利用室内空气循环净化降低实验动物房新风量的节能效果

2021-12-16王文涛郑功杭李先庭邵晓亮

制冷学报 2021年6期

王文涛郑功杭李先庭邵晓亮王欢

(1 清华大学建筑学院北京 100084；2 北京科技大学土木与资源工程学院北京 100083)

随着对预防和治疗人体疾病、保障人类健康的愈加重视，生命科学、医学等相关学科受到人们的密切关注[1-2]。由于此类学科需要活体实验的特殊性，实验动物便成为该学科领域重要的实验基础条件，特别是处于新冠疫情期间的当今世界，急需疫苗的研发，实验动物的重要作用得到凸显[3]。例如，人们使用小鼠、恒河猴等建立动物模型，以推进疫苗研发的临床前研究[4-5]。因此，实验动物的健康培育对促进生命科学领域的发展具有重要的推动意义[6-7]。

实验动物房作为实验动物的饲养和培育地点，其室内环境空间的温度、湿度、有害气体浓度、空气洁净度等因素对实验动物的机体状态有较大影响，是决定实验动物能否健康成长的重要条件。为保证实验动物房的室内污染物浓度处于较低水平，实验动物房通常采用直流式全新风系统，室内热湿负荷的处理以及污染物浓度的降低均由新风负责，因此新风量设计需同时满足所有要求，以保证室内良好的空气质量[8-9]。出于对室内污染物浓度的控制，实验动物房的换气次数一般很大，导致新风负荷能耗大、机房面积过大、风管尺寸过大等问题[10]。对于笼盒式实验动物房，笼盒内部的通风系统通常是标准化定制，与放置笼盒的房间通风系统是基本独立的。与笼盒内部相比，放置笼盒的房间为大空间，所需风量更大、空调能耗更高、节能潜力也相应更大，因此本文旨在降低动物房室内大空间的空调能耗。

动物房采用全新风系统时，保障空气品质所需新风量远大于处理冷热负荷、湿负荷所需风量，造成新风负荷能耗巨大。因此本文提出了可实现温、湿、污染物独立控制的新型空调系统，避免了新风量的冗余，达到降低空调能耗的目的。本文以笼盒式实验动物房为例，建立了CFD计算模型，通过调研测试数据对模型进行了验证，利用CFD软件模拟了新型独立控制空调系统的净化效果，验证了新型独立控制空调系统的有效性，并进一步研究了该系统的节能性，为将来实际应用提供参考。

1 调研测试

为了解国内实验动物房的环境控制与能耗水平现状，寻找现存问题，对位于北京的某实验动物中心进行了调研。该实验动物房建筑面积为3 000 m2，屏障环境面积为500 m2，调研环境如图1所示。对该实验动物房洁净环境性能进行了现场测试，测量设备参数如表1所示。

图1 动物房调研环境Fig.1 Test environment of the laboratory animal rooms

表1 测试仪表性能参数Tab.1 Parameters of the measuring instruments

在鼠笼架之间的中部位置设置测点，每个位置沿高度方向共设置5个测点，测点间高差为0.5 m，并分别对3个房间的测点进行测试。测试结果如图2所示，各房间参数平均值如表2所示。

表2 实验动物房环境性能测试结果Tab.2 Environmental test results of the laboratory animal rooms

图2 房间测试点NH3质量分数分布Fig.2 Ammonia mass fraction distribution at test points

针对调研的实验动物房，可知：1)该实验动物中心的动物房NH3平均质量分数约为1.2 mg/kg，此时小鼠可正常生存，说明该污染物浓度低于可保证小鼠正常生存的极限浓度；2)该实验动物中心动物房的换气次数偏大(设置为约20 h-1)，从而导致新风负荷较大、空调能耗较大等问题。

因此，在保障温度、湿度、污染物浓度等室内环境要求的前提下，将实验动物房新风换气次数降低是实现节能的重要方式。

2 系统构建

一般采用全新风系统的动物房为能满足室内所有需求(人员和动物新风需求、冷热负荷需求、湿负荷需求、污染物控制需求)，空调系统仅能送入经处理后的低温新风，风量也通常设置为4者风量中的最大值，导致新风系统能耗很高。为避免风量的冗余，本文旨在通过对温、湿、污染物的独立控制，降低新风负荷及空调能耗。

为实现新风需求及温、湿、污染物独立控制，可设置4套独立的系统(以夏季为例)：新风机组送入新风量满足人员和动物的新风需求、通过低温冷水处理湿负荷、通过高温冷水处理冷负荷、净化装置净化室内循环风降低污染物浓度。其中，采用高温冷水处理冷负荷有利于提高空调系统能效，采用净化装置替代了传统系统中大量新风降低污染物浓度的作用，二者均有利于降低空调系统能耗。虽然4套系统可分别控制各自的参数，避免了风量的冗余，但该方法系统数目较多，不易管理且投资较大，不利于实际应用。

通常情况下，动物房中的人员及动物新风需求与湿负荷处理需求均较小，因此可将二者需求合并，将4套独立的系统简化为3套系统：经低温冷水处理过的新风满足人员及动物新风需求与处理湿负荷、通过高温冷水处理冷负荷、净化装置净化室内循环风降低污染物浓度。其中，高温冷水和净化装置依然可以起到降低空调能耗的作用。但该方法仍存在系统数目较多，管理复杂的问题。因此，在此基础上，需将3套独立系统进一步简化。

若将新风需求、湿负荷处理需求、冷负荷处理需求合并为1套系统，净化装置单独为1套系统，则可简化为2套独立系统。虽然采用净化装置净化室内循环风可实现对污染物的独立控制，无需额外通入新风，起到降低新风负荷的作用；但由于湿负荷与冷负荷的处理合并在同一系统中，此时冷负荷仅能使用低温冷水处理，实现温、湿独立控制还需进行再热，既未利用采用高温冷水的节能潜力，也因再热增加了额外的能耗。因此该系统虽较为简化，具有一定的节能作用，但仍有改进空间。

对于某一特定动物房，其室内污染物浓度具有限值，净化装置可通过调节净化风量以满足污染物浓度处于限值以下。经过净化处理的风量越大，越有利于降低室内污染物浓度，但同时净化装置的风机能耗亦越大，因此净化风量可设置为室内污染物浓度刚好达到限值以下时的风量。已知净化风量后，通过调整高温冷水的温度，即可实现对室内冷负荷的处理。

综合上述方法，可将3套系统简化为2套系统，如图3所示。1)新风机组(控制湿度)：经低温冷水与初、中、高效过滤器处理过的新风满足人员及动物新风需求并处理湿负荷。2)循环空气净化降温装置(控制污染物浓度+控制温度)：一方面，其中的净化装置具有净化空气的作用，可去除空气中的有害气体，通过调节循环净化的风量可控制污染物浓度水平，如室内污染物浓度越高，经过净化处理的风量则需越大；另一方面，该装置通过调节高温冷水的温度来改变经高温表冷器处理后的空气状态，进而通过处理后的空气满足冷负荷需求。因此，本文提出的新型空调系统可以实现对温、湿、污染物的独立控制，无需使用过多的新风来保障空气品质，系统简单，可达到降低新风负荷、节约空调能耗的目的。

图3 温、湿、污染物独立控制空调系统Fig.3 Temperature,humidity and pollutants independent control air conditioning system

3 模型及方法

3.1 模型设置

本文以笼盒式实验动物房为例，使用Airpak 3.0模拟软件对实验动物房建立了计算模型，以便于进行模拟研究。在模型中，设置房间大小为10 m×2.7 m×2.5 m，并沿房间长度方向分别布置4排笼盒，笼盒内污染物向公共空间的溢出口简化为长条形，模型如图4所示。该笼盒式实验动物房的气流组织形式为上送下排，鼠笼盒内有单独的送排风口，但鼠笼盒的空调机组置于室内大空间内，因此室内大空间的污染物浓度对鼠笼盒的初始送风污染物浓度有影响，此外笼盒内污染物会通过透风网口向大空间有一定的溢出，成为室内污染来源。送风口尺寸为0.6 m×0.6 m，排风口尺寸为0.4 m×0.4 m，透风网口尺寸为0.1 m×5.5 m。本文以NH3作为污染物，基于调研测试，按照污染物质量守恒进行核算，设置每个溢出口污染物释放强度为0.056 mg/s。

图4 笼盒式实验动物房模型Fig.4 Model of the cage-type laboratory animal room

3.2 模拟方法及初始条件

采用室内零方程模型对湍流流动进行求解[11-12]，控制方程为N-S方程、能量方程和质量方程。使用有限体积法进行离散，二阶迎风差分格式，SIMPLE算法进行迭代求解[13]。在进行正式模拟之前，进行网格无关性验证。选取188 172、433 575、702 247三种网格，在房间中部高度为1.0 m的平面上沿长度方向均匀设置4个典型位置点，对其进行氨气质量分数监测。结果表明188 172和433 575、433 575和702 247网格下的氨气质量分数最大相对误差分别为6.34%和0.73%。433 575和702 247网格下的结果相近，因此正式模拟网格数设置为433 575。

在该模型中，1)墙体：采用绝热边界，忽略墙体导热和辐射的影响；2)新风送风口：送风速度为0.52 m/s，送风温度为14 ℃，污染物质量分数为0；3)排风口：与送风口遵循质量守恒；4)笼盒：采用block模型，笼盒上的透风网口采用循环风模型，净化效率为0；5)循环空气净化降温装置：采用block模型，进出风口采用循环风模型[12]，净化效率为60%，其中回风口通入室内大空间的空气、出风口向大空间送入经净化后的空气。

3.3 模型验证

为验证模型的有效性，以调研测试中的全新风工况(新风换气次数为20 h-1)、无循环空气净化降温装置(即循环净化换气次数为0)、NH3平均质量分数为1.2 mg/kg作为基准，利用该模型对基准工况进行了模拟计算，该动物房z=3、4、5、6 m截面处的NH3平均质量分数为1.203、1.203、1.174、1.098 mg/kg，其中z=5 m处的模拟结果如图5所示。模拟结果与调研测试的1.2 mg/kg基准相比，最大误差为8.5%，满足误差要求，说明该模型具有良好的模拟仿真效果。

图5 NH3质量分数分布(z=5 m)Fig.5 NH3 mass fraction distribution diagram (z=5 m)

3.4 热湿负荷计算

在提出的新型独立控制空调系统中，新风仅负责满足人员及动物新风需求与处理湿负荷需求，因此新风量为满足二者的最大值。以北京夏季为例，夏季室外设计参数为：干球温度33.5 ℃、湿球温度26.4 ℃、焓值82.0 kJ/kg；根据GB 50447—2008《实验动物设施建筑技术规范》[14]标准要求，实验动物房室内设计温度为20～26 ℃、相对湿度为40%～70%，本文取室内设计参数为：干球温度23 ℃、相对湿度55%。取每间动物房有两名工作人员，每名人员所需新风量为30 m3/h，则人员的新风量需求为60 m3/h；取每间动物房有1 000只小鼠，每只小鼠所需新风量为0.336 m3/h[15]，则小鼠的新风量需求为336 m3/h；因此，该动物房的总新风量需求为396 m3/h。取每间动物房有1 000只小鼠，每只小鼠的散湿量为0.47 g/h[16]，则实验动物房室内总散湿量为0.131 g/s。取新风参数为：送风温度为14 ℃、相对湿度为90%，含湿量8.96 g/(kg干空气)，则处理湿负荷的新风量需求为575.98 m3/h(折合8.53次换气次数)。通过对比人员及动物所需总新风量与处理湿负荷所需新风量的大小，可知新风量换气次数应设置为8.53 h-1。

取实验动物房共有两面外墙，其他均为内部围护结构，外墙传热系数为0.6 W/(m2·K)，室内灯具发热量为200 W，室内设备发热量为200 W，鼠的发热量为2.5 W/只[15]，则设计工况下动物房的负荷结果如表3所示。

表3 动物房负荷统计Tab.3 Load statistics of the laboratory animal room

由于处理湿负荷的新风温度较低，因此其可承担室内部分热负荷。当新风量为8.53 h-1换气次数时，可承担的室内冷负荷为2 102.3 W，室内总冷负荷为3 157.2 W，因此循环风量还需承担1 054.9 W的冷负荷。

4 结果分析

4.1 新型独立控制空调系统

已知新风换气次数为8.53 h-1(固定值)，通过CFD模拟调节循环净化风量(净化效率为60%)，使室内NH3平均质量分数可以达到不高于1.2 mg/kg的要求。随着循环净化风量由1 h-1调节至19 h-1，室内NH3质量分数变化如图6所示，其中循环净化换气次数为1、7、13、19 h-1时的NH3质量分数分布如图7所示。

图6 NH3质量分数变化Fig.6 NH3 mass fraction variation

图7 室内NH3质量分数分布Fig.7 Indoor NH3 mass fraction distribution

由图6和图7可知，随着循环净化换气次数的增大，动物房室内NH3质量分数不断降低，当循环净化换气次数增至13 h-1时，室内NH3平均质量分数刚好低于1.2 mg/kg，此时可满足1.2 mg/kg的基准，说明在控制污染物浓度方面，本文提出的新型独立控制空调系统是有效的。若继续增大循环换气次数，室内NH3质量分数可继续降低，但降低幅度较小，说明当室内NH3浓度已经较小时，继续增大循环净化换气次数对降低浓度的作用较弱。

对于该实验动物房，设置总换气次数为21.53 h-1(新风换气次数为8.53 h-1、循环净化换气次数为13 h-1)，可满足室内NH3质量分数不高于1.2 mg/kg的要求。与传统全新风系统的20 h-1换气次数相比，虽总风量有所增加，但新风量减少了57.4%，有利于降低冷机能耗。

由3.4节可知，该13 h-1循环风还需承担1 054.9 W的冷负荷。已知冷负荷(1 054.9 W)和室内设计状态参数(干球温度23 ℃、相对湿度55%、含湿量9.64 g/(kg干空气))，通过计算可知循环风送风参数为：送风温度19.44 ℃、含湿量9.64 g/(kg干空气)、焓值44.12 kJ/kg。因此，将新风换气次数设置为8.53 h-1、循环净化换气次数设置为13 h-1、循环送风温度设置为19.44 ℃时，可满足室内温度、湿度、污染物浓度均处于规定限值内，保证鼠笼内动物的正常生存，说明本文提出的可实现温、湿、污染物独立控制的新型空调系统是有效的。

4.2 节能性分析

由于设计工况下湿负荷较大，其他工况下湿负荷通常相对较小，对于本文的温、湿、污染物独立控制空调系统，则设计工况下用于处理湿负荷的新风需求量较大，但新风需求量越大，新风机组能耗越大，节能潜力越不显著，因此设计工况下的节能性分析可更为保守地体现出该系统的节能潜力，以确保分析出的节能效果可以达到。本节基于3.4节设计工况下的结果，对设计工况下两种系统的能耗进行了对比。

以北京夏季为例，取两种系统均采用热泵系统，将传统全新风系统(新风换气次数为20 h-1)与温、湿、污染物独立控制的循环净化系统(新风换气次数为8.53 h-1、循环净化换气次数为13 h-1)进行对比分析。取风机单位风量功耗为0.45 W/(m3/h)[17]，热泵制冷效率为3。热泵的蒸发温度每升高1 ℃，制冷效率可提高约3%[18]，由于送风温度由14 ℃升至19.4 ℃，则蒸发温度也可相应提高5.4 ℃，因此高温冷水热泵制冷效率可升至3.486。全新风系统与新型独立控制空调系统的能耗如表4所示。

表4 能耗统计Tab.4 Energy consumption statistics

由表4可知，由于新型独立控制空调系统新风量降低，新风风机的能耗随之降低，但由于新型系统增加了循环空气净化降温装置，则会额外增加循环风机能耗。此外，新风量的减少也降低了热泵的新风负荷，并且由于循环空气净化降温装置处理的循环风温度远低于室外新风，因此循环风的热泵能耗较小，二者的共同作用使热泵功耗大幅降低，总热泵能耗(新风+循环风)降低52.9%。相比于全新风系统，新型空调系统的总能耗降低了47.9%，说明通过对温、湿、污染物的独立控制，新型空调系统具有很好的节能性。