獨立通風籠盒系統內傳熱傳質分析

張建平 傅江南

(暨南大學實驗動物管理中心,廣州 510623)

獨立通風籠盒系統(IVC)是一種以飼養盒為單位的獨立通風小型屏障設備，由主機、籠架、籠盒和獨立送排風系統組成，無調節送風參數功能，故籠盒內微環境對室內環境和空調系統的依賴性較大。

目前國內外眾多學者從籠盒更換頻率[1-3]、換氣次數[4]、CO2濃度特性[5]、氨濃度[6]、墊料種類、籠盒空間大小、飼養密度[7-9]等方面對籠盒內微環境進行了大量研究。研究發現，換籠周期為7～14 d，換氣次數為40～120次/h，飼養密度為≤5只/盒，最適宜實驗動物生存生長。以上研究均是基于設施內換氣次數>15次/h(國內)、20次/h～25次/h(國外)，環境參數滿足相關法規標準要求的情況下進行的。如此大的換氣次數使得實驗動物設施空調系統能耗巨大，成為動物實驗領域的一大難題。

目前IVC設備送風方式主要有兩種：①主機從建筑空間內取風;②設備獨立送風，即設施和設備是兩套完全獨立的空調通風系統[10-11]。以上兩種方式在運行時，均可通過風機轉速控制達到節能，無論哪種送風方式，IVC設備均放置在建筑空間內，并且籠盒的密封性較好，籠盒內的空氣不易與室內的空氣進行交換，但是籠盒的材質大多是PPSU和PSU，易導熱，故籠盒內、外存在傳熱。實驗動物生長過程中持續散熱散濕、散放氨氣對籠盒內的微環境影響較大，因此探討籠盒傳熱傳質機理，可對籠盒內微環境和設施內環境及空調系統控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 相關規范及環境指標

目前國內關于IVC的標準有江蘇省的產品地方標準，DB32/T972—2006《實驗動物籠器具 獨立通氣籠盒(IVC)系統》[12]，關于實驗動物設施的標準為：GB 14925—2010《實驗動物 環境及設施》[13]和GB 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規范》[14]，以上標準對實驗動物飼養環境指標做了要求，詳見表1。

1.2 儀器和設備

國產IVC,90籠位二代小鼠獨立通氣籠盒；溫濕度儀(海創高科)、氨濃度監測儀(MX6 IBRID)，均經過獨立第三方校準。

表1 不同標準對環境指標的要求Table 1 Environment parameters requirement of different standards

1.3 環境條件與控制

IVC設備放置在實驗動物屏障設施內[SYXK(粵)2017-0174], 設施內的環境嚴格按照GB 14925要求進行控制，設備運行正常,籠盒的容積為7.6 L，換氣次數(50次/h)及壓差(+20 Pa)通過IVC控制面板進行控制, 其中設備的測試籠盒放置在靠近主機的最下端。

1.4 實驗方法

SPF級基因工程小鼠75只，18～26 g，按1只、2只、3只、4只、5只進行隨機分組，共5組，每組5籠。墊料為玉米芯，所有籠盒均放置于同一籠架，正常飼養。為減少對動物的干擾和保證籠盒的氣密性，溫濕度計的探頭和氨濃度監測儀的軟管均從籠盒現有放置飲水瓶瓶嘴的孔伸入籠盒內中層高度的位置進行檢測。實驗周期為7 d，每天測定籠盒內溫度、濕度、氨濃度3次，取平均值。

1.5 統計方法

2 結果

2.1 籠盒內、外溫度差隨時間變化特性

IVC設備換氣次數設為50次/h，測試周期房間內的溫度控制在21～23 ℃之間。測試結果如圖1所示：籠盒內外溫差均在0～2.5 ℃之間變動，且隨著動物只數的增多籠盒內外溫差有微小增高。在測試時間內，籠盒內外溫差在第4天達到最高。五組實驗中，1只小鼠/籠的溫差變化趨勢不同于其余四組，因為此組籠盒放置在籠架最上部，距設施的送風口較近。但任意兩組相比，無統計學差異(P>0.05)(表2)，即小鼠籠盒內外的溫差受時間的影響較小。

圖1 籠盒內外溫差變化特性Fig.1 Temperature variation characteristics inside and outside the cage

表2 籠盒內外溫差變化情況Table 2 Temperature variation characteristics inside and outside the

注：各組之間溫差值比較，P>0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05，n=21

2.2 相對濕度隨時間的變化特性

IVC設備換氣次數為50次/h，測試周期房間內的相對濕度控制在50%～57%之間。測試結果如圖2所示：籠盒內的相對濕度均高于籠盒外設施內的相對濕度，且籠盒內外相對濕度差隨著天數逐漸增大，在飼養第7天時，當籠盒內小鼠只數大于4只時，籠盒內外相對濕度差大于15%。同時籠盒內小鼠越多，籠盒內外相對濕度差越大。任意兩組相比，當相隔時間=1 d時，無統計學差異(P>0.05)，當相隔時間≥2 d時，有統計學差異(P<0.05)(表3)，即小鼠籠盒內外的相對濕度隨著時間的增加等增大。

圖2 籠盒內外相對濕度差變化特性Fig.2 Humidity variation characteristics inside and outside the cage

表3 籠盒內外相對濕度差變化情況Table 3 Humidity variation characteristics inside and outside the

注：任意兩組相比，當相隔時間=1 d時，P>0.05;當相隔時間≥2 d時，P<0.05，n=21

Note：Consistency among the groups for humidity was evaluated,P>0.05,when the interval time was 1 day; while, when the interval time was equal or greater than 2 day,P<0.05,n=21

2.3 氨濃度隨時間的變化特性

IVC設備換氣次數為50次/h，因籠盒具有密封性，測試周期內，設施內的氨濃度≤5 mg/m3。測試結果如圖3所示：籠盒內外的氨濃度差在第4天之前較小，并且籠盒內的氨濃度也相對較低，<5 mg/m3，而且所有籠盒內的氨濃度相差較小。第5天籠盒內的氨濃度急速增高，之后緩慢增加，每組實驗之間的氨濃度差異增大，并且在第5天時，飼養小鼠為5只的籠盒內氨濃度高于15 mg/m3。氨濃度測試結果與假定值(每組平均值)對比，均有統計學差異(P<0.05)(表4)，即小鼠籠盒內外的氨濃度與小鼠數量和時間均相關。

圖3 籠盒內外氨濃度差變化特性Fig.3 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the cage

表4 籠盒內外氨濃度差變化情況Table 4 Ammonia concentration variation characteristics inside and outside the

注：各組氨濃度值與假定值相比，P<0.05

Note：Consistency among the groups for temperature was evaluated,P>0.05

3 討論

3.1 散熱分析

不同國家標準給定的實驗動物小鼠散熱量如表5所示：

表5中最小的全熱量0.49 w(ASHRAE)為例，假設通過籠盒壁面不傳熱或者傳熱量可忽略，小鼠的散熱量完全由送風承擔，根據熱平衡原理計算消除小鼠散熱所需的通風量[15]。

表5 小鼠散熱量Table 5 Mouse’s rate of heat emission

注：每個籠盒的體積為7.6升，最多飼養5只小鼠，籠盒的導熱系數為0.35 W/m·K，籠盒表面積約0.3 m2，籠盒的厚度0.003 m。

Note:The volume of each cage is 7.6 L, maximum number of breeders is 5, the thermal conductivity of the cage box is 0.35 W/m·K, the surface area of the cage box is about 0.3 m2, and the thickness of the cage box is 0.003 m.

式中：qm—通風量(kg/s)

Q—散熱量(kJ/s)

c—空氣的質量熱容，取c=1.01kJ/(kg.K)

tp—排出空氣的溫度(K)

to—進入空氣的溫度(K)

由公式可知，送風量和送排風溫差為反比例函數的關系，送風量越大，溫差越小，反之亦然。計算結果如表6所示。

表6 送風量和籠盒內外溫差之間的關系Table 6 The link with the air supply volume and the temperature difference inside and outside the cage

根據以上計算結果可知，當IVC籠盒內外的溫差為6 ℃時，籠盒內換氣次數高達到160次/h。計算結果與實際實測值相悖，分析原因可能為：IVC籠盒內小鼠的散熱量并不完全由送風量承擔，其中大部分熱量是以傳熱和對流的形式通過籠盒壁傳到籠盒外即設施內。

3.2 散濕特性分析

根據濕平衡原理計算消除余濕所需的通風量計算式

式中：qm—通風量(kg/s)

W—余濕量(g/s)(小鼠散熱量)

dp—排出空氣的含濕量[g/kg(干空氣)]

do—進入空氣的含濕量[g/kg(干空氣)]

由公式可知，在小鼠散濕量一定時，籠盒內的相對濕度受通風量和送風相對濕度影響。

3.3 氨濃度擴散特性分析

根據風量平衡原理和污染物質量平衡原理計算穩定狀態下所需全面通風量計算式

L—全面通風量(m3/s)

K—安全系數

x—污染物散發量(g/s)

yo—送風中污染物濃度(g/m3)

y2—室內污染物濃度(g/m3)

由上式可知，在小鼠氨氣散發量一定時，籠盒內的氨濃度只與送風量有關。

3.4 結論

以上結果中，相對濕度和氨濃度隨時間的變化與已公開發表的文獻中變化趨勢一致[16]。

通過實測和理論分析得知，為保證籠盒內的溫度滿足小鼠生長，需保證設施內的溫度在19～24 ℃之間，避免籠盒內溫度過高或過低。為保證籠盒內的相對濕度<70%，設備送風的相對濕度建議不超過55%，需通過控制換氣次數來減小籠盒內的氨濃度。