三維熱管在實驗動物設施除濕中的節能應用

吳 強，尤 軍，吳 成，王志毅

(1. 蘇州蘇凈安發空調有限公司，蘇州 215122；2. 南京工業大學，南京 211816；3. 浙江理工大學，杭州 310018)

GB 14925—2010《實驗動物 環境及設施》對實驗動物環境技術指標做了具體的規定，實驗動物設施的空調通風系統應按要求控制溫度與濕度[1-3]。在環境濕度高于指標要求時，一般空調系統對新風進行降溫除濕后，再通過電加熱的方式，將送風溫度提高以符合標準要求。由于該降溫除濕方式存在冷量和熱量相互抵消的問題，導致系統能耗較高。作者采用無功耗的熱管，通過其“三維熱管回路”的特殊設計[4-8]，對冷熱量進行自動分配，一定程度上解決了冷熱抵消問題，從而有效降低設施的運行成本。

1 三維熱管的工作原理

熱管是一種由管殼、吸液芯和工作介質組成的導熱組件，采用相變傳熱的原理，利用管內工作介質吸熱汽化、遇冷液化的特性，介質在蒸汽狀態上升至熱管的冷凝端，液體狀態時在重力作用下回流至蒸發端，通過循環往復實現流經熱管外壁的空氣在兩端的熱量交換。熱管具有造價適中、安裝方便、維護費用低、不產生交叉污染的優點[9]。

三維熱管用于實驗動物設施除濕節能時安裝在空調箱中表冷器兩側，其工作流程為：新風進→初效過濾→三維熱管預冷降溫→表冷器降溫除濕→三維熱管再熱升溫→風機→中、高效過濾→送風。

如圖1所示，由于空調機組（air handle unit，AHU）工作時，表冷器前后的氣流存在一定的溫差，利用三維熱管熱超導的特性，熱量由三維熱管的預冷段轉移至三維熱管的再熱段。空氣經過熱管預冷段后，起到初步的制冷降溫效果，再經過表冷器過冷除濕。過冷后的空氣經過熱管的再熱段，溫度升高至相應的送風溫度。除濕過程中，三維熱管利用內部介質蒸發吸熱/冷凝散熱原理，完成表冷器兩端的熱交換，降低再熱成本。

三維熱管的安裝形式見圖2。除濕節能的三維熱管安裝在空調箱中表冷器兩側，三維熱管維護保養方便簡單，只需定期清洗表面，無需更換耗材，維保費用低；安裝簡單，不需要改變箱體原本結構和增加功能段，改造施工方便，不影響正常的生產活動。

2 三維熱管的節能應用

圖 1 三維熱管工作原理Figure 1 Operating principle of three dimensional heat pipe

圖 2 三維熱管安裝Figure 2 Installation of three dimensional heat pipe

某屏障環境設施空調面積為2 009 m2，其中SPF屏障系統面積為1 000 m2。SPF屏障環境包括一次更衣室、二次更衣室、小鼠飼養室、大鼠飼養室、走廊、滅菌后儲藏室和行為實驗室，潔凈等級為ISO 7級，溫度為20～26 ℃，相對濕度為40%～70%，最大日溫差不高于4 ℃，最小換氣次數不低于20次/h；其中一次更衣室壓力控制為10 Pa，二次更衣室壓力控制為20 Pa，走廊壓力控制為30 Pa，小鼠飼養室、大鼠飼養室、行為實驗室和滅菌后儲藏室壓力控制為40 Pa。

系統采用風量為37 000 m3/h的全新風凈化組合AHU一臺。根據實測，原設施2018年空調系統耗電總費用105萬元。2019年節能改造采用除濕三維熱管，當年夏季使用，總運行時間為2 453 h。環境新風溫度達24 ℃開始制冷運行，不同環境新風溫度的年運行時間見圖3。表冷器出風溫度保持在12 ℃。新風溫度≤31℃，熱管再熱后溫度達不到要求時，由機組電加熱補充；新風溫度≥33 ℃，控制熱管再熱出風溫度≤1 9℃（圖4）。

風量為37 000 m3/h的全新風凈化組合AHU按照設計工況：表冷器處理空氣至12 ℃機器露點，當夏季干濕球溫度為34.4 ℃/28.3 ℃時，安裝除濕三維熱管后，可以免費提供100.45 kW的預冷量和100.45 kW的再熱量（圖5）；降低機組運行時的制冷和再熱的能耗，全年可節約制冷和加熱的費用約2 0萬元（圖6），節約電費比例可以達到20%。

圖 3 不同新風溫度環境的年運行時間Figure 3 Annual running time in different fresh air temperature environments

圖 4 不同新風溫度環境的再熱出風溫度Figure 4 Reheated air outlet in different fresh air temperature environment

圖 5 不同新風溫度環境的回收熱量Figure 5 Recovery of heat from different fresh air temperature environment

圖 6 不同環境新風溫度的節省電費Figure 6 Saving of electricity costs in different fresh air temperature environment

3 結論

由于實驗動物的屏障設施需要長時間不間斷運行，同時需要對溫度和濕度進行嚴格的控制，因此能耗較高。以往的實踐中，也有采用熱管技術在空調系統的新風和排風端進行熱量回收，取得了不錯的節能效果。作者使用三維熱管在實驗動物屏障設施的降溫-除濕-再熱過程中成功地通過回收熱量降低運行成本，適合在濕度較高及持續期較長的地區推廣應用。