SPF 級動物實驗室空調設計探討

顧懿卿（上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司，上海 200041）

隨著社會經濟的飛速發展，人民的生活水平日益提高，人們對健康的要求也越來越高，建立營養與健康技術協同的創新平臺的需求愈發迫切。治未病、慢病的發生發展愈發引起了醫療和社會各界的關注，營養與健康技術也逐漸從幕后走向臺前，被大眾所接受，越來越多的大健康產業也隨之飛速地發展著。其中，以用于科研和試驗為目的的動物實驗室成為這一產業平臺里非常重要的一環。對動物房而言，空調系統的設置是否合理是眾多影響因素中非常重要的一環。通常，此類實驗研究時間周期長，在整個實驗過程中，空調系統被要求必須提供一個相對穩定的室內環境條件以保證實驗結果不受室外條件波動的影響。因此，無論是新建實驗室還是改建實驗室，其設計施工都需要嚴格遵守國家出臺的相關標準和規范。目前已有的關于動物房的規范主要是GB/T 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規范》和 GB/T 14925—2010《實驗動物環境及設施標準》。以 SPF 級（無特定病原體級）動物實驗室為例，結合上海市某工程實例對動物實驗室空調系統設計進行探討，希望對其他設計人員在設計初期即有所幫助。

1 工程概況

某項目位于上海市，總建筑面積 30 000.0 m2。其中，地上建筑面積 26 190.2 m2，地下建筑面積 3 809.8 m2。建筑主要功能為地下 1 F 停車庫，包含人防；1～2 F 為入口門廳展示、多功能廳及會議室；3～4 F 建筑高度 4.0 m，為儀器平臺；5～14 F 建筑高度 4.0 m，為實驗區域及細胞房；15～17 F 建筑高度 5.4 m，為 SPF 級動物房。

1.1 冷熱源

該項目按照樓層分別設置了 2 套冷熱源系統，其中，1～14 F 采用冷暖型變制冷劑流量多聯機系統，15～17 F 的動物房采用風冷熱泵系統。這是因為各樓層的功能不同，使用時間不同，房間的溫度也不同。其次，動物房對空調系統的穩定性要求很高，且自成體系。從安全穩定的角度考慮，風冷熱泵系統的可靠性更好。經過了多輪的方案比選，最終確定了復合冷熱源的形式。

1.2 室內空氣參數

室內空氣參數如表 1 所示。

表1 SPF 級動物房室內空氣計算參數

1.3 空調風系統

SPF 級動物房區域為 7 級潔凈要求，采用一次回風定風量全空氣空調系統，換氣次數 ≥ 25 次，新風不小于送風的 50%。空調箱為兩管制，一用一備，交替運行。新風經三維熱管與排風顯熱回收后經空調箱，空調箱設粗、中效過濾器、冷熱盤管、除濕熱管、濕膜加濕等。各動物房送風支管設電加熱及高效過濾器，回風自帶過濾網，氣流組織上送下回。

2 設計重點

設計過程中對于方案的比選、風險的評估多有反復推敲。如何在有限的資金情況下，最大限度地保證實驗室的舒適型也是設計重點。

2.1 壓強梯度必須滿足規范要求

GB/T 14925—2010 和 GB/T 50447—2008 中均有規定，要求根據房間功能設置 3 級壓差控制新排風量，動物房為 + 25 Pa，屏障區域通道為 + 5 Pa，通過聯動調節控制空調機組的送、回、排風風量，保持各房間的相對壓差控制。在聯動控制方面，需先開啟送風機，后開啟排風機以保持房間的正壓。合理的設計是一個工程能否順利完成的基礎，只有從設計伊始就嚴格按照國家設計標準和規范的要求，才能讓施工企業以正確的設計文件作為施工的依據進行施工。如此，才能從設計原理的角度從根本上有效地防止 SPF 級實驗動物房內出現空氣交叉污染和臭氣擴散的問題。

SPF 級實驗動物房的壓強梯度較高，本工程的壓強梯度為 + 25 Pa，動物房內各房間的正壓值也較高。因此，圍護結構密閉性的好壞和壓差控制方案的優劣成為動物房設計最終能否達到壓強梯度的關鍵。實驗動物房的圍護結構（包括門、窗、墻壁、頂棚、地面）的構造和施工縫隙均應采取可靠的密閉措施。尤其是門，需嚴格的安裝密封壓條，施工時需盡可能地減小門縫寬度。此外，在一些動物房的實踐案例中，非屏障區走道出現相當刺鼻氣味的情況時有發生。從設計角度來看，這是因為非屏障區是負壓區，為最后一個可能會滲透氣味的環節，容易受施工質量影響。若門窗、頂板等圍護結構的密閉性欠缺，尤其是各類管線穿墻破洞后的封堵措施不到位，就會造成較嚴重的臭氣向外擴散的情況。這就需要設計、施工、監理三方的共同協作，以減少因提高換氣次數將臭氣排至室外緩解走道內刺鼻氣味造成的能耗。

2.2 采用熱回收裝置

從節能降耗的角度出發，如何合理地采用節能技術有效地降低能耗也值得研究。本工程采用一次回風定風量全空氣空調系統，換氣次數 ≥ 25 次，新風不小于送風的 50 %，新風負荷占空調負荷的比例較大。同時，為了防止交叉污染，只能采用顯熱回收，最終選擇熱管熱回收。通過熱回收達到節能效果，節能的收益情況頗好。換熱裝置并非水平擺放，而是坡向熱空氣的一側，當介質受熱后向上運動，在上側受到冷卻后又向下運動。

帶有熱回收段的空調機組的功能結構圖如圖 1 所示。

圖1 帶有熱回收段的空調機組的功能結構圖（箭頭表示氣流的流動方向）

夏季排風經過熱管式回收裝置后，將熱量傳導給熱管，再通過排風機排至室外。新風氣流經機組的新風入口進入空調機組的熱管式回收段，通過熱管式回收裝置的另一段，與熱管進行顯熱交換，由此，室內的排風就可通過熱回收裝置將熱量傳遞于由室外引入的新風，新風溫度得到了顯著降低。從實驗區域循環回來的回風，經機組的回風入口進入空調機的混風段后，將進入 U 型熱管預冷后，再進入冷熱盤管進行降溫除濕，待處理到預設的濕度后，再通過 U 型熱管換熱器進行預熱，最后通過出風段送入室內。

實際運行中，上海市的夏季空調計算干球溫度 34.4℃，濕球溫度 27.9 ℃。經過熱管換熱，與排風進行顯熱交換，新風預降到了干球溫度 27.0 ℃，濕球溫度 26.1 ℃，再與回風進行混合。依據國標 GB/T 14925—2010 規定，SPF 級小鼠飼養和實驗觀察間的溫度，設計取值為干球溫度22.0 ℃，濕球溫度 15.4 ℃，室外新風經過熱管換熱器的預冷后，溫度降低了 7.4 K。降低的溫度差占總溫差的占比會隨著室外溫度的升高因溫差的加大而增大，冬季的室內外溫差比夏季更大，節能效果更加明顯。全年可節約的熱量數量高，以該臺機組全年冬夏兩季 6 個月計算，可節約熱量約為2 億多卡。同時，機組內 U 型熱管的設置避免了冷凍除濕過深造成的送風溫度太低所產生的結露問題，并有效地增加了空調機組的除濕能力，機組除濕量顯著增加。

3 結 語

實驗動物房的空調系統與其他潔凈廠房不同，一個系統的正常運行除了要滿足規范要求的壓力梯度和溫濕度要求，還要從施工、運營的角度嚴格把關，才能在實際運行的時候達到設計的運行參數。同時，由于動物房的換氣次數很大，運行能耗相當大，作為設計人員，如何做到節能降耗，也需要反復推敲空調方案。總之，做好一個好設計，不但要從設計的角度，多看多想，還要多從實際出發，和施工方多溝通，才能將設計理念完美的在工程實踐中得以實現。