空气载能辐射空调系统在实验动物房中的应用分析

龚光彩，陈湘，刘激扬，彭佩，安珂慧，陈盟君

（湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082）

实验动物目前被广泛应用于生物医学和自然界各种规律的研究中，为了保证实验结果的准确性，实验动物的质量也需要得到保证.调查显示［1］，我国在越来越多的行业中都使用到了实验动物且对实验动物的要求不断提高，尤其是在医学研究、疫苗生产、药物研发和药物评价等领域.可见，随着社会经济的发展及科学技术的进步，在数量与质量方面都对实验动物提出了更高的要求.此前一些学者对实验动物设施的环境有所研究.Schmidek 等［2］研究发现，当温度低于24 ℃或者高于30 ℃时，小鼠睡觉时间减少，虚弱期增加.Andrews［3］指出饲养小鼠的标准实验动物环境温度在20～24 ℃，但小鼠的热中性环境在26～34 ℃.Gaskill 等［4］的研究表明，从性别方面来看，20～24 ℃的环境并不能保证雌性和雄性实验动物的所有行为都处于正常状态，小鼠更倾向于待在与其热中性环境相近的区域.杜颖等［5］发现当室内的相对湿度超过70%时，实验兔类的脚皮炎发病率随湿度增加而明显升高.Taylor等［6］发现湿度太低易造成小鼠环尾症.徐磊等［7］研究了氨气浓度对大小鼠繁育及生长性能的影响，发现高浓度的氨气对大小鼠的受孕率没有显著影响，但会导致其生长比较缓慢.Krohn 等［8］研究了IVC 系统中不同风速水平以及不同换气次数对动物的影响，结果表明，当出风口的风速为0.5 m∕s 时，笼内通风换气次数应保证80 次∕h.Geertsema 等［9］对独立排风IVC 系统做了研究，结果表明，在保证室内和笼内空气质量合理的条件下，室内的通风换气次数可以减少到5～6 次∕h.龚光彩等［10］研究了复合式空气载能辐射空调的供暖性能，发现其能很好地避免局部不舒适感且较为节能.现有的环境控制技术及设施适应性差，无法有效满足各类典型实验动物设施环境控制要求，可能出现空调系统结露、动物表皮产生霉菌、动物福利差等问题.因此，为了保证实验动物的质量以及满足实验动物福利要求，实验动物环境的相关指标（温度、湿度、压差、洁净度等）就需要得到更严格的控制.由于实验动物房全新风系统居多，相较于普通空调系统，能耗更高，并且运行时间更长，因此产生的运行费用更高.但是，高能耗也代表了其具有很大的节能潜力.如何在保证实验动物质量与动物福利的同时，又能兼顾节能，对于推动实验动物学高质量高标准的发展、实现我国提出的碳中和目标具有重要的意义.

因此本文提出将空气载能空调应用到实验动物房中，并通过CFD 模拟方法，比较在相同情况下使用空气载能辐射空调末端与传统上送下回式空调末端的实验动物房内环境参数的情况，对实验动物房的节能及实验动物的福利保障进行探讨，为建设满足“三低”（低能耗、低风速、低温度梯度）要求的实验动物设施提供参考.

1 实验对象

1.1 实验对象及场地

本文以湖南省长沙市某生物公司的一间SPF 级实验动物房为模型进行模拟研究.图1 所示实验动物房尺寸为3.96 m×2.7 m×2.7 m（其中缓冲蓄能区高度为0.3 m）.送风口尺寸为0.3 m×0.4 m.排风口设置在房间四个角落，布置在离地0.1 m 的高度，风口尺寸为0.3 m×0.2 m.实验兔数量：24 只；托盘数量：6个.实验兔几何模型参考日本大耳兔，体长49～54 cm，胸围29～33 cm.图2 所示为ICEM 中空气载能辐射空调实验动物房模型图.

图1 实验动物房实景图Fig.1 Realistic picture of laboratory animal room

图2 空气载能辐射空调实验动物房模型图Fig.2 Model of the laboratory animal room model with ACERS

1.2 空气载能辐射空调

空气载能辐射空调是近年来发展的新型辐射型空调末端，以空气作为能量的载体，载能空气在房间上部的缓冲蓄能区内循环对流传热给微孔辐射孔板，使辐射孔板获得相对均匀的温度分布并对室内进行辐射传热，以达到制冷制热的目的.

2 实验方法

2.1 控制方程

在此模拟过程中，所有的传热传质过程始终满足质量守恒、动量守恒、能量守恒，且当流动中存在空气和水蒸气的混合物时，还满足组分守恒.

连续性方程即质量守恒方程为：

式中：ρ为密度；u为速度矢量.

动量守恒方程，即N-S 方程，当流体不可压缩时，其表达式如下：

式中：p为压力；μ为动力黏度；μr为湍流黏度.

能量守恒定律在本质上即是热力学第一定律，对于常物性、不可压缩流体，其能量方程表达式为：

式中：cp为比热容；k为传热系数；ST为源项.

在系统中可能存在质交换的情况或者存在多种化学组分，在本研究中即存在空气和水蒸气混合存在的情况，其应满足的组分质量守恒方程为：

式中：Yi为组分i的质量分数；ρ为密度，kg∕m3；Ri为由化学反应产生组分i的速率，kg∕s；Si是由散发源和用户定义的源项产生组分i的速率，kg∕s.由于在实验室内不发生化学反应并且没有额外的散发源，因此Ri和Si部分可以忽略.Ji是组分i的扩散通量，kg∕（m2·s），在湍流系统中由下式表示：

式中：Di，m为组分i的扩散系数；Sct是紊流施密特数，其默认值为0.7；μτ是湍流黏度，kg∕（m·s）.

2.2 CFD模拟设置

2.2.1 计算设置

考虑重力的作用将竖向加速度设置为-9.81 m∕s2，采用SIMPLEC 压力速度耦合算法，考虑到研究内容及网格量，本文选取离散坐标（DO）辐射模型.结合研究需要，本文采用RNGk-ε湍流模型进行模拟［11］.为了加快计算收敛速度，先使用一阶算法，达到稳定状态后再调整至二阶算法，同时调节松弛因子，每2 000 步保存一个数据文件.计算工况的残差设置为u、v、w、k、ε，水蒸气浓度残差小于10-3，温度残差小于10-6，确保达到收敛后计算结果的稳定性.

2.2.2 边界条件

1）考虑到实验动物房保温效果好，且与隔壁房间均为空调房间，故假设房间之间不存在换热，将壁面当绝热面处理.

2）因为兔子为恒温动物，所以按照39 ℃的等温体处理［12］.

3）目前暂无有关实验兔氨气散发量的具体数据，通过查阅相关资料［13］，假设一个实验兔的氨气散发量为0.01 mg∕s，散发源为实验兔笼架区域所在空间.

4）送风口设置为速度入口，送风温度设置为20℃，相对湿度60%.

2.2.3 网格独立性测试

在正式计算之前选择了3 组网格密度不同的网格试算，结果如表1所示.

由表1 可见网格2 与网格3 差距不大，因此之后的计算用网格2足以满足本文计算要求.

表1 网格独立性验证Tab.1 Grid independence validation

3 结果与讨论

3.1 风速分析

图3 为采用空气载能辐射空调末端的实验动物房室内气流速度分布图.缓冲蓄能区内部空气流速较大，接近于送风风速，但是由于辐射孔板的阻挡作用，进入实验动物房内的空气流速比较小且分布均匀，其内部最大风速为0.32 m∕s，出现在墙壁附近，离实验动物区域相对较远.因缓冲蓄能区空腔内送风口不对称分布，故房间内气流组织也非对称分布，室内平均风速为0.1 m∕s，在笼架附近的风速更低，仅有0.08 m∕s，均低于国家标准所要求的0.2 m∕s.

图4 为传统上送下回式空调末端条件下室内气流速度分布图，室内气流速度分层现象明显，送风口下方风速较大.由于回流作用，地面处风速相对较高，平均风速超过了0.2 m∕s，在笼架附近处，气流速度比较稳定且不高，只有底层实验动物的下方和后方有局部区域达到了0.2 m∕s，仍符合国家标准要求.

相较于采用传统上送下回式空调末端的实验动物房来说，采用空气载能辐射空调末端的实验动物房内气流速度分布更加均匀稳定，且缓冲蓄能区以下的部分平均风速很低.因此，在采用空气载能辐射空调末端的实验动物房内，动物笼架摆放的位置不必受到风口位置的制约，笼架的布置更加灵活，为实验动物房内部的设计布局带来了一定的便利.

3.2 温湿度分析

图5、图6 所示分别为采用空气载能辐射空调和传统上送下回式空调为末端的实验动物房内从横纵两个方向截取到的实验动物房典型截面的温度分布情况.从图5 中可看到，采用空气载能辐射空调的实验动物房，由于房间内存在实验动物的散热，房间顶部的缓冲区温度低于房间内平均水平，但整个房间内的温度分布比较均匀，都在28～34 ℃，因为模型的设置问题，高温出现在实验兔附近，房间内大部分空间实际温度在28～30 ℃，室内垂直温度梯度和水平方向的温度分布差值均较小.从图6 中可看出，采用传统上送下回式空调的实验动物房，垂直方向温度梯度较大，房间内温度分层较强，出现了上热下冷的现象，房间温度在24～34℃，温差较大.

图5 空气载能辐射空调末端典型截面温度分布Fig.5 Temperature distribution of typical section of ACERS terminal

图6 传统上送下回式空调末端典型截面温度分布Fig.6 Temperature distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

从图7 中可见，只有缓冲蓄能区内部湿度较高，室内的相对湿度分布比较均匀并且较低，实验动物处由于局部环境温度较高，因此其相对湿度较低，但这是本文研究中没有将实验兔及尿液粪便作为湿源考虑的结果.根据实验经验，如果加上散湿源，整个房间的相对湿度能保持在标准［14］规定的40%～70%之间.

图7 空气载能辐射空调末端典型截面湿度分布Fig.7 Relative humidity distribution of typical section of ACERS terminal

区别于毛细管辐射空调，在本文研究中空气载能辐射空调体现出了更不易结露的性质，辐射孔板0.3 m 高度区域截面最大相对湿度（RHmax）、最低温度（Tmin）和露点温度（td），如表2 所示.可见，各个截面上的最低温度远远高于该截面对应的露点温度，而且随着高度的降低，其截面呈现最低温度上升、最大相对湿度下降的趋势，因此，空气载能辐射空调没有结露风险.本文的研究对象为SPF 级实验动物房，与相对封闭的IVC 系统相比，实验动物局部环境更加开放，室内空气流通性更好，不会出现水分聚集在封闭笼具内的情况.

表2 辐射孔板的结露分析Tab.2 Dew condensation analysis of radiant orifice plate

可见，与传统上送下回式空调末端相比，空气载能式辐射空调末端更能兼顾到实验动物房内不同位置的动物对温湿度的需求，不会像对流末端那样出现很强的温度分层以及湿度分布不均的现象，能更好地控制细菌与霉菌的滋生，能更好地满足动物福利的要求.

3.3 污染物浓度分析

从图8 中可见采用空气载能辐射空调末端的实验动物房室内氨质量浓度分布比较均匀，污染物已经得到充分扩散，其中缓冲蓄能区内氨质量浓度最低，墙壁及地面处较低，实验动物房内部平均氨质量浓度为0.87 mg∕m³.而动物笼架处氨浓度相对较高，说明当达到稳定时，尽管室内通风较好，但由于动物托盘的阻挡作用，实验动物区域整体的氨质量浓度还是要高一些.图9 中采用传统上送下回式空调末端的实验动物房内由于较强的气流的作用，氨气质量浓度的分层也较为明显，地面处较低，天花板处较高，污染物已经得到了充分扩散，房间内整体氨质量浓度为0.41 mg∕m³.

图8 空气载能辐射空调末端典型截面氨质量浓度分布Fig.8 Ammonia concentration distribution of typical section of ACERS terminal

图9 传统上送下回式空调末端典型截面氨质量浓度分布Fig.9 Ammonia concentration distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

由于气流扩散速度等原因，相较于传统空调末端，空气载能辐射空调末端下污染物排除要慢一些，但是当达到稳定时，其含量都远远小于国家标准所规定的14 mg∕m³.因此空气载能辐射空调在排除污染物这一项指标上是可以接受的.值得注意的是，尽管氨气浓度符合国家标准要求，但其产生的异味对实验动物和进去操作的工作人员都是不利的，应通过定期检测及周期性提高换气次数等方式来加强通风，避免污染物聚集造成不良后果.

3.4 换气次数分析

为了研究改变空气载能辐射空调的换气次数对实验动物房的环境参数的影响，在模型中分别取位于兔子头部附近、笼架外部、回风口附近的5 个观测点（2.7，1.35，0.4）、（2.7，1.35，1.5）、（2.7，0.7，0.4）、（2.7，0.7，1.5）、（3.8，0.1，0.2）测量数据.从图10 可见，改变空气载能辐射空调的换气次数，除靠近出风口的观测点5 风速较大且风速随换气次数的增加变化较大外，其他点的风速分布变化并不大，且实验动物房整体风速分布变化不大，都在0.1 m∕s以下，低于规范要求的0.2 m∕s.因空气载能辐射空调保证的是整个房间内的风速分布均匀，增大换气次数在一定程度上增加了送风口风速，但对于整个房间的风速分布增量很小，所以增大换气次数对房间风速分布的影响不会很大，且相对于对流空调而言其均匀度有了非常大的改善.温度呈现出随着换气次数增加而降低的趋势，在21次∕h时达到了27.5 ℃左右.相对湿度在换气次数达到15次∕h后随换气次数增加上升较缓慢，大部分都在40%～52%之间.氨气质量浓度随换气次数的增加有所降低，但在换气次数达到18次∕h 之后变化很小，换气次数达到18 次∕h 之后氨气质量浓度稳定在0.8 mg∕m³附近.

图10 不同换气次数下风速、温湿度、氨气质量浓度的变化Fig.10 Variation of velocity，temperature，relative humidity and ammonia concentration under different ventilation times

可见，改变空气载能辐射空调的换气次数，对实验动物房动物饲养区域的风速影响不大；对温度有一定影响，但影响不大；对相对湿度有一定影响，但影响较小；而对于实验动物房氨气质量浓度的影响是有限的，当换气次数达到一定次数后，氨气浓度基本不再发生变化.这为实验动物房的节能及动物福利的研究提供了一定的参考.

3.5 温度梯度比较

为了验证模拟结果的可靠性，在实验动物房用温湿度测量仪进行了实验.选取动物饲养区域的6个点，测量了每个点0.3 m 与1.5 m 高度处的温度，并计算其温度梯度，将所得结果与CFD 模拟结果进行对比，结果如表3所示.

表3 温度梯度比较Tab.3 Temperature gradient comparison

由表3 可见，实验动物房中实际测量的温度梯度范围为0.16～0.36 ℃∕m，而模拟结果范围为0.04～0.46 ℃∕m，实测与模拟的温度梯度在接近的范围内，而且都小于0.5 ℃∕m，处于较低的水平，这说明模拟结果具有较好的可靠性；同时表明温度场十分均匀，有利于保证动物福利.

4 结论

通过CFD 模拟，对比了应用空气载能辐射空调系统和传统上送下回式空调系统的实验动物房的环境情况，得到如下主要结论：

1）空气载能辐射空调将室内所有位置风速控制在了0.2 m∕s 以内，这在很大程度上减少了对流空调带来的吹风感，改善了对流空调房间风速分布不均的情况，这为实验动物在饲养过程中的健康提供了保障.

2）空气载能辐射空调的应用在很大程度上改善了实验动物房垂直温度梯度过大的问题，减弱了温度分层的情况，温度场非常均匀，温度梯度在0.46℃∕m以下，减少了实验动物出现病态的可能性.

3）空气载能辐射空调解决了对流空调易出现的空间湿度分布不均以及普通辐射空调出现的辐射板易结露的问题，能使室内相对湿度保持在40%～70%且孔板附近温度高于露点温度6～12 ℃，避免了实验动物房出现细菌以及霉菌，为实验动物的健康提供了保障.

4）空气载能辐射空调在提供了足够的冷量的情况下，当换气次数达到18次∕h以上时，再增加换气次数，实际上对实验动物房的风速、湿度、氨气质量浓度影响不大，这就说明在现行标准下，空气载能辐射空调还是具有一定的节能潜力.

空气载能辐射空调的使用改善了实验动物房中风速分布不均、温度梯度过大、能耗过高的问题，为建设满足“三低”要求的实验动物设施提供了一种可行的途径，为改善实验动物福利以及节能提供了参考.