實驗動物中心項目冷熱源選擇及空調選型實證研究

河南大學基建處 姬東風

某某大學實驗動物中心項目是集動物飼養(yǎng)、科研、實驗及教學于一體的建筑物，為了保證動物的成活率及科研的順利進行，此建筑物室內的溫濕度需要常年保持恒定，即此項目屬于高耗能的建筑物。由于此項目的特殊性，對于此建筑物的空調系統(tǒng)選型尤其重要。

一、國內動物房常用的空調形式

據了解，目前實驗動物房所用的空調形式有五種：

1.風冷熱泵形式。此種形式的空調機組一般適用于建筑面積較小的動物實驗中心，能解決四季冷熱源問題，機組設置于建筑物的屋面，不占用室內空間。但此種空調機組能效比較低（COP為3.0），但耗電量最高（會給學校的用電負荷造成很大的負擔），后期運行費用較高。

2.直燃機形式，能解決四季冷熱源問題，需要占用室內空間或者室外場地，此種空調機組能效比最低（COP為1.4），且耗天然氣量較高，后期運行費用最高。

3.水冷螺桿機組+熱交換器（市政熱源）。此種空調機組和市政熱源組合形式適用于大型建筑物，夏天采用水冷螺桿機組供冷，水冷螺桿機組的能效比較高（COP為5.0），耗電量低，冬季采用市政熱源提供的熱量供暖，過渡季節(jié)采用空調機組的余熱或者蒸汽發(fā)生器提供的能量達到室內的溫濕度要求。此種空調形式的組合需要占用一定的室內空間，一般機組設置于地下室，冷卻塔設置于屋面。后期運行費用相對較低。

4.水源熱泵形式，能解決四季冷熱源問題。此種形式的空調機組需要占用一定的室內空間，一般機組設置于地下室，水源熱泵的能效比最高（COP為6.0），利用地下水的恒溫經熱交換給建筑物提供冷熱源，后期運行費用理論上最低。

5.溶液空調。該空調形式是利用不同濃度的鹽溶液吸收或者釋放水蒸氣的方式對空氣進行除濕或者加濕處理。理論上該空調具有高強的控濕能力、高效的殺菌效果、顯著的節(jié)能減排效益和超強的凈化能力。但該空調形式在動物房設計中使用的并不多。

二、項目概況

（一）建設目標

建設一個綜合性、多功能、現代化的醫(yī)藥動物實驗中心，以滿足學校各教學、科研單位需要，并推動學校生物醫(yī)學學科群的快速發(fā)展，為學校的“雙一流”建設提供保障。

（二）建設內容

該項目占地面積約2.01畝，地上四層，地下一層，總建筑面積約6634m2，其中地上建筑面積約5676m2，地下建筑面積約958m2，采用鋼筋混凝土結構。

地上一層分為兩個功能區(qū)，功能分區(qū)一為辦公室、會議室、監(jiān)控室等用房，布置一層平面右側的南北向四跨。功能分區(qū)二為功能試驗室、籠具籠盒存放室、儲藏室等動物實驗輔助用房，布置在平面左側南北向四跨；兩個功能分區(qū)分別在一層設置兩個直通室外的安全出口連通室外，且分別設置樓梯、電梯各一部連接地上各層。

地上二層為大動物飼養(yǎng)實驗室，主要功能用途為“犬、小豬、猴動物實驗室”“家兔、豚鼠動物實驗室”，平面功能采用潔、污分流的布局方式，潔凈流線從右側樓、電梯間進入中間兩排獨立的清潔走廊；污物流線從左側樓、電梯間進入南、北兩側東、西向的污物走廊。

地上三、四層功能為屏障環(huán)境小動物實驗室。

地下一層為電力、熱力、泵房等設備用房。

三、方案比選

由于動物實驗中心要求全年不間斷開啟空調，空調冷熱源選擇成為首要問題。因此在空調系統(tǒng)選型上要求控制靈活、運行節(jié)能、管理方便的空調系統(tǒng)。我們就四種冷熱源方案進行對比。

（一）空調系統(tǒng)冷熱源設計參數

1.氣象參數

開封屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量適中。年平均氣溫14℃，年均降雨量670mm，林木覆蓋率高于全國平均水平。下圖為河南開封地區(qū)全年逐時干濕球溫度曲線和相對濕度曲線，夏季空調設計溫度為35.2℃，相對濕度64%，冬季空調設計溫度-5.5℃，采暖設計溫度-3.2℃。

2.室內外設計計算參數

見表1、表2

表1 空調室內設計參數

表2 空調室外設計參數

（二）空調系統(tǒng)設計

1.項目主要冷熱負荷：

見表3

表3 本建筑主要冷熱負荷

2.運行時間，根據全年的制冷供暖期計算：

見表4

表4 建筑制冷供暖時間

3.運行費用計算公式

計算公式按照：

運行費用=系統(tǒng)總功率×運行天數×每天運行時間×電費

系統(tǒng)總功率=主機總功率+水泵總功率+其他功率

（三）項目能耗方案對比

1.以風冷熱泵機組-水冷機組-地下水源熱泵為例。（見表5-7）

表5 夏季風冷熱泵機組與水冷機組消耗對比

表6 冬季風冷熱泵機組和市政供暖消耗費用對比

表7 電熱蒸汽發(fā)生器和燃氣蒸汽發(fā)生器年消耗費用對比

（四）結果分析：

1.冷熱源：

（1）電驅動地下水源熱泵最為經濟，穩(wěn)定，但其手續(xù)是關鍵，需提前進行政策咨詢。

（2）電驅動水冷機組運行費用與電驅動地下水源熱泵相當，這兩種方式都需要機房面積較大，建議在地下室。

（3）電驅動風冷熱泵機組效率較低，運行費用高，小型動物設施常用，大型動物設施應用經濟性價差，不需要室內大面積機房，但需室外較大面積擺放設備。

（4）三種冷機形式的設備費用基本相當，風冷的稍貴，水冷稍便宜。（風冷機組大約700元/kw，水冷機組大約500元/kw，水冷機組還需單獨配置水冷系統(tǒng)，或者地下水源系統(tǒng)，綜合算起來，設備費用差不太多）

2.蒸汽源：

（1）蒸汽的使用主要在消殺和加濕。

（2）在有天然氣的情況下建議設置天然氣蒸汽發(fā)生器（可以提前咨詢當時安監(jiān)部門政策，盡量避免稱之為鍋爐），節(jié)省電能和運行費用。

（五）推薦組合方式：

1.方案一：地下水源熱泵機組+天然氣蒸汽發(fā)生器

全年的冷熱源均由地下水源熱泵機組提供，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽，最節(jié)能，最穩(wěn)定。

2.方案二：電驅動水冷機組+市政熱源+天然氣蒸汽發(fā)生器

冷源采用電驅動水冷機組，熱源采用市政熱源，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽源，運行經濟性上夏季與方案一相當，冬季雖比不上方案一的節(jié)能程度，但充分利用市政熱源是常規(guī)方案選擇時的最佳選擇。

3.方案三：電驅動風冷熱泵機組+天然氣蒸汽發(fā)生器

電驅動風冷熱泵機組可提供全年冷熱源，天然氣蒸汽發(fā)生器提供蒸汽，此方案的便利程度和方案一基本相當，但是其運行能耗遠遠大于方案一和方案二，在較大冷熱負荷，需全年24小時運行的動物設施，運行費用很高。

基本上確定方案一、方案二為備選方案。

四、實地考察

為確保動物實驗中心投入使用后空調機組能高效、穩(wěn)定地運行及最大保證節(jié)約能源，項目考察組赴北京進行實地考察。考察情況見表8。

表8 北京考察情況匯總表

北京考察結束后，小組成員對考察情況進行了討論，并結合設計院設計人員的空調形式選型對比及建議。考察組意見如下：1.風冷式空調適用于面積較小的實驗動物用房，且耗電量太高，而我校擬建設的動物實驗中心面積較大，因此并不適用；2.直燃機空調運行費用太高，也可以排除；3.水冷螺桿機組+熱交換器（市政熱源）。此種空調形式，由于技術非常成熟且能源供應相對較為穩(wěn)定，后期運行費用又較低，因此，是一種較為合適的空調形式；4.水源熱泵空調。該空調形式由于需要采用地下水源，受政策、地質環(huán)境等影響較大，實驗動物用房鮮有使用，因此需要進一步論證。后咨詢當地水利局，又因受場地面積小，地熱水井打井數目受限，項目不適合采用水源熱泵型式；5.溶液空調。據了解該空調形式因為采用氯化鈣溶液作為熱交換媒介，而動物實驗用房會產生大量氨氣，時間長會造成溶液結塊失效。因此，初步判斷我校動物實驗中心的空調形式為：水冷螺桿機組+市政熱源形式，配合燃氣蒸發(fā)器進行春秋過渡季節(jié)的溫濕度補充。

五、結論

綜上所述，通過對以上空調形式的調研和考察論證，對前期投資、后期運營和維護、空調的穩(wěn)定性以及基建管理等方面通盤考慮，我校建議選用前期投資和后期運營適中、維護方便、空調運行穩(wěn)定的“水冷螺桿機組+熱交換器（市政熱源）+燃氣蒸發(fā)器”的冷熱源及空調形式。