某屏障环境动物实验室空调节能设计

2021-05-19张凡万鑫张映伟

化工与医药工程 2021年2期

张凡，万鑫，张映伟

（1.苏州融森净化工程有限公司，江苏苏州 215213；2.江西省医药设计院，南昌 330046；3.苏州融森净化工程有限公司，江苏苏州 215213）

动物因其疾病发展过程、临床症状、发病机制与人类具有相似性，已成为解决人类健康与疾病问题研究的理想模型，在人类疾病发病机理、诊断、治疗、预防、生物医药和生物制品的生产与质量评价、引领支撑生命科学研究和医药产业发展中发挥着不可或缺的重要作用。实验动物需在一定环境条件饲养，屏障环境适用于饲育清洁及和或无特定病原体级实验动物，数量居多。动物饲养室要求全年候、全天候环境温湿度等指标控制在相应范围内，因动物排放氨气，系统新风比大，且空调机组不间断运行，能耗巨大，迫切需要节能设计。

1 项目概况

本项目位于南昌高科技产业园，没有蒸汽；洁净区面积373 m2；有6 间小鼠饲养室、4 间大鼠饲养室，小鼠每间50 笼，可饲养300 只小鼠，大鼠每间100 笼，可饲养400 只大鼠。屏障环境动物实验室设有检疫观察室、手术室、实验室、解剖间，人净更衣、风淋、洁净走廊、双污物走廊等，饲养、实验区分别设在建筑两边、辅助用房居中布置。按《实验动物环境及设施》规范[1]，本屏障动物实验室为正压，动物生产间相通区域最小静压差≥10Pa；环境温度20～26 ℃，湿度40%～70%，最小换气次数≥15 次/h。空调机组按时段运行[2]，实验室工作时段总风量参考文献[3-4]（换气次数17 次/h）为17 160 m3/h，系统仅洁净走廊等少数辅助功能间能回风，新风比高达73.5%；饲养片区（包括该区域清洁、污物走廊）送风量6 750 m3/h，占总送风量39.3%，实验室室内无发热设备，主导是维护结构热负荷，湿负荷以新风为主，均与室外环境温湿度正相关。

2 节能设计

2.1 南昌气候特征

南昌冬冷夏热（潮湿气候），见图1～3：

除12月月平均相对湿度为61.0%，其他月份平均相对湿度均＞70%，3、4、10、11月除湿季节[5]，5～9月空调季节，1～4、11～12月采暖季节。

南昌＞35 ℃仅64 h，25～35 ℃ 2 116 h，≤20 ℃4 750 h。

图1 南昌2005年月气象数据图Fig.1 Monthly meteorological data of Nanchang in 2005

图2 南昌2005年干球温度频数Fig.2 Frequency of dry bulb temperature in Nanchang in 2005

图3 南昌2019年7月气温走势Fig.3 Trend of temperature in Nanchang in July 2019

全月29 天日温差≥5 ℃。

2.2 冷热源设备选用

计算依据文献 [6]，动物房工作时段最大冷负荷（13:00）22.8 kW，最小时负荷（8:00）17.7 kW，自净时段（7:00）15.1 kW，非工作时段最大逐时冷负荷（19:00）14.9 kW，最小时负荷（5:00）11.0 kW。见图4。

图4 系统逐时冷负荷Fig.4 Hourly load of system

实验室全年及全天热负荷波动较大，全年绝大部分时间为部分负荷运行，这就要求冷热源有较好调节能力，适应负荷变化，避免大马拉小车造成的能源浪费。数码变容量直膨空调机虽有强大的调节能力，但价格昂贵，动物实验室要求备用冷热源设备，其投资超出甲方预算。本项目冷热源采用130、80、65 kW 三种规格四台风冷模块冷热水机组，总冷量355 kW，最少有80 kW 冷量机组备用，保证动物实验室全年侯使用，单四台机组就有九种冷量组合等级，其单台机组又有两个压缩机及完全独立的制冷系统，可控制单元模块内压缩机的开启数量，单机可50%～100%二级调节，冷热系统总可实现本项目16种阶梯式节能的冷量组合。冷热水选用两种规格四台泵，变频控制与机组匹配流量，系统能较好适应能耗变化。冷热源系统技术参数见表1。

表1 冷热源系统技术参数表Tab.1 Technical parameter table of cold and heat source system

2.3 空调空气焓湿处理过程

动物实验室新风比大，又全天、全年候运行，排风含氨气，能量回收采用U 型热管新风排风节能器，该节能器体积较小，严密性好，无运转部件，无需日常维护，通过U 型热管蒸发、冷凝，吸热、放热，实现新风与排风的热量交换，能源形成闭式环流循环回收排风显热，提高能源利用率，节能器风机功率2×2.2 kW。降温除湿季节，按室外设计干球温度t1=35.4 ℃[7]计算，U 型热管新排风节能器效率η=0.6，排风温度t3=25 ℃。

预冷后新风温度t2=t1-η（t1-t3）=35.4-0.6 （35.4-25）=29.2℃。

预冷后新风减温除湿至露点温度13.7 ℃，相对湿度95%，含湿量9.51 g/kg；由于新风比大，与回风混合温度只有16.3 ℃，含湿量10.0 g/kg，可直接风机加压温升1.7 ℃到送风点温度18 ℃送风，达室内24 ℃，60%，11.48 g/kg。以下简称该过程为回收表冷处理过程如图5所示。

图5 回收表冷空气降温除湿处理过程Fig.5 Recycling cold air cooling dehumidification process

一次表冷处理过程（以下简称一次表冷）：新回风混合总风量降温除湿至机器露点温度14.5 ℃，含湿量10.03 g/kg，相对湿度95%；电加热至再热点温度16.3 ℃后同上送风。相比回收表冷仅新风减温减焓处理，处理风量只有总量73.5%，回风混合替代该部分电加热再热，又节约能耗。（若系统需＞18 ℃送风再热量部分辅以电加热）比较两种处理过程节能数据见表2。

加热加湿季节，新风通过U 型热管新风排风节能器预热，再与回风混合后加热、加湿（以下简称回收加热）至送风点送风。如图6所示。

表2 两种处理过程降温除湿能耗表Tab.2 Energy consumption table for cooling and dehumidification of two treatment processes

图6 空气加热加湿处理过程Fig.6 Air heating and humidification process

本工程按室外设计干球温度t1=-1.5 ℃[7]计算，排风温度t3=21 ℃

预热后新风温度t2=t1-η（t1-t3）=-1.5-0.6（21+1.5）=12 ℃

与回风混合后温度14.9 ℃，含湿量4.0 g/kg，加热至26.3 ℃，加湿至含湿量7.4 g/kg，再风机加压温升1.7 ℃到送风点温度28 ℃送风。同新回风混合加热加湿（以下简称加热加湿）处理过程比，两种处理过程节能数据见表3。

表3 两种处理过程加热加湿能耗表Tab.3 Energy consumption table for heating and humidification of two treatment processes

2.4 全天侯按时段分模式定风量运行

机组空调能耗与送风量成正比，送风量是节能第一要素。本工程洁净空调机组按总风量和饲养室风量分别选用两台风机，互为饲养室备用，风机均变频控制；实验室和辅助间由一总风管送风，风管上安装电动密闭阀，密闭阀与大风机连锁，同开同关。工作模式：工作时段（11 小时）开启大风机17 次/h全室送风。非工作模式：非工作时段按（12 h），依据文献 [2]以12 次/h 送风，送风量：全室12 120 m3/h，仅饲养区5 160 m3/h，借鉴洁净手术部的做法，其他区域不工作就不送风，非工作时段启用小风机仅饲养区域12 次/h 送风，同时将污物走廊静压差12 Pa提高35 Pa 回风，开启其回风管电动密闭阀，关闭其排风管电动密闭阀，新风比77.1%，这样既保护周边区域不被污染，又可利用回风再热，最大限度节约能源。自净模式：工作前自净，按文献 [8]计算实验室自净时间为45 min，因此工作前1 h 切换到大风机（17 次/h）运行，使实验及辅助区域达到洁净环境要求运行。

系统采用风速变送器检测送风风量来调节变频风机保持风量一定，还能自动适应系统阻力变化，变频运行节省空气输送能耗。本工程系统初阻1 238 Pa，终阻1 694 Pa。N1/N2=（1 238/1 694）3/2=0.62，N1 为系统初阻力风机轴功率，N2 为系统终阻力风机轴功率，定风量节能效率可观。

按文献 [7]可得两个时段夏季空调室外最热月逐时温度平均值为33.3 ℃和29.1 ℃，计算一次表冷按时段定风量能耗，见表4。

表4 一次表冷按时段定风量降温除湿能耗表Tab.4 Energy consumption table of primary cooling and fixed air volume cooling and dehumidification

2.5 自动控制

空调实现节能运行有赖于自动控制系统，制冷空调所有设备、关键参数进行分散控制、集中监测和管理，提高系统的时效性和稳定性。自动化控制系统由四个部分组成：传感器与执行器，PLC（可编程控制器），通讯网络，中央管理计算机。

节能优化控制系统通过通讯接口与各风冷模块冷热水机组连接，通过建立智能数学模型，预计算室内负荷需求与监测末端实际负荷值、PLC 自动选择最佳模块主机与压缩机运行台数，水泵运行台数和频率，实现冷热水系统设备与负荷阶梯式配合。

按模式定时段定风量运行，CPU 根据预先输入各时段风量值，自动选择运行风机，且自行控制风速变送器检测送风风量来调节变频风机频率保持风量达到设定值，及系统阀门切换节能运行。

控制系统还可以通过提高动物实验室温湿度精度来节能运行。系统夏季湿度采用PID 的双闭环串级模式控制表冷水调节阀，主环路是计算机预设系统湿度值与回风湿度测量值的主控制系统，副环路是机器露点副控制系统，这种双闭环的串级控制系统大大改善了PID 控制器的品质；系统温度也采用PID 的双闭环串级模式控制电加热器，主变量为回风温度，副变量为送风温度。控制系统实现了受控对象（冷水阀）动态精确调节过程，冷水量自适应系统负荷变化，不浪费能源。

自控系统在保证屏障实验室环境的前提下，切实达到节约能源和降低人工成本的目标。