基于節能的實驗動物人工環境氣流組織數值模擬

鐘加晨王志毅?吳 強

(1.浙江理工大學,杭州 310018; 2.江蘇蘇凈集團有限公司,江蘇蘇州 215122)

實驗動物設施空調系統對房間熱濕、潔凈環境的控制起著關鍵作用,影響實驗動物能否健康舒適地生長。實驗動物設施作為潔凈室的一種,相比于普通空調系統,其空調系統能耗高得多,如何降低能耗是一個很重要的問題。合適的換氣次數和室內污染物分布、節能之間存在一定的耦合關系[1],且合適的氣流組織是降低換氣次數的關鍵。送風速度、送風口大小、形狀、位置、類型,排風速度,排風口數量和位置,籠具布置等因素都會影響氣流組織。

歐少華等[2]結合計算流體動力學模擬技術得出采用上送下排輔助頂排風的方式有助于降低室內氨氣濃度的結論。孫照燕[3]對嚴寒地區SPF 雞場生物潔凈室模擬研究了排風口面積、送風口面積、養殖層距地高度等因素對氣流組織的影響。解茜等[4]、王燕平等[5]以氨氣為代表,對不同氣流組織形式下實驗動物設施內污染物的濃度和分布進行了分析和比較。蔣新波等[6-8]人模擬分析了實驗動物設施房間的內外環境空氣壓差、實驗動物房間內的幾種典型氣流組織以及不同迎風面的壓強分布。唐飚等[9]基于CFD 模擬,通過對具體工程的實驗動物設施氣流組織的模擬分析,研究實驗動物設施房間內最佳的換氣次數。

已有的關于實驗動物設施的規范主要是實驗動物環境及設施[10]和實驗動物設施建筑技術規范[11]。本文擬通過一個工程實例,先計算屏障環境實驗動物設施房間的夏季空調冷負荷,分析換氣次數和冷負荷指標的關系,然后通過數值模擬分析排風口和籠具位置對氣流組織的影響,最后給出基于節能的實驗動物人工環境氣流組織優化建議。

1 負荷計算

某屏障環境實驗動物設施位于上海某大學內,面積為179 m2,層高為2.5 m,供大學教學實驗用。屏障環境包括混合走廊、行為實驗室、小鼠飼養室、大鼠飼養室、過程實驗室、滅菌后儲藏室、冰箱間、一次更衣室、二次更衣室以及氣閘室。空氣潔凈度為ISO7 級,溫度范圍為 20℃ ～26℃,濕度范圍為40%～70%,最大日溫差不高于4℃,最小換氣次數不低于15 次每小時,噪聲不高于60 分貝。

實驗動物設施夏季空調冷負荷包括:通過圍護結構傳熱形成的冷負荷、空調新風冷負荷以及通過室內熱源散熱形成的冷負荷,包括設備、照明、人體以及動物散熱形成的冷負荷。室內照明為T5 型節能燈,設備包括換籠站、動物墊料負壓處置柜、萬向吸氣臂以及籠具等。

實驗動物設施空調區冷負荷的計算采用冷負荷系數法[12],通過圍護結構傳熱形成的冷負荷最大為5901 W,出現在下午四點。混合走廊、行為實驗室、小鼠飼養室等10 個房間的夏季空調室內設計溫度為23℃,設計相對濕度為60%。上海地區夏季空調室外計算干球溫度為34.6℃。如表1 所示。各冷負荷占比餅圖如圖1 所示。

由圖1 分析可得,實驗動物房夏季空調冷負荷中空調新風冷負荷占比最高,為92.25%,其次是通過圍護結構傳熱形成的冷負荷,占比為6.01%,其余通過設備、照明以及人體散熱形成的冷負荷三者之和的占比僅為1.74%。對于常規空調系統,其夏季空調新風冷負荷占比一般在35%～50%,遠低于實驗動物設施空調系統。將換氣次數從每小時1 次依次增加至每小時25 次,分別計算對應的冷負荷指標和新風冷負荷占比。換氣次數和冷負荷指標的關系如圖2 所示,換氣次數和新風冷負荷占比的關系如圖3 所示。

由圖2 分析可得,實驗動物房夏季空調新風冷負荷指標和換氣次數呈現線性關系,擬合的直線關系式為y =42.51+33.72x。換氣次數每小時每提高一次,實驗動物房夏季空調新風冷負荷指標增加33.72 W/m2。當換氣次數從每小時25 次降低至每小時15 次,節能率為38.08%;當換氣次數從每小時15 次降低至每小時5 次,節能率為61.49%。

由圖3 分析可得,當換氣次數為每小時1 次,新風冷負荷占比為44.24%。當換氣次數為每小時2次,新風冷負荷占比為61.34%。當換氣次數達到國家標準推薦的每小時15 次,新風冷負荷占比為92.25%,通過圍護結構傳熱、通過人體、照明、設備等散熱形成的冷負荷只占7.75%。分別計算獨立通氣籠具系統和開放式籠具系統的新風冷負荷,獨立通氣籠具系統內部新風換氣次數設置為每小時15 次,由于獨立通氣籠具將實驗動物所處的小環境與外部大環境隔離開,有效避免了實驗動物對外部大環境的污染,故外部大環境對新風換氣次數的要求大大降低,設置為5 次/小時,而傳統的開放式籠具系統,整個房間的新風換氣次數仍需要設置為每小時15 次。采用獨立通氣籠具系統的小鼠飼養室,新風冷負荷指標為189 W/m2。相對于開放式籠具系統,新風冷負荷指標每平方米降低了317 W,降低率為62.6%。

表1 冷負荷計算結果Table 1 Cooling load calculation results

圖1 各冷負荷占比餅圖Figure 1 Pie chart of cooling load ratio

圖2 換氣次數和冷負荷指標的關系Figure 2 Relationship between air changes and cooling load index

圖3 換氣次數和新風冷負荷占比的關系Figure 3 Relationship between air changes and fresh air cooling load ratio

2 模型建立

2.1 物理模型

為了準確的分析實驗動物房的人工環境氣流組織,本次研究借助于商業軟件對其進行模擬與分析,來達到全面掌握其氣流組織的目的,運用FLUENT 公司開發的軟件Airpak 進行數值模擬與計算。模擬的對象是屏障環境實驗動物設施中一間具有代表性的房間——小鼠飼養室,基本參數如表2 所示,氣流組織形式為上送側回。

2.2 數學模型

數學模型選用標準k-ε 模型進行模擬。數學模型的偏微分方程包括連續方程、動量方程、紊流能量傳遞方程、紊流能量耗散率方程以及污染物擴散方程。

2.3 網格劃分

模型采用六面體結構化網格對計算區域進行離散。計算區域劃分步長不大于模型尺寸的1/50。其他網格劃分規則統一規定為:流體窄縫的最小網格數為3,固體邊的最小網格數為2,圓柱形與三角形的表面最小網格數均為4;單元的寬高比最大為2;零網格高度最大值為0.001。

表2 小鼠飼養室基本參數表Table 2 Basic parameters of mice feeding room

2.4 壓力速度耦合的處理

選用SIMPLE 算法處理壓力速度耦合問題。在動量方程離散形式的求解過程中納入松弛因子處理,對于松弛因子的選擇如下:壓力項0.3,速度項0.1,體積力項0.1;其余均為1.0。

2.5 求解收斂的判斷

判斷依據為:能量方程的殘差小于10-6,連續性方程、各速度分量、k 和ε 的殘差小于10-3;并且各殘差線都趨于水平,即隨迭代次數的增加各殘差變化趨于穩定,以保證各參數值的穩定。

3 模擬結果與分析

3.1 排風口位置和數量的影響

為研究排風口位置對流場的影響,我們建立了六個不同模型,其中模型1 排風口為墻對角布置,模型2 排風口為墻1 同側布置,模型3 排風口為墻2同側布置,模型4 排風口為墻2 對側布置,模型5 排風口為墻1 四角布置,模型6 排風口為墻2 四角布置,六個模型如圖4 所示。

模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云圖如圖5 所示,不同排風口尺寸對應參數如表3 所示。

圖4 不同排風口下的小鼠飼養室模型Figure 4 Mice feeding room model with different air exhaust outlet

表3 不同排風口尺寸對應參數Table 3 Corresponding parameter of air exhaust outlet sizes

3.2 排風口尺寸的影響

進一步,以模型6 為基準,將排風口的尺寸分別調為 200×200,300×300,400×400 以及 500×500,不改變位置和數量,比較排風口尺寸對氣流組織的影響。不同排風口尺寸對應風速如表4 所示。

實驗動物環境設施中對屏障環境的排風口風速的要求是不宜大于2 m/s,故對于小鼠飼養室的墻四角排風口布置,排風口尺寸設置為200×200 mm,不符合國家標準推薦指標,當排風口尺寸設置大于200×200 mm,能夠滿足標準要求。

3.3 籠具位置的影響

(1)籠具沿房間寬度方向布置

將籠具沿房間寬度方向布置,將兩個籠具間的距離分別調整成 0.7 m、1.1 m、1.5 m、1.9 m、2.3 m、2.7 m 和3.1 m,研究籠具間不同的距離對籠具表面空氣齡的影響。籠具間不同的距離對籠具表面空氣齡的影響如表5 所示,平均空氣齡隨間距的變化如圖6 所示。

圖5 模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云圖Figure 5 Model 1～6 Y=0.35 m velocity nephogram

由表4 分析可得,房間排風口的數量和位置對小鼠飼養室整體的平均溫度、平均風速、平均空氣齡以及均方根偏差影響較小,主要影響局部氣流分布。排風口的數量和位置對小鼠飼養室的影響體現在局部排風口的平均風速和最大風速上,排風口的數量從2 個增加到4 個,排風口的平均風速從0.96 m/s 降低到0.48 m/s,排風口的最大風速從1.82 m/s 降低到0.89 m/s。基于排風口位置和數量的研究,將模型1 優化成模型6。

由圖6 分析可得,在7 種不同的籠間距下,間距為2.3 m 時,小鼠飼養室兩個籠具周圍的平均空氣齡最小,為上述7 種間距中的最優間距。此時,送風氣流能夠最快的達到籠具處,空氣最新鮮,空氣品質最好。空氣齡的粒子追蹤如圖7 所示。

圖6 平均空氣齡隨間距的變化Figure 6 Variation of mean air age with distance

圖7 空氣齡的粒子追蹤圖Figure 7 Particle tracking map of air age

(2)籠具沿房間長度方向布置

將籠具沿房間長度方向布置,將兩個籠具間的距離分別調整成 0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m 和2.3 m,研究籠具間不同的距離對籠具表面空氣齡的影響。籠具間不同的距離對籠具表面空氣齡的影響如表6 所示,平均空氣齡隨間距的變化如圖8 所示。

由圖8 分析可得,對于籠具沿房間長度方向布置的8 種不同模型,籠具的間距變化對籠具周圍的平均空氣齡影響較小。當間距從0.9 m 變化到2.3 m 時,對應的平均空氣齡從133.62 s 緩慢增加至137.89 s,空氣齡變化幅度較小,且低于籠具沿房間寬度方向布置的平均空氣齡。以籠具沿房間長度方向布置的1.5 m 間距為例,空氣齡的粒子追蹤如圖9 所示。

表4 不同排風口尺寸對應風速Table 4 Corresponding air speed of air exhaust outlet sizes

表5 籠具間不同的距離對應籠具表面空氣齡Table 5 Different distances between cages correspond to the air age

表6 籠具間不同的距離對應籠具表面空氣齡Table 6 Different distances between cages correspond to the air age

圖8 平均空氣齡隨間距的變化圖Figure 8 Variation of mean air age with distance

圖9 空氣齡的粒子追蹤圖Figure 9 Particle tracking map of air age

4 結論

基于節能的實驗動物人工環境氣流組織數值模擬,主要得出以下結論:

(1)對于換氣次數為15 次/小時的屏障環境實驗動物設施,實驗動物設施夏季空調冷負荷中新風冷負荷占比最高,為92.25%;新風冷負荷指標和換氣次數呈線性關系,換氣次數每小時每降低一次,實驗動物房夏季空調新風冷負荷每平方米降低33.72 W;獨立通氣籠具系統比開放式籠具系統新風冷負荷指標降低62.6%。

(2)排風口的數量和位置對房間整體的平均溫度、平均風速、平均空氣齡以及均方根偏差影響較小,適當增加排風口的數量和尺寸,局部氣流速度降低,氣流分布更加均勻。

(3)籠具沿寬度方向布置比籠具沿長度方向布置更加合理,是因為送回風口的位置使得室內氣流沿著長度方向擴散,前者籠具周圍的平均空氣齡比后者降低25 s,污染物能夠迅速被帶走;籠具沿寬度方向布置存在籠具間的最優間距,取決于送風口的位置。