利用室內空氣循環凈化降低實驗動物房新風量的節能效果

王文濤 鄭功杭 李先庭 邵曉亮 王 歡

(1 清華大學建筑學院 北京 100084；2 北京科技大學土木與資源工程學院 北京 100083)

隨著對預防和治療人體疾病、保障人類健康的愈加重視，生命科學、醫學等相關學科受到人們的密切關注[1-2]。由于此類學科需要活體實驗的特殊性，實驗動物便成為該學科領域重要的實驗基礎條件，特別是處于新冠疫情期間的當今世界，急需疫苗的研發，實驗動物的重要作用得到凸顯[3]。例如，人們使用小鼠、恒河猴等建立動物模型，以推進疫苗研發的臨床前研究[4-5]。因此，實驗動物的健康培育對促進生命科學領域的發展具有重要的推動意義[6-7]。

實驗動物房作為實驗動物的飼養和培育地點，其室內環境空間的溫度、濕度、有害氣體濃度、空氣潔凈度等因素對實驗動物的機體狀態有較大影響，是決定實驗動物能否健康成長的重要條件。為保證實驗動物房的室內污染物濃度處于較低水平，實驗動物房通常采用直流式全新風系統，室內熱濕負荷的處理以及污染物濃度的降低均由新風負責，因此新風量設計需同時滿足所有要求，以保證室內良好的空氣質量[8-9]。出于對室內污染物濃度的控制，實驗動物房的換氣次數一般很大，導致新風負荷能耗大、機房面積過大、風管尺寸過大等問題[10]。對于籠盒式實驗動物房，籠盒內部的通風系統通常是標準化定制，與放置籠盒的房間通風系統是基本獨立的。與籠盒內部相比，放置籠盒的房間為大空間，所需風量更大、空調能耗更高、節能潛力也相應更大，因此本文旨在降低動物房室內大空間的空調能耗。

動物房采用全新風系統時，保障空氣品質所需新風量遠大于處理冷熱負荷、濕負荷所需風量，造成新風負荷能耗巨大。因此本文提出了可實現溫、濕、污染物獨立控制的新型空調系統，避免了新風量的冗余，達到降低空調能耗的目的。本文以籠盒式實驗動物房為例，建立了CFD計算模型，通過調研測試數據對模型進行了驗證，利用CFD軟件模擬了新型獨立控制空調系統的凈化效果，驗證了新型獨立控制空調系統的有效性，并進一步研究了該系統的節能性，為將來實際應用提供參考。

1 調研測試

為了解國內實驗動物房的環境控制與能耗水平現狀，尋找現存問題，對位于北京的某實驗動物中心進行了調研。該實驗動物房建筑面積為3 000 m2，屏障環境面積為500 m2，調研環境如圖1所示。對該實驗動物房潔凈環境性能進行了現場測試，測量設備參數如表1所示。

圖1 動物房調研環境Fig.1 Test environment of the laboratory animal rooms

表1 測試儀表性能參數Tab.1 Parameters of the measuring instruments

在鼠籠架之間的中部位置設置測點，每個位置沿高度方向共設置5個測點，測點間高差為0.5 m，并分別對3個房間的測點進行測試。測試結果如圖2所示，各房間參數平均值如表2所示。

表2 實驗動物房環境性能測試結果Tab.2 Environmental test results of the laboratory animal rooms

圖2 房間測試點NH3質量分數分布Fig.2 Ammonia mass fraction distribution at test points

針對調研的實驗動物房，可知：1)該實驗動物中心的動物房NH3平均質量分數約為1.2 mg/kg，此時小鼠可正常生存，說明該污染物濃度低于可保證小鼠正常生存的極限濃度；2)該實驗動物中心動物房的換氣次數偏大(設置為約20 h-1)，從而導致新風負荷較大、空調能耗較大等問題。

因此，在保障溫度、濕度、污染物濃度等室內環境要求的前提下，將實驗動物房新風換氣次數降低是實現節能的重要方式。

2 系統構建

一般采用全新風系統的動物房為能滿足室內所有需求(人員和動物新風需求、冷熱負荷需求、濕負荷需求、污染物控制需求)，空調系統僅能送入經處理后的低溫新風，風量也通常設置為4者風量中的最大值，導致新風系統能耗很高。為避免風量的冗余，本文旨在通過對溫、濕、污染物的獨立控制，降低新風負荷及空調能耗。

為實現新風需求及溫、濕、污染物獨立控制，可設置4套獨立的系統(以夏季為例)：新風機組送入新風量滿足人員和動物的新風需求、通過低溫冷水處理濕負荷、通過高溫冷水處理冷負荷、凈化裝置凈化室內循環風降低污染物濃度。其中，采用高溫冷水處理冷負荷有利于提高空調系統能效，采用凈化裝置替代了傳統系統中大量新風降低污染物濃度的作用，二者均有利于降低空調系統能耗。雖然4套系統可分別控制各自的參數，避免了風量的冗余，但該方法系統數目較多，不易管理且投資較大，不利于實際應用。

通常情況下，動物房中的人員及動物新風需求與濕負荷處理需求均較小，因此可將二者需求合并，將4套獨立的系統簡化為3套系統：經低溫冷水處理過的新風滿足人員及動物新風需求與處理濕負荷、通過高溫冷水處理冷負荷、凈化裝置凈化室內循環風降低污染物濃度。其中，高溫冷水和凈化裝置依然可以起到降低空調能耗的作用。但該方法仍存在系統數目較多，管理復雜的問題。因此，在此基礎上，需將3套獨立系統進一步簡化。

若將新風需求、濕負荷處理需求、冷負荷處理需求合并為1套系統，凈化裝置單獨為1套系統，則可簡化為2套獨立系統。雖然采用凈化裝置凈化室內循環風可實現對污染物的獨立控制，無需額外通入新風，起到降低新風負荷的作用；但由于濕負荷與冷負荷的處理合并在同一系統中，此時冷負荷僅能使用低溫冷水處理，實現溫、濕獨立控制還需進行再熱，既未利用采用高溫冷水的節能潛力，也因再熱增加了額外的能耗。因此該系統雖較為簡化，具有一定的節能作用，但仍有改進空間。

對于某一特定動物房，其室內污染物濃度具有限值，凈化裝置可通過調節凈化風量以滿足污染物濃度處于限值以下。經過凈化處理的風量越大，越有利于降低室內污染物濃度，但同時凈化裝置的風機能耗亦越大，因此凈化風量可設置為室內污染物濃度剛好達到限值以下時的風量。已知凈化風量后，通過調整高溫冷水的溫度，即可實現對室內冷負荷的處理。

綜合上述方法，可將3套系統簡化為2套系統，如圖3所示。1)新風機組(控制濕度)：經低溫冷水與初、中、高效過濾器處理過的新風滿足人員及動物新風需求并處理濕負荷。2)循環空氣凈化降溫裝置(控制污染物濃度+控制溫度)：一方面，其中的凈化裝置具有凈化空氣的作用，可去除空氣中的有害氣體，通過調節循環凈化的風量可控制污染物濃度水平，如室內污染物濃度越高，經過凈化處理的風量則需越大；另一方面，該裝置通過調節高溫冷水的溫度來改變經高溫表冷器處理后的空氣狀態，進而通過處理后的空氣滿足冷負荷需求。因此，本文提出的新型空調系統可以實現對溫、濕、污染物的獨立控制，無需使用過多的新風來保障空氣品質，系統簡單，可達到降低新風負荷、節約空調能耗的目的。

圖3 溫、濕、污染物獨立控制空調系統Fig.3 Temperature,humidity and pollutants independent control air conditioning system

3 模型及方法

3.1 模型設置

本文以籠盒式實驗動物房為例，使用Airpak 3.0模擬軟件對實驗動物房建立了計算模型，以便于進行模擬研究。在模型中，設置房間大小為10 m×2.7 m×2.5 m，并沿房間長度方向分別布置4排籠盒，籠盒內污染物向公共空間的溢出口簡化為長條形，模型如圖4所示。該籠盒式實驗動物房的氣流組織形式為上送下排，鼠籠盒內有單獨的送排風口，但鼠籠盒的空調機組置于室內大空間內，因此室內大空間的污染物濃度對鼠籠盒的初始送風污染物濃度有影響，此外籠盒內污染物會通過透風網口向大空間有一定的溢出，成為室內污染來源。送風口尺寸為0.6 m×0.6 m，排風口尺寸為0.4 m×0.4 m，透風網口尺寸為0.1 m×5.5 m。本文以NH3作為污染物，基于調研測試，按照污染物質量守恒進行核算，設置每個溢出口污染物釋放強度為0.056 mg/s。

圖4 籠盒式實驗動物房模型Fig.4 Model of the cage-type laboratory animal room

3.2 模擬方法及初始條件

采用室內零方程模型對湍流流動進行求解[11-12]，控制方程為N-S方程、能量方程和質量方程。使用有限體積法進行離散，二階迎風差分格式，SIMPLE算法進行迭代求解[13]。在進行正式模擬之前，進行網格無關性驗證。選取188 172、433 575、702 247三種網格，在房間中部高度為1.0 m的平面上沿長度方向均勻設置4個典型位置點，對其進行氨氣質量分數監測。結果表明188 172和433 575、433 575和702 247網格下的氨氣質量分數最大相對誤差分別為6.34%和0.73%。433 575和702 247網格下的結果相近，因此正式模擬網格數設置為433 575。

在該模型中，1)墻體：采用絕熱邊界，忽略墻體導熱和輻射的影響；2)新風送風口：送風速度為0.52 m/s，送風溫度為14 ℃，污染物質量分數為0；3)排風口：與送風口遵循質量守恒；4)籠盒：采用block模型，籠盒上的透風網口采用循環風模型，凈化效率為0；5)循環空氣凈化降溫裝置：采用block模型，進出風口采用循環風模型[12]，凈化效率為60%，其中回風口通入室內大空間的空氣、出風口向大空間送入經凈化后的空氣。

3.3 模型驗證

為驗證模型的有效性，以調研測試中的全新風工況(新風換氣次數為20 h-1)、無循環空氣凈化降溫裝置(即循環凈化換氣次數為0)、NH3平均質量分數為1.2 mg/kg作為基準，利用該模型對基準工況進行了模擬計算，該動物房z=3、4、5、6 m截面處的NH3平均質量分數為1.203、1.203、1.174、1.098 mg/kg，其中z=5 m處的模擬結果如圖5所示。模擬結果與調研測試的1.2 mg/kg基準相比，最大誤差為8.5%，滿足誤差要求，說明該模型具有良好的模擬仿真效果。

圖5 NH3質量分數分布(z=5 m)Fig.5 NH3 mass fraction distribution diagram (z=5 m)

3.4 熱濕負荷計算

在提出的新型獨立控制空調系統中，新風僅負責滿足人員及動物新風需求與處理濕負荷需求，因此新風量為滿足二者的最大值。以北京夏季為例，夏季室外設計參數為：干球溫度33.5 ℃、濕球溫度26.4 ℃、焓值82.0 kJ/kg；根據GB 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規范》[14]標準要求，實驗動物房室內設計溫度為20～26 ℃、相對濕度為40%～70%，本文取室內設計參數為：干球溫度23 ℃、相對濕度55%。取每間動物房有兩名工作人員，每名人員所需新風量為30 m3/h，則人員的新風量需求為60 m3/h；取每間動物房有1 000只小鼠，每只小鼠所需新風量為0.336 m3/h[15]，則小鼠的新風量需求為336 m3/h；因此，該動物房的總新風量需求為396 m3/h。取每間動物房有1 000只小鼠，每只小鼠的散濕量為0.47 g/h[16]，則實驗動物房室內總散濕量為0.131 g/s。取新風參數為：送風溫度為14 ℃、相對濕度為90%，含濕量8.96 g/(kg干空氣)，則處理濕負荷的新風量需求為575.98 m3/h(折合8.53次換氣次數)。通過對比人員及動物所需總新風量與處理濕負荷所需新風量的大小，可知新風量換氣次數應設置為8.53 h-1。

取實驗動物房共有兩面外墻，其他均為內部圍護結構，外墻傳熱系數為0.6 W/(m2·K)，室內燈具發熱量為200 W，室內設備發熱量為200 W，鼠的發熱量為2.5 W/只[15]，則設計工況下動物房的負荷結果如表3所示。

表3 動物房負荷統計Tab.3 Load statistics of the laboratory animal room

由于處理濕負荷的新風溫度較低，因此其可承擔室內部分熱負荷。當新風量為8.53 h-1換氣次數時，可承擔的室內冷負荷為2 102.3 W，室內總冷負荷為3 157.2 W，因此循環風量還需承擔1 054.9 W的冷負荷。

4 結果分析

4.1 新型獨立控制空調系統

已知新風換氣次數為8.53 h-1(固定值)，通過CFD模擬調節循環凈化風量(凈化效率為60%)，使室內NH3平均質量分數可以達到不高于1.2 mg/kg的要求。隨著循環凈化風量由1 h-1調節至19 h-1，室內NH3質量分數變化如圖6所示，其中循環凈化換氣次數為1、7、13、19 h-1時的NH3質量分數分布如圖7所示。

圖6 NH3質量分數變化Fig.6 NH3 mass fraction variation

圖7 室內NH3質量分數分布Fig.7 Indoor NH3 mass fraction distribution

由圖6和圖7可知，隨著循環凈化換氣次數的增大，動物房室內NH3質量分數不斷降低，當循環凈化換氣次數增至13 h-1時，室內NH3平均質量分數剛好低于1.2 mg/kg，此時可滿足1.2 mg/kg的基準，說明在控制污染物濃度方面，本文提出的新型獨立控制空調系統是有效的。若繼續增大循環換氣次數，室內NH3質量分數可繼續降低，但降低幅度較小，說明當室內NH3濃度已經較小時，繼續增大循環凈化換氣次數對降低濃度的作用較弱。

對于該實驗動物房，設置總換氣次數為21.53 h-1(新風換氣次數為8.53 h-1、循環凈化換氣次數為13 h-1)，可滿足室內NH3質量分數不高于1.2 mg/kg的要求。與傳統全新風系統的20 h-1換氣次數相比，雖總風量有所增加，但新風量減少了57.4%，有利于降低冷機能耗。

由3.4節可知，該13 h-1循環風還需承擔1 054.9 W的冷負荷。已知冷負荷(1 054.9 W)和室內設計狀態參數(干球溫度23 ℃、相對濕度55%、含濕量9.64 g/(kg干空氣))，通過計算可知循環風送風參數為：送風溫度19.44 ℃、含濕量9.64 g/(kg干空氣)、焓值44.12 kJ/kg。因此，將新風換氣次數設置為8.53 h-1、循環凈化換氣次數設置為13 h-1、循環送風溫度設置為19.44 ℃時，可滿足室內溫度、濕度、污染物濃度均處于規定限值內，保證鼠籠內動物的正常生存，說明本文提出的可實現溫、濕、污染物獨立控制的新型空調系統是有效的。

4.2 節能性分析

由于設計工況下濕負荷較大，其他工況下濕負荷通常相對較小，對于本文的溫、濕、污染物獨立控制空調系統，則設計工況下用于處理濕負荷的新風需求量較大，但新風需求量越大，新風機組能耗越大，節能潛力越不顯著，因此設計工況下的節能性分析可更為保守地體現出該系統的節能潛力，以確保分析出的節能效果可以達到。本節基于3.4節設計工況下的結果，對設計工況下兩種系統的能耗進行了對比。

以北京夏季為例，取兩種系統均采用熱泵系統，將傳統全新風系統(新風換氣次數為20 h-1)與溫、濕、污染物獨立控制的循環凈化系統(新風換氣次數為8.53 h-1、循環凈化換氣次數為13 h-1)進行對比分析。取風機單位風量功耗為0.45 W/(m3/h)[17]，熱泵制冷效率為3。熱泵的蒸發溫度每升高1 ℃，制冷效率可提高約3%[18]，由于送風溫度由14 ℃升至19.4 ℃，則蒸發溫度也可相應提高5.4 ℃，因此高溫冷水熱泵制冷效率可升至3.486。全新風系統與新型獨立控制空調系統的能耗如表4所示。

表4 能耗統計Tab.4 Energy consumption statistics

由表4可知，由于新型獨立控制空調系統新風量降低，新風風機的能耗隨之降低，但由于新型系統增加了循環空氣凈化降溫裝置，則會額外增加循環風機能耗。此外，新風量的減少也降低了熱泵的新風負荷，并且由于循環空氣凈化降溫裝置處理的循環風溫度遠低于室外新風，因此循環風的熱泵能耗較小，二者的共同作用使熱泵功耗大幅降低，總熱泵能耗(新風+循環風)降低52.9%。相比于全新風系統，新型空調系統的總能耗降低了47.9%，說明通過對溫、濕、污染物的獨立控制，新型空調系統具有很好的節能性。

5 結論

基于動物房全新風系統用于處理冷熱、濕負荷所需風量顯著小于保障空氣品質所需風量的情況，本文提出了可實現溫、濕、污染物獨立控制的新型空調系統，并以籠盒式實驗動物房為例，利用CFD軟件模擬了新型獨立控制空調系統的凈化效果，研究了該系統的節能性，得到如下結論：

1)當設置新風換氣次數為8.53 h-1、循環凈化換氣次數為13 h-1、循環送風溫度為19.4 ℃時，可滿足室內溫度、濕度、污染物濃度要求，保證小鼠正常生存，說明本文提出的可實現溫、濕、污染物獨立控制的新型空調系統是有效的。

2)針對北京夏季的設計工況，相比于傳統全新風系統，溫、濕、污染物獨立控制的新型空調系統的新風量可減少57.4%，系統能耗可降低47.9%。