某SPF級動物房空調系統節能措施效果分析

上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司 任爾媛

隨著醫學高速發展，實驗動物房不斷興建，其空調要求與普通舒適性空調存在差異，不僅需要為實驗動物提供相對穩定的生存環境(溫濕度適宜、7級潔凈度)，也需為工作人員提供相對良好的工作環境(及時排除動物排放惡臭)。因此，該空調系統總送風量、新風量大，空調能耗大，且設備運行必須可靠。本文主要對某無特定病原體實驗動物(SPF)級動物房節能措施進行分析。

1 SPF級動物房建筑概況

該項目為上海某營養與健康實驗建筑大樓，共17層。其中，15～17層為SPF級動物房，該3層建筑面積為3 779.8 m2，屏障區面積為2 002.9 m2，主要由SPF級飼養間、實驗室、消毒后室、一二次更衣室、熏蒸室、通道組成。建筑層高均為5.4 m，屏障區凈高為2.4 m[1]，此區域無可開啟外窗，為封閉區域。動物飼養間主要位于屏障區內區，通道位于外區，屏障與非屏障區之間設置緩沖間。SPF級動物房飼養間采用獨立通風籠(IVC)形式，主要飼養小鼠。

2 動物房空調負荷特點

2.1 動物房室內設計參數(見表1)

2.2 空調冷熱負荷

動物房空調能耗大，屏障區域空調計算冷負荷為776.6 kW,單位面積的冷指標為388.0 W/m2，空調計算熱負荷為671.7 kW，單位面積熱指標為335.0 W/m2。根據IVC特點及GB 50447—2008《實驗動物 環境及設施》第5.2.2條，該項目未采用傳統直流式全新風系統[1]，但新風量不低于送風量的50%[2]。冬夏季各項負荷情況如圖1所示。

表1 SPF級動物房室內參數(主要飼養動物種類為小鼠、大鼠)[1]

圖1 動物房各負荷曲線

由圖1可以看出，動物房空調特點如下：1) 送/新風量大，冷熱負荷高，且新風負荷占90%以上；2) 夏季新風濕負荷大，需冷卻除濕后再熱，造成冷熱抵消。所以動物房空調送風參數需穩定，不允許有大波動，房間環境需全年穩定，凈化、空調設備需可靠。

3 動物房空調系統的節能措施

根據2.2節的總結分析，以保證動物房環境為原則，設計中采用2種熱管熱回收形式：顯熱回收熱管、U形除濕熱管。既避免了新/排風熱回收時的交叉污染，又能減少新風負荷，減少冷熱抵消，同時熱管使用壽命相對較長，維護方便[3]。

3.1 僅用顯熱回收熱管

該項目3層動物房均采用了4排管熱管顯熱回收裝置，統計了動物房空調全年8 760 h的能耗，以計算全年減少的能耗及運行費用，并進行經濟性分析。圖2為上海地區某SPF級動物房(第16層)經熱管顯熱回收后全年減少能耗及運行費用。表2統計了該動物房(共3層)全年可減少能耗及運行費用，表3給出了不同冷熱源COP下減少的能耗及不同年利率i下的回收期。

圖2 某SPF級動物房(第16層)經熱管顯熱回收后 減少的能耗、運行費用[4]

表2 采用熱管顯熱回收后動物房(共3層)全年減少 的能耗及運行費用

表3 采用顯熱回收熱管不同冷熱源COP下減少的 能耗及不同年利率下的回收期

由表3可知，回收年限主要取決于冷熱源效率，年利率對其影響不大，基本可忽略。該項目采用空氣源熱泵，熱泵COP在2.8～3.5范圍內[5]，年利率為3.0%～4.5%時，回收年限可控制在4.5 a內；COP=4時，回收年限為6 a，長于常規的合理回收年限5 a。

3.2 增加U形除濕熱管

為減少除濕再熱后的冷熱抵消，該項目采用了U形除濕熱管。冷熱抵消主要出現在夏季，通過室內冷負荷、送風量、室內環境溫濕度范圍，計算得出送風參數。

送風比焓差：

(1)

式中 Δh為送風比焓差，kJ/kg；Qn為室內冷負荷，kW；Ls為送風量,m3/h。

送風比焓值：

hs=hn-Δh

(2)

式中hs為送風比焓，kJ/kg；hn為室內空氣比焓，取43.3 kJ/kg。

查焓濕圖可得15～17層的送風溫度ts分別為21.1、21.1、20.7 ℃。

通過焓濕圖可知，含濕量為8.22 g/kg、相對濕度為95%的狀態點對應的干球溫度為11.8 ℃，濕球溫度為11.5 ℃，再熱時需從11.8 ℃加熱至21.0 ℃，溫差為9.2 ℃。

U形除濕熱管工作原理為：夏季通過將蒸發器前后能量轉移，以達到二次預冷和冷卻后一次再熱的效果。表4為采用U形除濕熱管處理過程各階段參數。

表4 采用U形除濕熱管處理過程各階段參數 (送風量39 000 m3/h)

通過對上海全年干濕球溫度及動物房控制環境濕度的分析，動物房內含濕量需控制為8.28 g/kg。在焓濕圖上，含濕量8.28 g/kg、相對濕度90%對應的干球溫度為11.9 ℃、濕球溫度為11.2 ℃，說明當溫度降低至12 ℃以下，基本不需要除濕。列舉了干球溫度在12～35 ℃間，含濕量8.28 g/kg時的臨界濕球溫度，并進行擬合分析(見圖3)。通過臨界濕球溫度曲線擬合得出對應臨界濕球溫度計算式(3)。

圖3 臨界濕球溫度曲線

(3)

式中ts,l為無需除濕的臨界濕球溫度，℃；tg為室外干球溫度，℃。

通過計算，當實際濕球溫度>臨界濕球溫度時，需要冷卻除濕，U形除濕熱管進行熱量回收。結合以上公式與上海全年室外干濕球溫度進行分析，得出上海地區全年需除濕日分布，見圖4。

注：0為不需要除濕，1為需要除濕。圖4 上海地區全年需除濕日分布

如圖4所示，上海地區除濕日主要集中于4月下旬(20日)至10月中下旬(20日)，而3月下旬至4月下旬及11月上旬也存在需除濕的可能性。據統計，上海全年需除濕小時數為4 647 h，即U形除濕熱管的全年使用小時數為4 647 h，占全年的53%。表5給出了增加U形除濕熱管后該3層動物房的全年逐時能耗及減少的運行費用，表6給出了不同冷熱源COP下增加U形除濕熱管后減少的總運行費用及不同年利率下的回收期。

表5 增加U形除濕熱管3層動物房全年減少的能耗及運行費用

①COP取2.8進行計算；

② 運行費用按商業兩部制分時(平峰谷)10 kV電價計算。

表6 增加U形除濕熱管后不同冷熱源COP下減少的 總運行費用及不同年利率下的回收期

結合空氣源熱泵可能出現的運行環境工況，COP取2.8～4.0[5]，年利率取3.0%～4.5%時，采用熱管顯熱回收+U形除濕熱管回收的回收期僅為1 a。

4 結語

通過分析該SPF級動物房冷熱負荷特點，總結出其空調系統能耗大的兩大主要因素，針對性地采用熱管顯熱回收+U形除濕熱管熱回收的節能技術。通過對2項熱回收進行全年能耗與經濟性分析，得出當2項節能技術同時應用時，投資回收期為1 a，經濟效益非常可觀。