和比较。蒋新波等[6-8]人模拟分析了实验动物设施房间的内外环境空气压差、实验动物房间内的几种典型气流组织以及不同迎风面的压强分布。唐飚等[9]基于CFD 模拟,通过对具体工程的实验动物设施气流组织的模拟分析,研究实验动物设施房间内最佳的换气次数。

已有的关于实验动物设施的规范主要是实验动物环境及设施[10]和实验动物设施建筑技术规范[11]。本文拟通过一个工程实例,先计算屏障环境实验动物设施房间的夏季空调冷负荷,分析换气次数和冷负荷指标的关系,然后通过数值模拟分析排风口和笼具位置对气流组织的影响,最后给出基于节能的实验动物人工环境气流组织优化建议。

1 负荷计算

某屏障环境实验动物设施位于上海某大学内,面积为179 m2,层高为2.5 m,供大学教学实验用。屏障环境包括混合走廊、行为实验室、小鼠饲养室、大鼠饲养室、过程实验室、灭菌后储藏室、冰箱间、一次更衣室、二次更衣室以及气闸室。空气洁净度为ISO7 级,温度范围为 20℃ ～26℃,湿度范围为40%～70%,最大日温差不高于4℃,最小换气次数不低于15 次每小时,噪声不高于60 分贝。

实验动物设施夏季空调冷负荷包括:通过围护结构传热形成的冷负荷、空调新风冷负荷以及通过室内热源散热形成的冷负荷,包括设备、照明、人体以及动物散热形成的冷负荷。室内照明为T5 型节能灯,设备包括换笼站、动物垫料负压处置柜、万向吸气臂以及笼具等。

实验动物设施空调区冷负荷的计算采用冷负荷系数法[12],通过围护结构传热形成的冷负荷最大为5901 W,出现在下午四点。混合走廊、行为实验室、小鼠饲养室等10 个房间的夏季空调室内设计温度为23℃,设计相对湿度为60%。上海地区夏季空调室外计算干球温度为34.6℃。如表1 所示。各冷负荷占比饼图如图1 所示。

由图1 分析可得,实验动物房夏季空调冷负荷中空调新风冷负荷占比最高,为92.25%,其次是通过围护结构传热形成的冷负荷,占比为6.01%,其余通过设备、照明以及人体散热形成的冷负荷三者之和的占比仅为1.74%。对于常规空调系统,其夏季空调新风冷负荷占比一般在35%～50%,远低于实验动物设施空调系统。将换气次数从每小时1 次依次增加至每小时25 次,分别计算对应的冷负荷指标和新风冷负荷占比。换气次数和冷负荷指标的关系如图2 所示,换气次数和新风冷负荷占比的关系如图3 所示。

由图2 分析可得,实验动物房夏季空调新风冷负荷指标和换气次数呈现线性关系,拟合的直线关系式为y =42.51+33.72x。换气次数每小时每提高一次,实验动物房夏季空调新风冷负荷指标增加33.72 W/m2。当换气次数从每小时25 次降低至每小时15 次,节能率为38.08%;当换气次数从每小时15 次降低至每小时5 次,节能率为61.49%。

由图3 分析可得,当换气次数为每小时1 次,新风冷负荷占比为44.24%。当换气次数为每小时2次,新风冷负荷占比为61.34%。当换气次数达到国家标准推荐的每小时15 次,新风冷负荷占比为92.25%,通过围护结构传热、通过人体、照明、设备等散热形成的冷负荷只占7.75%。分别计算独立通气笼具系统和开放式笼具系统的新风冷负荷,独立通气笼具系统内部新风换气次数设置为每小时15 次,由于独立通气笼具将实验动物所处的小环境与外部大环境隔离开,有效避免了实验动物对外部大环境的污染,故外部大环境对新风换气次数的要求大大降低,设置为5 次/小时,而传统的开放式笼具系统,整个房间的新风换气次数仍需要设置为每小时15 次。采用独立通气笼具系统的小鼠饲养室,新风冷负荷指标为189 W/m2。相对于开放式笼具系统,新风冷负荷指标每平方米降低了317 W,降低率为62.6%。

表1 冷负荷计算结果Table 1 Cooling load calculation results

图1 各冷负荷占比饼图Figure 1 Pie chart of cooling load ratio

图2 换气次数和冷负荷指标的关系Figure 2 Relationship between air changes and cooling load index

图3 换气次数和新风冷负荷占比的关系Figure 3 Relationship between air changes and fresh air cooling load ratio

2 模型建立

2.1 物理模型

为了准确的分析实验动物房的人工环境气流组织,本次研究借助于商业软件对其进行模拟与分析,来达到全面掌握其气流组织的目的,运用FLUENT 公司开发的软件Airpak 进行数值模拟与计算。模拟的对象是屏障环境实验动物设施中一间具有代表性的房间——小鼠饲养室,基本参数如表2 所示,气流组织形式为上送侧回。

2.2 数学模型

数学模型选用标准k-ε 模型进行模拟。数学模型的偏微分方程包括连续方程、动量方程、紊流能量传递方程、紊流能量耗散率方程以及污染物扩散方程。

2.3 网格划分

模型采用六面体结构化网格对计算区域进行离散。计算区域划分步长不大于模型尺寸的1/50。其他网格划分规则统一规定为:流体窄缝的最小网格数为3,固体边的最小网格数为2,圆柱形与三角形的表面最小网格数均为4;单元的宽高比最大为2;零网格高度最大值为0.001。

表2 小鼠饲养室基本参数表Table 2 Basic parameters of mice feeding room

2.4 压力速度耦合的处理

选用SIMPLE 算法处理压力速度耦合问题。在动量方程离散形式的求解过程中纳入松弛因子处理,对于松弛因子的选择如下:压力项0.3,速度项0.1,体积力项0.1;其余均为1.0。

2.5 求解收敛的判断

判断依据为:能量方程的残差小于10-6,连续性方程、各速度分量、k 和ε 的残差小于10-3;并且各残差线都趋于水平,即随迭代次数的增加各残差变化趋于稳定,以保证各参数值的稳定。

3 模拟结果与分析

3.1 排风口位置和数量的影响

为研究排风口位置对流场的影响,我们建立了六个不同模型,其中模型1 排风口为墙对角布置,模型2 排风口为墙1 同侧布置,模型3 排风口为墙2同侧布置,模型4 排风口为墙2 对侧布置,模型5 排风口为墙1 四角布置,模型6 排风口为墙2 四角布置,六个模型如图4 所示。

模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云图如图5 所示,不同排风口尺寸对应参数如表3 所示。

图4 不同排风口下的小鼠饲养室模型Figure 4 Mice feeding room model with different air exhaust outlet

表3 不同排风口尺寸对应参数Table 3 Corresponding parameter of air exhaust outlet sizes

3.2 排风口尺寸的影响

进一步,以模型6 为基准,将排风口的尺寸分别调为 200×200,300×300,400×400 以及 500×500,不改变位置和数量,比较排风口尺寸对气流组织的影响。不同排风口尺寸对应风速如表4 所示。

实验动物环境设施中对屏障环境的排风口风速的要求是不宜大于2 m/s,故对于小鼠饲养室的墙四角排风口布置,排风口尺寸设置为200×200 mm,不符合国家标准推荐指标,当排风口尺寸设置大于200×200 mm,能够满足标准要求。

3.3 笼具位置的影响

(1)笼具沿房间宽度方向布置

将笼具沿房间宽度方向布置,将两个笼具间的距离分别调整成 0.7 m、1.1 m、1.5 m、1.9 m、2.3 m、2.7 m 和3.1 m,研究笼具间不同的距离对笼具表面空气龄的影响。笼具间不同的距离对笼具表面空气龄的影响如表5 所示,平均空气龄随间距的变化如图6 所示。

图5 模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云图Figure 5 Model 1～6 Y=0.35 m velocity nephogram

由表4 分析可得,房间排风口的数量和位置对小鼠饲养室整体的平均温度、平均风速、平均空气龄以及均方根偏差影响较小,主要影响局部气流分布。排风口的数量和位置对小鼠饲养室的影响体现在局部排风口的平均风速和最大风速上,排风口的数量从2 个增加到4 个,排风口的平均风速从0.96 m/s 降低到0.48 m/s,排风口的最大风速从1.82 m/s 降低到0.89 m/s。基于排风口位置和数量的研究,将模型1 优化成模型6。

由图6 分析可得,在7 种不同的笼间距下,间距为2.3 m 时,小鼠饲养室两个笼具周围的平均空气龄最小,为上述7 种间距中的最优间距。此时,送风气流能够最快的达到笼具处,空气最新鲜,空气品质最好。空气龄的粒子追踪如图7 所示。

图6 平均空气龄随间距的变化Figure 6 Variation of mean air age with distance

图7 空气龄的粒子追踪图Figure 7 Particle tracking map of air age

(2)笼具沿房间长度方向布置

将笼具沿房间长度方向布置,将两个笼具间的距离分别调整成 0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m 和2.3 m,研究笼具间不同的距离对笼具表面空气龄的影响。笼具间不同的距离对笼具表面空气龄的影响如表6 所示,平均空气龄随间距的变化如图8 所示。

由图8 分析可得,对于笼具沿房间长度方向布置的8 种不同模型,笼具的间距变化对笼具周围的平均空气龄影响较小。当间距从0.9 m 变化到2.3 m 时,对应的平均空气龄从133.62 s 缓慢增加至137.89 s,空气龄变化幅度较小,且低于笼具沿房间宽度方向布置的平均空气龄。以笼具沿房间长度方向布置的1.5 m 间距为例,空气龄的粒子追踪如图9 所示。

表4 不同排风口尺寸对应风速Table 4 Corresponding air speed of air exhaust outlet sizes

表5 笼具间不同的距离对应笼具表面空气龄Table 5 Different distances between cages correspond to the air age

表6 笼具间不同的距离对应笼具表面空气龄Table 6 Different distances between cages correspond to the air age

图8 平均空气龄随间距的变化图Figure 8 Variation of mean air age with distance

图9 空气龄的粒子追踪图Figure 9 Particle tracking map of air age

4 结论

基于节能的实验动物人工环境气流组织数值模拟,主要得出以下结论:

(1)对于换气次数为15 次/小时的屏障环境实验动物设施,实验动物设施夏季空调冷负荷中新风冷负荷占比最高,为92.25%;新风冷负荷指标和换气次数呈线性关系,换气次数每小时每降低一次,实验动物房夏季空调新风冷负荷每平方米降低33.72 W;独立通气笼具系统比开放式笼具系统新风冷负荷指标降低62.6%。

(2)排风口的数量和位置对房间整体的平均温度、平均风速、平均空气龄以及均方根偏差影响较小,适当增加排风口的数量和尺寸,局部气流速度降低,气流分布更加均匀。

(3)笼具沿宽度方向布置比笼具沿长度方向布置更加合理,是因为送回风口的位置使得室内气流沿着长度方向扩散,前者笼具周围的平均空气龄比后者降低25 s,污染物能够迅速被带走;笼具沿宽度方向布置存在笼具间的最优间距,取决于送风口的位置。