溶液式環境控制設備在實驗動物設施中的應用

張 婷，陳亮亮，李海翔，黃發洲，蔡武凱

（北京華創瑞風空調科技有限公司，北京100084）

近年來，實驗動物設施建設發展迅速，實驗動物設施的能耗和環保問題也得到越來越多學者和建設者的關注[1]。為保證醫學實驗的精密性和藥物試驗的可靠性，實驗動物設施對環境控制的要求較高[2]。實驗動物設施普遍采用全新風系統，全年24 h晝夜運行，傳統環境控制設備運行能耗大，且對排氣的環保處理能力較弱[3]。溶液式環境控制設備（liquid desiccant environmental control system） 利用鹽溶液（氯化鈣、氯化鋰等溶液）的吸濕、放濕特性，實現新風和排風之間熱量和水分的傳遞過程[4]；其具有強控濕、低能耗、高效除氨等多方面的優勢，近年來在實驗動物設施建設中得到廣泛應用，并取得了良好的環境控制、節約能量和排氣處理效果[5]。

本文以北京某實驗動物設施為例，從環境控制效果、系統配電量、運行能耗、排氣處理效果和安裝條件等方面，對溶液式環境控制設備與傳統環境控制設備進行了對比分析，為促進溶液式環境控制設備在實驗動物設施中的應用提供參考。

1 實驗動物設施概況

1.1 基本信息

北京某生物科技有限公司新建實驗動物設施約3262 m2，其中小動物屏障區面積約2600 m2。項目采用溶液式環境控制設備，于2020年投入運行。設計要求參照GB 14925—2010《實驗動物環境及設施》，室內設計溫度20～26℃，相對濕度40%～70%，換氣次數≥15次/h，空氣潔凈度7級，氨濃度≤14mg/m3。作者對溶液式環境控制設備進行了測試，并以廠區內另一棟具有相同設計要求的舊設施作為對照，比較新舊設施的運行效果。舊設施于2009年投入運行，大鼠、小鼠屏障區面積約2140 m2，采用傳統環境控制設備。

1.2 溶液式環境控制設備

新建設施采用溶液式環境控制設備，設備集冷熱源、風機、全熱回收[6]、初中效過濾、排風除臭等功能為一體，系統形式如圖1所示。送風側空氣處理過程：室外新風—初效過濾段—溶液全熱回收和溶液除濕段—風機段—中效過濾段—送入室內。排風側空氣處理過程：室內排風—初效過濾段—溶液除臭段—溶液全熱回收和溶液再生段—風機段—排至室外。

圖1 溶液式環境控制系統示意圖Figure 1 Schematic diagram of liquid desiccant environmental control system

溶液式環境控制設備由溶液空調段和溶液除臭段兩部分組成。溶液空調段采用氯化鈣鹽溶液作為工作介質，來自室外的新風進入除濕塔與溶液逆流接觸，進行熱濕傳遞，被冷卻除濕到送風狀態點；機組采用回風再生，來自室內的回風先經過噴淋酸溶液去除氨氣，之后進入再生塔與溶液接觸，帶走溶液中水分，從而完成溶液的濃縮再生，吸水后的再生空氣被排放到室外；溶液空調段內置熱泵系統，熱泵系統蒸發器為溶液提供冷量，用于對空氣的降溫和除濕，熱泵系統冷凝器為溶液提供熱量，用于溶液的濃縮再生。實驗動物設施排氣的主要有害成分為氨氣。針對氨氣，溶液除臭段采用磷酸稀溶液作為工作介質，利用噴淋酸性溶液高效吸收排風中的氨氣。設備原理如圖2所示。

圖2 溶液式環境控制設備原理示意圖Figure 2 Principle of liquid desiccant environmental control equipment

1.3 傳統環境控制設備

舊設施采用傳統環境控制設備，由風冷熱泵制取冷凍水提供給組合式空調機組，由空調機組將室外新風處理至適宜的溫濕度狀態后送入室內。組合式空調機組包含初效過濾段、兩級表冷段、蒸汽加濕段、電加熱段、中效過濾段和風機段。排風經過水噴淋塔除臭后排至高空。系統形式如圖3所示。

圖3 傳統環境控制系統示意圖Figure 3 Schematic diagram of traditional environmental control system

2 測試結果比較

2.1 室內溫濕度環境控制效果

選取2020年8月份新設施與舊設施室內溫濕度環境控制參數進行比較（圖4）。從圖中可以看出，新舊設施都很好地滿足了20～26℃的溫度控制要求，但舊設施室內的空氣相對濕度偏高，部分時段舊設施室內的相對濕度甚至超過了70%。

圖4 新舊設施室內溫度曲線（A）和相對濕度曲線（B）Figure 4 Indoor temperature curve (A) and relative humidity curve (B) of new and old facilities

2.2 配電量

計算同等面積和風量下新舊設施的配電量。從表1～2可以看出，舊設施配電量為1300 kW，其中空調配電量為1198 kW；新設施配電量為654 kW，其中空調配電量為552 kW，即新設施比舊設施整體配電量節約50%，其中空調配電量節約54%。

2.3 運行能耗

選取2020年8月3日至9月4日電表實測數據，對比新舊設施的耗電量，詳見表3。由于實驗動物設施的能耗與新風量相關，在能耗比較時采用單位風量、單位時間的能耗指標。測試時，設備風量均未滿負荷運行，實際運行風量小于設計風量。從表3可以看出，新設施的運行能耗明顯低于舊設施，單位風量、單位時間的能耗指標下降50%，效果顯著。

2.4 排風氨濃度

表1 舊設施的配電量Table 1 Power distribution of old facility

表2 新設施的配電量Table 2 Power distribution of new facility

表3 新舊設施運行能耗對比Table 3 Comparison of energy consumption between two facilities

舊設施采用了水噴淋塔除臭的方式，將排風通過水噴淋后高空排放，主要利用氨易溶于水的原理進行除氨。新建設施采用了溶液噴淋除氨的方式，利用氨氣水合物呈堿性的特征，采用酸性溶液進行噴淋吸收。含氨排風進入溶液除臭段后，與磷酸稀溶液充分進行反應，空氣中的氨氣（NH3）以銨根（NH4+）的形式進入吸收液中，反應生成磷酸二氫銨，空氣中的氨氣含量大幅減少，降低至國家排放標準允許范圍后排至室外。吸收液中的磷酸二氫銨通過結晶生成固體沉淀，最終過濾去除，實現徹底除氨。磷酸二氫銨屬于一般固廢，收集后交由物資回收公司利用。

采用氨濃度計對兩種除氨方式進行測試對比，結果見表4。從實測結果可以看出，酸溶液噴淋的除氨效果優于水噴淋塔的除氨效果，酸溶液噴淋的除氨效率可以達到90%以上。

表4 兩種設備除氨方式效果對比Table 4 Comparison of ammonia removal effect between two equipments

2.5 設備安裝條件

溶液式環境控制設備集成了冷熱源、除臭裝置、輸配系統等于一體，因此單機設備體積較大，以30000 m3/h設備為例，設備尺寸為10.6 m（長）×5m（寬）×4.2m（高）。以本項目為例，共選用4臺30000 m3/h設備，機房面積約為300m2。同時，由于設備集成度較高，因此設備安裝較為簡單，只需連接風管、電源、補水管即可。

若采用傳統環境控制系統，設備數量相對較多，施工安裝相對復雜，但單機設備體積較小，且設備高度一般不超過2.5 m，同樣設施條件下，所需機房總面積約為260 m2。相比溶液式環境控制設備，傳統環境控制設備所需機房占地面積更小，對機房層高要求低。

2.6 系統造價對比

溶液式環境控制設備的造價高于傳統環境控制設備。綜合考慮設備費用的增加，水系統安裝和配電費用的減少等，通常初投資增加20%左右，投資回收期在1～2年。

2.7 使用維護

溶液式環境控制設備集成度較高，相對傳統環境控制系統而言，設備少，系統簡單，因此，實際使用中更易操作，管理更為方便。但溶液式環境控制設備對于大多數用戶尚屬于新技術，可能對設備缺乏了解，操作經驗不足。

溶液式環境控制設備與傳統環境控制系統相比，壓縮機及氟系統、風機、過濾器等主要部件維護工作基本相同，不同的是前者增加了溶液系統的維護，減少了水系統的維護。對于溶液空調段，氯化鈣鹽溶液長期使用后不需要補充和更換，溶液中氯化鈣含量不變則其空氣處理能力不會衰減，但需定期過濾清潔溶液，去除空氣帶入溶液中的灰塵和顆粒物。對于溶液除臭段，需定期補充機組磷酸溶液用于除氨，需定期處理產生的固廢磷酸二氫銨。

由于氯化鈣鹽溶液具有腐蝕性，因此溶液式環境控制設備內部與溶液接觸的部件必須采用耐腐蝕型材料，對設備耐腐蝕性、防泄漏性等生產工藝要求較高。同時，設備須嚴格滿足國家標準GB/T 27943—2011《熱泵式熱回收型溶液調濕新風機組》中對送風攜帶溶液離子量的要求，保證不會對環境造成不良影響[7]。溶液式環境控制設備雖然在民用及工業行業中應用時間已有20余年，但近10年才開始應用于實驗動物設施中，目前項目最長應用時間為8年，機組使用壽命初步得到驗證。

3 結語

本研究實測了溶液式環境控制設備在實驗動物設施中的應用效果，從室內環境控制、配電量、運行能耗、排風除氨效果、安裝條件和使用維護等方面，與傳統環境控制設備進行了對比分析。研究表明：①溶液式環境控制設備由于除濕能力強，在濕度控制方面體現出明顯的優越性，在高濕度地區可能有較大應用價值。②采用溶液式環境控制設備的實驗動物設施配電量明顯下降，設施整體配電量可下降50%左右，空調配電量可下降54%左右。③采用溶液式環境控制設備的設施，運行能耗顯著下降，單位風量、單位時間的節能率達到50%，節能效果顯著。④排風采用酸溶液噴淋除氨的效果優于水噴淋塔，酸溶液噴淋除氨率可達到90%以上。⑤溶液式環境控制設備集成度高，安裝簡單，但單機設備體積較大，機房占地面積增加，對機房層高要求高。⑥與傳統環境控制設備相比，溶液式環境控制設備初投資增加20%左右，投資回收期一般為1～2年。⑦溶液式環境控制設備操作簡單，但用戶對新技術缺乏了解，操作經驗不足；除溶液系統外，主要部件的維護與傳統設備基本相同；設備對溶液的耐腐蝕性和防泄漏性要求較高，目前該設備在實驗動物設施最長的運行時間為8年左右，機組使用壽命初步得到驗證。