某SPF级动物房空调系统节能措施效果分析

2021-06-23上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司任尔媛

暖通空调 2021年6期

上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司任尔媛

随着医学高速发展，实验动物房不断兴建，其空调要求与普通舒适性空调存在差异，不仅需要为实验动物提供相对稳定的生存环境(温湿度适宜、7级洁净度)，也需为工作人员提供相对良好的工作环境(及时排除动物排放恶臭)。因此，该空调系统总送风量、新风量大，空调能耗大，且设备运行必须可靠。本文主要对某无特定病原体实验动物(SPF)级动物房节能措施进行分析。

1 SPF级动物房建筑概况

该项目为上海某营养与健康实验建筑大楼，共17层。其中，15～17层为SPF级动物房，该3层建筑面积为3 779.8 m2，屏障区面积为2 002.9 m2，主要由SPF级饲养间、实验室、消毒后室、一二次更衣室、熏蒸室、通道组成。建筑层高均为5.4 m，屏障区净高为2.4 m[1]，此区域无可开启外窗，为封闭区域。动物饲养间主要位于屏障区内区，通道位于外区，屏障与非屏障区之间设置缓冲间。SPF级动物房饲养间采用独立通风笼(IVC)形式，主要饲养小鼠。

2 动物房空调负荷特点

2.1 动物房室内设计参数(见表1)

2.2 空调冷热负荷

动物房空调能耗大，屏障区域空调计算冷负荷为776.6 kW,单位面积的冷指标为388.0 W/m2，空调计算热负荷为671.7 kW，单位面积热指标为335.0 W/m2。根据IVC特点及GB 50447—2008《实验动物环境及设施》第5.2.2条，该项目未采用传统直流式全新风系统[1]，但新风量不低于送风量的50%[2]。冬夏季各项负荷情况如图1所示。

表1 SPF级动物房室内参数(主要饲养动物种类为小鼠、大鼠)[1]

图1 动物房各负荷曲线

由图1可以看出，动物房空调特点如下：1) 送/新风量大，冷热负荷高，且新风负荷占90%以上；2) 夏季新风湿负荷大，需冷却除湿后再热，造成冷热抵消。所以动物房空调送风参数需稳定，不允许有大波动，房间环境需全年稳定，净化、空调设备需可靠。

3 动物房空调系统的节能措施

根据2.2节的总结分析，以保证动物房环境为原则，设计中采用2种热管热回收形式：显热回收热管、U形除湿热管。既避免了新/排风热回收时的交叉污染，又能减少新风负荷，减少冷热抵消，同时热管使用寿命相对较长，维护方便[3]。

3.1 仅用显热回收热管

该项目3层动物房均采用了4排管热管显热回收装置，统计了动物房空调全年8 760 h的能耗，以计算全年减少的能耗及运行费用，并进行经济性分析。图2为上海地区某SPF级动物房(第16层)经热管显热回收后全年减少能耗及运行费用。表2统计了该动物房(共3层)全年可减少能耗及运行费用，表3给出了不同冷热源COP下减少的能耗及不同年利率i下的回收期。

图2 某SPF级动物房(第16层)经热管显热回收后减少的能耗、运行费用[4]

表2 采用热管显热回收后动物房(共3层)全年减少的能耗及运行费用

表3 采用显热回收热管不同冷热源COP下减少的能耗及不同年利率下的回收期

由表3可知，回收年限主要取决于冷热源效率，年利率对其影响不大，基本可忽略。该项目采用空气源热泵，热泵COP在2.8～3.5范围内[5]，年利率为3.0%～4.5%时，回收年限可控制在4.5 a内；COP=4时，回收年限为6 a，长于常规的合理回收年限5 a。

3.2 增加U形除湿热管

为减少除湿再热后的冷热抵消，该项目采用了U形除湿热管。冷热抵消主要出现在夏季，通过室内冷负荷、送风量、室内环境温湿度范围，计算得出送风参数。

送风比焓差：

(1)

式中 Δh为送风比焓差，kJ/kg；Qn为室内冷负荷，kW；Ls为送风量,m3/h。

送风比焓值：

hs=hn-Δh

(2)

式中hs为送风比焓，kJ/kg；hn为室内空气比焓，取43.3 kJ/kg。

查焓湿图可得15～17层的送风温度ts分别为21.1、21.1、20.7 ℃。

通过焓湿图可知，含湿量为8.22 g/kg、相对湿度为95%的状态点对应的干球温度为11.8 ℃，湿球温度为11.5 ℃，再热时需从11.8 ℃加热至21.0 ℃，温差为9.2 ℃。

U形除湿热管工作原理为：夏季通过将蒸发器前后能量转移，以达到二次预冷和冷却后一次再热的效果。表4为采用U形除湿热管处理过程各阶段参数。

表4 采用U形除湿热管处理过程各阶段参数 (送风量39 000 m3/h)

通过对上海全年干湿球温度及动物房控制环境湿度的分析，动物房内含湿量需控制为8.28 g/kg。在焓湿图上，含湿量8.28 g/kg、相对湿度90%对应的干球温度为11.9 ℃、湿球温度为11.2 ℃，说明当温度降低至12 ℃以下，基本不需要除湿。列举了干球温度在12～35 ℃间，含湿量8.28 g/kg时的临界湿球温度，并进行拟合分析(见图3)。通过临界湿球温度曲线拟合得出对应临界湿球温度计算式(3)。

图3 临界湿球温度曲线

(3)

式中ts,l为无需除湿的临界湿球温度，℃；tg为室外干球温度，℃。

通过计算，当实际湿球温度>临界湿球温度时，需要冷却除湿，U形除湿热管进行热量回收。结合以上公式与上海全年室外干湿球温度进行分析，得出上海地区全年需除湿日分布，见图4。

注：0为不需要除湿，1为需要除湿。图4 上海地区全年需除湿日分布

如图4所示，上海地区除湿日主要集中于4月下旬(20日)至10月中下旬(20日)，而3月下旬至4月下旬及11月上旬也存在需除湿的可能性。据统计，上海全年需除湿小时数为4 647 h，即U形除湿热管的全年使用小时数为4 647 h，占全年的53%。表5给出了增加U形除湿热管后该3层动物房的全年逐时能耗及减少的运行费用，表6给出了不同冷热源COP下增加U形除湿热管后减少的总运行费用及不同年利率下的回收期。