動物實驗室在暖通設計技術方面的探討

張煒

摘要：在建設現代化的動物實驗室的暖通設計技術方面已經不再被傳統設計習慣和設計理念所約束，形成了在實驗室通風工程設計的基本原則下的專門對動物實驗室進行的暖通設計技術。本文針對動物實驗室中文丘里定、變風量閥的應用進行重點分析。

關鍵詞：動物實驗室;暖通設計技術;工作原理

1.實驗動物房內的溫、濕度控制

針對動物實驗室的特殊情況，必須要控制好室內的溫度和濕度，為動物提供較好的生存環境。不同的動物需要不同的溫度控制，這是因為每種動物具有不同的熱負荷。根據不同的動物將動物實驗室內的標準溫度變化設計在16-29℃范圍內，而一些飼養單一動物的實驗室的可接受溫度會設置窄些的溫度范圍。一般情況下動物培養實驗室的最佳溫度為26攝氏度，動物會因為室內溫度的高低影響飲食量、抗病毒性、生物進程等，當前我國多少實驗動物屬于恒溫哺乳類的動物，需要保持恒定的核心溫度。由此，實驗動物房必須進行有溫度恒定的能力，其溫控系統須具備將溫度范圍進行設計和嚴格控制的能力，溫控系統的溫度控制波動范圍的值最大為±1℃。而嚙齒動物自身熱調節能力差，由此需要可靠的穩定溫度控制來提高動物的存活率。

對動物實驗室的濕度可接受變化范圍相對寬一些，為40%-70%。這個濕度范圍通過空氣處理機組就可以完成，而不需要局部加濕器。對于嚙齒動物而言，其籠內的氨和環境濕度直接相關，通常需要保持40%-50%的濕度，不能過高或過低，否則將會對動物帶來負面影響，相對濕度過于極端，會導致動物的進食量、發育、活動、傳染性病毒以及藥物皮膚吸收。過低的濕度會為新生嚙齒動物帶來脫水現象。由此，需要在寒冷干燥的季節加大濕度。

2.文丘里定風量閥和變風量閥在實驗動物房中的應用

2.1文丘里定風量閥在實驗動物房中的應用

現建立模擬實驗房，尺寸是2.85m×2.90m×2.2m，其平面圖如圖1。在室內放置了小鼠IVC籠架2個，共6層7列，其中每籠架有小鼠5只，以此為標準計算負荷。根據小鼠正常活動會產生0.49W的全熱負荷，由此建立的模擬實驗系統為所有送風籠架的導管內部安裝了電熱絲，該電熱絲是連續可調的，功率范圍是60W～120W，以便對動物散熱情況進行模擬。

除了IVC之外還可以使用無毒塑料鼠盒，不銹鋼絲籠蓋，金屬籠架來飼養小鼠。一般選擇可以移動的籠架，采用多種方式對其殺毒滅菌。用清潔層流架小環境控制飼養小鼠也是一種較為普遍的方法。籠盒可以保證小鼠有足夠的活動空間，而且又能防止小鼠的撕咬，也便于進行清洗。帶濾帽的籠具雖然在一定程度上可以減少細菌與微生物污染，但是其內部的氨氣濃度較高不適于小鼠的生長。

根據圖1，模擬實驗系統中文丘里定風量閥分別是：總送風管的300CMH和排風管的200CMH，要將室內的正壓制始終維持在10Pa左右，所采取的措施是體積補償控制法。在圖1中籠具在系統風量的關系為：

房間內部在系統風量的關系為：

這兩式中，是室內參數下標，是室內送風，是室內對室外的正壓滲透風量，是室內排風量，是混風機IVC在室內的取風量;是混風機參數下標，是籠具送風，是籠具對室內正壓滲透風量，是籠具新風量，是籠具排風量，是室內送風量，是排風量。

由此知道（室內送風量）減去（室內排風量）就是（室內對室外的正壓滲透風量），其中沒有涉及到和，室內差值風量在實驗動物房的和恒定的情況下，其值就是一定值，其室內壓力就會保持穩定，而與IVC新風管文丘里變風量閥的變化無關。

2.2智能文丘里變風量閥在動物實驗室的應用

根據圖2所示，該模擬實驗系統中，室內取風量和IVC籠具新風量構成了籠架的送風量，還有一個取風口。IVC籠具新風量是通過IVC送風管處的文丘里變風量閥PID環進行控制調節的，若控制板所設定的溫度值與籠具內實際溫度值存在越大的差值，就會加大閥門的動作幅度，若控制板所設定的溫度值與籠具內實際溫度值存在越小的差值，就會減小閥門的動作幅度。IVC送風受到室內空氣的再熱過程，通過混風箱進行混合再進入籠具。而此時的混風溫度就和室內空氣或者和IVC送風的溫度有了溫度差別。根據理論，若IVC籠具中的負荷開始變化，溫度也就跟著變化，此時文丘里變風量閥會進行閥門開度的調節，從而將新回風混合比進行改變，以此改變送風的溫度，穩定籠具中的溫度。籠具排風管處的溫度傳感器可以測出籠具中的負荷變化。本文通過實驗來檢驗文丘里變風量閥對籠具中溫度穩定是否會具備維持的功用。在實驗中，將溫度值設為23℃，而IVC籠具新風、房間的送風溫度設為16℃，由此開始實驗步驟：

①通過系統調試以穩定系統，使得房間、IVC籠具溫度值達到23℃。

②在控制面板中將IVC籠架通風管道內電熱絲按鈕關掉，減少IVC籠具中的負荷。

③由RC-Studio自控軟件進行實驗數據的自動獲取并記錄。在實驗數據輸出時處理好試驗數據。下圖3是減少籠具中的負荷的情況下，在相同的時間內，IVC籠具中溫度、文丘里變風量閥閥門開度變化趨勢。

在圖2中，減少IVC籠具中的負荷，其溫度呈現下降趨勢，溫度傳感器將籠具內的溫度值感應并返回到智能文丘里變風量閥裝置上，并減少閥門開度，由此也減小了新、回風的混合比。由于此時刻籠具中的新風送風溫度比房間溫度低，只有減小閥門開度和IVC籠具中的新風量，而將室內的取風量加大，改變新、回風的混合比，達到對IVC籠具中總送風的溫度的調節。在IVC籠具中的溫度下降至22.2℃時，此時的閥門開度為0%。在減少了新風量的情況下，會使得IVC中的溫度回升，當期溫度升至23℃以上，就會自動逐漸增加閥門開度。以此通過智能文丘里變風量閥的自動化調節，以減少IVC中溫度在籠具中的負荷，并將溫度控制在±1℃的波動范圍內，這正好符合了前文中的溫控系統的溫度控制波動范圍的值最大為±1℃的標準。根據圖3，在閥門開度處于0%時，只存在室內取風，卻不存在新風風量，這也不會影響對IVC籠具中所送入的空氣質量。這是由于室內取風的潔凈度有了保障。當室內二級環境新風送入時，會對室內的熱濕負荷進行消除后，多數通過排風管流到室外，只有少部分通過再熱進行混風箱，與IVC籠具中的新風混合、過濾后送入IVC籠具這一微環境中。實驗房中具有較高的潔凈度，對送入IVC籠具中的空氣進行高效過濾，其潔凈度自然就有了保障。

3.實驗室采暖系統設計

在冬季室外溫度較低的情況下如何實現對室內溫度的恒溫控制是實驗室采暖系統需要重點解決的問題，實驗室的采暖系統可以采用空調采暖、集中供暖以及自身供暖的幾種方式，其中采取自身單獨供暖的方式成本會較高，而采取空調供暖的方式則最為簡單，僅僅使用空調定溫功能就可以實現對溫度的控制，溫度在到達設定的溫度之后空調停止工作，隨著時間的推移室內的熱量可能會散失，空調檢測到溫度下降低于設定的溫度之后會繼續工作產生熱量來維持室內的溫度。集中供暖的方式成本較低，但是目前我國集中供暖的區域不同集中供暖對室內的恒溫控制較為麻煩，不能對所供熱量進行調整，難以實現對溫度的恒定控制，因而綜合上述因素一般選擇空調作為實驗室的采暖系統。

4.結語

動物實驗室的暖通溫度是根據先進的智能文丘里定風量閥和變風量閥進行控制的，而自動控制手段是對于變風量排風與空調技術的保障。通過智能文丘里定風量閥和變風量閥在動物實驗室中的應用有利于室內和IVC籠具進行精確溫控，該技術的應用前景廣闊。本文由于篇幅問題就此進行簡短的詮釋，表達能力受到所學技能的水平限制，希望各位能細心指教。

參考文獻：

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