三維熱管熱回收應用于實驗動物房性能比較

吳強 尤軍 王志毅 熊丹

（1 蘇州蘇凈安發空調有限公司 江蘇蘇州 215122 2 浙江理工大學 浙江杭州 310018）

0 引言

目前關于實驗動物設施系統的研究可以分為四類：系統控制上的研究、系統設備上的研究、系統模擬和實驗上的研究以及系統管理上的研究［1-3］。張大維等［4］研究發現利用熱管式換熱器降低空調新風能耗，達到實驗動物設施全年節約能源45%的目的。

三維熱管是一種借助自身內部工作液體產生相變（冷凝-蒸發）來完成傳熱的裝置，具有自身阻力小、使用壽命長、熱回收效率高，依靠溫差被動傳熱、性能穩定、無運動部件、維護便利等特點，耗材不需要更換，只需要一段時間后對熱管表面進行清洗，維保費用低［5-8］。

1 排風熱回收

排風熱回收是指利用三維熱管熱交換器，使得進入機組的排風和新風進行能量的交換，以實現能量回收利用的目的，見圖1。排風和新風的流動方向相反，排風、新風分別同時由三維熱管的兩側進入，排風釋放出熱量（冬季）或冷量（夏季），此時這部分熱量或冷量被新風所吸收［8-11］。排風熱回收三維熱管可設置于新風的入口和排風主風管的位置，項目可能需要調整屋面一部分空調風管的布局。

圖1 排風熱回收示意圖

2 除濕三維熱管

U 型除濕三維熱管工作原理如圖2 所示。濕熱的空氣首先通過U 型除濕三維熱管的預冷段，進行制冷降溫處理過程。預冷后的空氣再通過表冷段，進行過冷除濕的處理過程。最后空氣通過U 型除濕三維熱管的再熱段進行再熱處理，處理過后的空氣變成了干燥舒適的空氣。此時處理后的空氣溫度上升至一個舒適的送風溫度，并且相對濕度大幅度下降。U 型除濕三維熱管采用的原理是：冷凝散熱和蒸發吸熱，從而完成熱量交換的過程，無能源損耗。U 型除濕三維熱管通常安裝空調機組內部，夾在表冷器前后的位置包住表冷器。

圖2 U 型除濕三維熱管工作原理

3 熱回收與除濕熱管的性能對比

室內溫、濕度，是實驗動物房嚴格控制的參數。在夏季工況下，新風需要依次進行過冷、降溫、除濕的處理過程，處理后的空氣被電加熱后溫度上升，最后再送入車間。為了滿足溫濕度參數的要求，該制冷除濕形式會出現熱量和冷量抵消的問題，因此使得整個系統運行和使用成本都較高。

實驗動物房空調機組為全新風機組，新風處理的能耗較高。為了降低新風的能耗，回收排風中的熱量可以作為一種解決辦法。

某屏障環境實驗動物房，空調面積共計2 009 m2，其中空調面積的約二分之一為SPF 屏障系統面積，共1 000 m2。供科研單位實驗用的實驗動物房不僅要在功能上滿足教學的要求，同時便于管理，避免屏障環境與本層其他區域交叉污染，以保證動物實驗區屏障環境的相對獨立。更衣室、儲藏室、飼養室、實驗室和走廊這5 種不同功能的區域共同構成了SPF屏障環境。

空氣潔凈度的等級為7 級，溫度區間是20 ℃～26 ℃，日溫差最大不超過4 ℃，換氣次數最少為20 次/h，噪聲不超過60 dB，濕度區間是40%～70%。行為實驗室、滅菌后儲藏室、大鼠飼養室、小鼠飼養室的壓力均控制在40 Pa，其中走廊壓力、二次更衣室壓力、一次更衣室壓力依次分別控制在30 Pa、20 Pa、10 Pa。

本次系統空調機組采用的類型為全新風凈化組合空調機組，其風量是37 000 m3/h。有關數據顯示：節能改造前的空調系統，2018 年電費總額共計105 萬元。節能改造方案計算采用熱回收可以在全年新風溫度下任何時段運行；除濕三維熱管僅夏季使用，一年運行時間是2 453 h，按照已有空調箱的運行數據以及熱管的性能進行計算得到圖3 和圖4。

從圖3 可以看出，熱回收可以在全年新風溫度下任何時段運行，只有22/23/24 三個溫度時，無需開啟；除濕熱管只在夏季運行，但能量抵消的問題得以解決，運行期間大大的節省電費見圖4。

圖3 不同新風溫度熱回收與除濕熱管的運行時間

圖4 不同新風溫度熱回收與除濕熱管的節約電費

4 同時采用除濕熱管和排風熱回收系統

如果排風先經過處理后，再進行熱回收，可能會改變排風溫度。同時采用U 型熱管和排風熱回收系統，U 型熱管的進風溫度計算已調整為按照熱回收后的溫度進行計算。

空調機組安裝“熱回收三維熱管”和“U 型除濕三維熱管”后，夏季空調新風先經過熱回收預冷，再通過U 型熱管的預冷側，空氣再經過表冷器進行降溫和除濕，之后再通過U 型熱管的再熱側，溫度上升后送入空調房間。

夏季空氣處理過程為：新風經由初效過濾器過濾后通過熱回收三維熱管，然后經過初、中效過濾后的空氣進入U 型熱管進行預冷、降溫處理，預冷的空氣進入表冷器進行降溫除濕處理，再進入U 型熱管再熱升溫，最后再熱的空氣通過風機經由高效過濾器過濾后給室內送風。按照上述案例，圖5 比較了不同熱管利用方式的投資及節能，可以看出同時采用除濕熱管和新排風熱回收系統初投資最高，但是運行費用最低；由圖6 可以看出，3 種不同方式的投資回收期相比較，熱回收的最短。

圖5 不同熱管利用方式的投資及節能

圖6 不同熱管利用方式的投資回收期費

5 結論

針對熱管系統在實驗動物房的應用特點，比較了同時采用除濕熱管和排風熱回收系統的系統性能特點。排風熱回收釋放出熱量（冬季）或冷量（夏季），同時這部分能量被新風所吸收，全年使用，且投資省；U 型除濕三維熱管熱交換器回收排風中的能量，可降低新風處理能耗30%以上；同時采用U 型熱管和排風熱回收系統，可以滿足全年的熱回收需求。基于熱管系統的節能性，可以在實際工程中選擇使用。