某GLP實驗動物設施空調及通風系統設計研究

歐少華，周 斌，劉吉宏

(上海開純潔凈室技術工程有限公司，上海 200233)

實驗動物環境設施是實驗動物科學發展的基礎和先決條件。動物實驗室的環境控制是保證實驗室人員安全健康和動物實驗數據可靠性的重要措施，而空調及通風系統對實驗室環境的控制起著關鍵作用，因此對實驗動物設施環境的空調及通風系統的研究具有十分重要的意義。目前對動物實驗室的空調系統研究較多[1-3]，但所研究的動物實驗室的規模較小或者動物種類較少。隨著生命科學研究和生物醫藥產業的發展，對實驗動物設施的規模和實驗動物種類多樣性要求也越來越高。本文以某機構GLP中心建設項目為研究對象，對其空調和通風系統進行研究分析，以其結果對其他GLP動物實驗設施的建設提供一些具有參考價值的數據。

1 項目概況

本項目的建設地點位于深圳市，總建筑面積為48 259平方米，其中動物實驗室的面積約13 200平方米，建筑高度為94.8米，其中動物實驗室的層高均為5.1米。具體樓層信息如表1所示。

2 空調及通風系統介紹

2.1 冷熱源

本項目的冷源采用雙工況冰蓄冷工藝為空調系統提供冷水，額定制冷工況的冷水進出溫度為5℃/13℃，冷卻水進出水溫為37℃/32℃。熱源采用蒸汽發生器，為工藝設備和空調加濕提供0.2～0.5 MPa的蒸汽，通過板式換熱器為空調系統提供進出溫度為50℃/60℃的熱水。

2.2 室內設計參數

在滿足相關規范[4-5]要求情況下，結合本項目特點以及節能考慮，對主要的室內環境參數進行了優化設計:考慮到不同運行模式所需求的風量差異較大，且不同動物對溫濕度的要求也有所差異，因此本項目中的換氣次數在滿足使用需求的情況下，采用變風量節能設計，詳見表2。

2.3 空調送風系統

2.3.1 空調系統劃分

根據工藝條件及功能分區，不同動物實驗室之間的送排風系統獨立設計，避免交叉污染。為了防止臭味的蓄積，所有動物實驗室的空調系統均采用直流式全新風方式。以下以清洗前后區的空調系統以及SPF級小鼠實驗室的空調系統為例進行分析。

2.3.2 清洗區的空調系統

該區域是動物籠盒、籠具和水瓶等集中清洗消毒區，以及臟墊料集中收集處理區，也是工作人員人數最多、工作時間最長的區域[5]。此區域涉及到的工藝設備較多，設備和蒸汽發熱量較大，臟墊料的異味較濃，因此該區的空調及通風系統設計是否合理關系到工作人員的舒適性以及運行的節能性問題。通過精確計算我們發現所有設備的總排風量與房間按換氣次數所計算的排風量接近，因此從空調系統運行穩定性出發，采用了總送風量和總排風量恒定的空調系統，整個區域設計為負壓，避免清洗區的異味外溢。另外，根據不同排風設備開啟的情況，調整房間排風量的大小，使設備和房間的總排風量恒定。

表1 項目樓層信息Table 1 Floor information

清洗區的空調通風系統原理圖詳見圖1，其中清洗后區空調運行控制邏輯為:如果所有設備均不開啟，房間送風量9000 m3/h，排風量11 200 m3/h；如果設備全部開啟，設備排風量為7600 m3/h，房間排風量降到3600 m3/h，總排風量仍為11 200 m3/h，房間送風仍為9000 m3/h。清洗前區空調運行控制邏輯為:如果所有設備均不開啟，房間送風量11 000 m3/h，排風量13 600 m3/h，如果設備全部開啟，設備排風量為9800 m3/h，房間排風量降到3800 m3/h，總排風量仍為13 600 m3/h，房間送風仍為11 000 m3/h。

2.3.3 屏障環境的空調系統

根據動物實驗屏障環境的要求，以及結合本項目的飼養動物種類，本項目以18層某SPF級大鼠飼養室的空調系統為例進行分析。與常規的空調系統相比，該系統具體如下特點:

(1)為維持屏障環境內的空調系統24 h連續不間斷運行，選用雙通道空調箱[5]，即該組合式空調機組由新風段、初效過濾段、檢修段、風機段、中效過濾段、快速切換止回裝置段、中間段(以上所有段均為一用一備)、制冷盤管段、制熱/再熱盤管段、蒸汽加濕段、出風段構成，詳見圖2。即當風機發生故障，或者更換過濾裝置時，空調機組仍能保證正常運行；

表2 主要動物實驗室的室內環境參數Table 2 Room environment parameters for main lab animal labs

圖1 清洗區空調系統原理圖Figure 1 HVAC system scheme for washing area

(2)房間送排風管均安裝變風量文丘里閥，在滿足室內溫濕度、氨氣、二氧化碳濃度的情況，實現變風量節能運行。

2.4 排風系統

動物實驗室的排風系統[5-6]中除了含有氨氣、硫化氫等臭氣，還含有動物毛發、糞便等固體。為滿足環保的排放要求，本項目的排風先經過房間的帶初效尼龍網過濾的齒輪式排風口，除去大部分的毛發和糞便，再通過排風機組后導入納米半導體光催化模塊，即采用MnOx-TiO2復合物作為催化劑，選用真空紫外燈管作為催化光源，氧化分解氣流中的TVOCs等大分子有機物，使部分難溶于水的臭味分子分解為可溶性小分子。然后再將經過光催化后的氣體導入氣液擾流凈化裝置，通過擾流球的擾動作用形成微渦旋，與向下散布霧化噴淋液充分交融，將廢氣中的可懸浮顆粒物、光催化分解產物、臭氧、氨氣、硫化氫等空氣污染物由氣相轉入液相，從而達到凈化空氣除臭的目的。此外，張忍虎[6]對經過該噴淋除臭處理之后的廢水進行了工程實測，結果顯示廢水中的氨氮及硫化物濃度均滿足環保要求。

2.5 氣流組織

規范[5]規定，屏障設施凈化區的氣流組織宜采用上送下回(排)方式。為了提高通風效率，使室內氣流組織更合理，本項目在動物實驗室兩側設計了250～300 mm的排風夾道，根據動物實驗室的大小以及動物籠具的布置情況，靈活地布置排風口(以四角下排風為主)。目前，國內對動物實驗室的氣流組織的研究[3，7-8]主要都是從溫濕度和吹風感的角度對氣流組織進行優化分析，而對動物實驗室內部的臭味少有研究。根據部分動物實驗室使用方的反饋，盡管采用了上送下排的氣流組織形式，但室內臭氣還是較明顯。筆者認為主要原因是動物實驗室的主要臭味來源是氨氣，其密度比空氣輕，易集聚于天花之下，僅設計下排風不利于氨氣的排放。因此，本項目在上送下排氣流組織基礎上，輔助設計頂排風口。

此外，通過CFD數值模擬軟件進行輔助量化分析，對比上送下排輔助頂排方式和上送下排方式的室內氨氣濃度情況。為了簡化計算，對物理模型和數學模型進行了如下簡化和假設:

圖2 某屏障環境空調系統原理圖Figure 2 Barrier HVAC system scheme

物理模型:選取本項目中的某大鼠實驗室，長×寬×高＝6.5 m×3.7 m×2.5 m。室內設有4個長×寬×高＝1.8 m×0.5 m×2.0 m的大鼠IVC籠架，每個籠架有35個大鼠籠盒，考慮到非滿負荷飼養，每個籠盒暫按飼養2只大鼠計算，每只大鼠發熱量6.33 W[5]，每個籠架的發熱量為433 W。另外，籠盒內的動物及臟墊料是臭味氨氣的釋放源，其釋放量與動物的飼養量以及墊料的更換頻率密切相關。為簡化計算，將整個籠具作為體污染源，恒定釋放濃度為10 mg/m3。房間設有兩個高效送風口的尺寸為0.48 m×0.48 m，送風口風速為0.94 m，送風溫度為18℃，每個送風口的風量780 m3/h。下排風口的尺寸為0.4 m×0.2 m，距地0.15 m。上送下排輔助頂排方式(以下簡稱模型1)在房間的頂部四角設計了0.2 m×0.2 m的4個排風口，每個風口排風量為100 m3/h，詳見圖3。僅上送下排方式(以下簡稱模型2)，不設計頂排風。詳見圖4。

數學模型:本模擬采用室內零方程模型，清華大學趙彬等[9]通過實驗及模擬對比發現，在非等溫流動的空調通風領域中，室內零方程比標準k-ε雙方程模型的模擬結果精度更高，計算速度更快。另外，將室內空氣視為理想氣體，符合Boussinesq假設，流動為穩態流動。

結果表明，模型1的整個房間氨氣濃度為3.42 ppm，人員呼吸高度(約1.4～1.8 m)氨氣濃度為3.45 ppm，模型2的整個房間氨氣濃度3.81 ppm，人員呼吸高度氨氣濃度為3.90 ppm，即增加了輔助頂排之后，室內氨氣的平均濃度能降低約10%，詳見圖5～圖7。

2.6 空調自控系統：

2.6.1 壓差控制

為了保證動物實驗室在正常工作或者空氣平衡暫時受到破壞時，氣流都能從空氣潔凈度高的區域流向空氣潔凈度低的區域，動物實驗室的設計必須保持一定的壓差[5]。目前，對于壓差控制方法主要有純壓差控制法和余風量控制法，以及兩者混合控制法。由于受房間門的開關、室內通風柜調節門的移動以及人員運動等諸多因素對室內壓力帶來的擾動，如果采用純壓差控制法，控制系統的波動性會較大[10]，而如果僅采用余風量控制，隨著設施運行時間的推進，房間的氣密性會變化，從而導致室內的壓力值會偏離原設計值[11]。

結合純壓差控制法和余風量控制法的特點，本項目采用混合控制法，即以余風量差作為基本的控制依據，然后通過設置壓差傳感器以及控制器來設定余風量控制系統的余風量值。此外，在房間送排風量主管上均安裝了變風量文丘里閥，通過送排風的風量差來維持房間的設定壓力值，并參考壓差傳感器的值，每半年或一年重新校訂余風量值。

圖3 上送下排輔助頂排的物理模型(模型1)Figure 3 Physic Model of Ceiling SA/Wall EA plus Ceiling EA assistance(Model 1)

圖4 上送下排的物理模型(模型2)Figure 4 Physical Model of Ceiling SA/Wall EA(Model 2)

本項目的所有屏障環境的動物實驗室設計為正壓實驗室，凈化空調系統的送、排風機的聯鎖關系為:先開送風機，后開排風機；關閉時先關排風機，后關送風機。所有普通級動物的實驗室設計為負壓實驗室，空調系統的連鎖程序與上述正壓實驗室相反。

2.6.2 室內空氣品質及節能控制

圖5 X＝0.45 m的氨氣濃度場(模型1)Figure 5 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 1)

圖6 X＝0.45 m的氨氣濃度場(模型2)Figure 6 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 2)

圖7 模型1與模型2室內氨氣濃度與垂直高度的關系Figure 7 Relationship of NH3 and Room Height in Model 1＆2

動物實驗室的溫濕度、氨氣濃度等室內參數與實驗室的運行模式、動物飼養量以及墊料更換頻率均密切相關。為滿足動物實驗室的室內空氣品質要求，常規設計的空調系統采用全新風直流式空調系統，且換氣次數大，運行能耗和碳排放指標均較高。因此，空調系統的節能減排問題備受大家關注。Gordon等[12]通過對美國三類動物實驗室(包括非人靈長類動物實驗室、帶通風籠具的嚙齒類動物實驗室和開放式籠具的嚙齒類動物實驗室)進行了約100 000 h的TVOC及氨氣濃度的數據進行采集分析，結果表明約98.5%的運行時間內，動物實驗室的換氣次數達到每小時6次即可保證TVOC及氨氣濃度指數達標。因此，在動物實驗室采用基于需求的變風量控制模式可通過降低換氣次數，實現節能減排目的。

此外，由于動物實驗室在不同控制工況下的室內人員狀況、實驗動物狀態、環境控制參數要求均不同，動物實驗室有5種典型的運行模式[13-15]:上班運行狀態、下班運行狀態、備用運行狀態、自凈狀態和緊急狀態，所以空調系統的送排風量需與動物實驗室的運作模式相對應，從而即能達到實驗需求，又能實現節能運行。

本項目在滿足動物實驗室正常運行需求的情況下，為實現節能運行，采用基于需求的變風量控制模式，在動物實驗室的送排風管上均安裝了變風量文丘里閥，并且配置了AIRCUITY空氣品質檢測系統，可實現對空調系統送風主管上以及每個重要動物實驗室的排風管上的空氣進行分散采樣、集中測量分析。對采樣空氣進行測量的物質有:總揮發性有機物(TVOC)、氨氣、二氧化碳、溫度、相對濕度。將測量值與室內空氣品質限定的最小值進行對比，分別求出滿足室內該五項指標的最小送風量，然后取五項最小送風量的最大值，且不低于規范規定的非工作模式的最小換氣次數[4-5]，并聯動房間送排風變風量文丘里閥，實現真正的基于需求的變風量控制目的。

3 結語

本項目目前正在施工中，預計2020年上半年進行空調調試及有關竣工驗收，下半年正式投入使用，實際運行情況有待后續考證。通過對動物實驗室空調系統特點的調研分析，筆者認為動物實驗室的空調系統在設計時還需重點關注以下幾點問題:

1)目前，大多數的動物實驗室采用全新風直流式空調系統，運行能耗較大，如何在避免交叉污染的情況下，實現節能運行，是設計關注重點之一。

2)用于動物實驗室廢氣處理的技術較多，包括有紫外線光解法、活性炭吸附法、等離子光解法、液體噴淋法等，還需要對各種技術從除臭效率、經濟性和環保角度進行對比分析。

3)隨著計算機配置的提高，采用數值模擬(CFD)技術輔助優化氣流組織，提高空調的通風效率，將成為經濟可行的方案，特別是針對室內空氣品質要求較高的動物實驗室。