实验动物设施的空气处理

李学勇 贺争鸣 李根平

(1.中国医学科学院药物研究所，北京 100050)(2.中国食品药品检定研究院，北京 100050)(3. 北京市实验动物管理办公室，北京 100195)

实验动物设施是人工控制环境设施，设施内的空气质量直接影响着实验动物质量和动物实验结果的可靠性。因此，实验动物设施对空气处理的要求非常高，不仅需要送入温度、湿度、洁净度都适宜的新鲜空气，也需要将含有湿、热和动物排泄物气味的废气排至设施之外，还需要避免排气对周围环境的不良影响。为此，本文从空气净化、通风与空气调节、排气除臭等环节，介绍实验动物设施空气处理的基本原理、常用方法与主要措施。

1 实验动物设施的空气净化

1.1 空气净化的基本原理

空气中存在的微生物，大多是附着在可供给其所需养分、水分的尘粒上，且微生物的浓度与空气的含尘浓度和粒径均成正相关，即空气中的含尘浓度越高或尘埃粒径越大，含菌浓度就越高；含尘浓度越低或尘埃粒径越小，含菌浓度也就越低(见图1)。细菌大小多为0.5～10 μm，可直接被高效过滤器过滤掉；病毒大小为0.01～0.3 μm，但其大多附着在尘粒上，也可以被高效过滤器过滤掉。因而，人们通常利用空气过滤技术，对空气进行净化处理[1]。

图1 大气微粒的粒径与细菌浓度的关系Fig.1 The relationship between particulate size andbacterial density of atmospheric particles

1.2 洁净室的分类

按照用途，洁净室可分为用于控制无生命微粒污染的工业洁净室(如电子、航天、化工、原子能、印刷、精密仪器制造等精细工业洁净室)和用于控制生物污染的生物洁净室(如医院洁净手术室、制药厂的洁净生产车间、实验动物设施)。两类洁净室有共性，也有区别。

1.2.1共同之处:都是利用空气过滤技术来去除空气中的尘埃粒子而实现空气净化。

1.2.2不同之处:(1)净化目的不同：工业洁净室净化的目的在于避免非控制区的尘埃粒子进入控制区所导致的颗粒性污染。生物洁净室净化的目的在于避免非控制区的尘埃粒子所携带的微生物进入控制区而导致生物性污染。(2)控制措施不尽相同：为了保持较高的洁净度，工业洁净室的换气次数可以很高，且换气方式多为定向流。用于饲养实验动物的生物洁净室，其换气次数应保持在适当的范围之内，且室内不得有换气死角。(3)室内压力不同：为了避免控制区遭受污染，工业洁净室通常使室内保持在正压状态。而生物洁净室的压差控制则不尽然。用于实验动物生产和常规动物实验的生物洁净室，应为正压的屏障环境设施或隔离环境设施，以防止设施周围环境污染设施内环境；进行感染动物实验的设施，应为负压的屏障环境设施或隔离环境设施，不仅防止设施周围环境污染设施内环境，还要防止设施污染其周围环境。

1.3 实验动物设施的空气净化标准

我国现行的《实验动物 环境及设施》(GB 14925—2010)将实验动物设施划分为普通环境、屏障环境和隔离环境三个类别。同时，将屏障环境设施的洁净度规定为7级，将隔离环境设施的洁净度修改为5级或7级(根据设备的要求选择参数。用于饲养无菌动物和免疫缺陷动物时，洁净度应达到5级)，与国际标准ISO 14644-1(见表1)相接轨。

表1 洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度等级Table 1 The clean levels of floating molecules in the air of clean room and clean area

1.4 空气过滤器

空气过滤器是洁净空调系统中的关键设备，其性能直接影响着空气的净化效果。因此，洁净空调系统必须选用合适的空气过滤器，并保证其运行的可靠性。

1.4.1技术指标:

空气过滤器的技术指标有很多，在此简要介绍过滤效率、阻力、容尘量三项主要指标。

(1)过滤效率：它是衡量空气过滤器捕集尘粒能力的参数，是指在额定的风量下，过滤前后空气含尘浓度之差占过滤前空气含尘浓度的百分比。因此，过滤效率也可以理解为“阻留率”。此外，为了能够直观衡量过滤器的性能，人们还使用穿透率(指过滤后空气含尘浓度占过滤前空气含尘浓度的百分比)的概念。显然，二者之间的关系是：过滤效率+穿透率=100%。

(2)阻力：是指过滤器对被过滤空气所造成的阻力。通常所说的初阻力是指新制作的过滤器在额定风量下的阻力，而过滤器报废时所对应的阻力值则为终阻力。通常，终阻力是初阻力的2～4倍。空气过滤器在某一风量下运行，其阻力会随着积尘量的增加而增大，呈上扬的抛物线型。也就是说，当积尘量达到某一数值时，阻力的增加会较快，这时就应该更换或清洗过滤器，以确保净化空调的经济运行。当然，有条件者，也可通过测量过滤器前后的压差值来决定是否需要更换过滤器。当压差值达到粗效100～200 Pa、中效250～300 Pa、高中效300～400 Pa、亚高效400～450 Pa、高效400～600 Pa时，就必须清洗或更换过滤器。

(3)容尘量：理论上讲，它是指过滤器的最大允许积尘量。而在一般情况下，则是指在一定风量作用下，因积尘而阻力达到规定值(一般为初阻力的2倍)时的积尘量。

1.4.2类别与性能:

洁净室用空气过滤器的种类很多，根据过滤效率、使用目的、使用材料和结构形式的不同，空气过滤器有不同的分类方法和不同的称谓。按照过滤效率，国标《空气过滤器》(GB/T 14295—2008)将空气过滤器分为粗效、中效、高中效和亚高效四类，国标《高效空气过滤器》(GB/T 13554—2008)将高效过滤器分为高效过滤器、超高效过滤器两类：

(1)粗效过滤器：按GB/T 14295—2008规定的方法检验，不满足中效及以上级别要求的过滤器。其中，粗效1型过滤器计数效率η≥50%(粒径≥2.0 μm)、初阻力≤50 Pa；粗效2型过滤器计数效率20%≤η<50%(粒径≥2.0 μm)、初阻力≤50 Pa；粗效3型过滤器标准人工尘计重效率η≥50%、初阻力≤50 Pa；粗效4型过滤器标准人工尘计重效率10%≤η<50%、初阻力≤50 Pa。粗效过滤器容尘量大、阻力小、价格便宜、结构简单。滤芯多采用易于清洗和更换的金属丝、泡沫塑料、无纺布、DV化学组合毡等材料，成品为板式、折叠式、楔形袋式和自动卷绕式等。以过滤粒径≥5 μm的沉降性微粒及各种异物为主，常用于新风过滤除尘。

(2)中效过滤器：按GB/T 14295—2008规定的方法检验，对粒径≥0.5 μm的微粒计数效率η<70%的过滤器。其中，中效1型过滤器计数效率η≥60%、初阻力≤80 Pa；中效2型过滤器计数效率40%≤η<60%、初阻力≤80 Pa；中效3型过滤器计数效率20%≤η<40%、初阻力≤80 Pa。中效过滤器的滤芯多采用中、细孔泡沫塑料或其它纤维滤料，成品为插片板式、楔形袋式、板式和折叠式等。以过滤粒径≥1 μm的悬浮性微粒为主，常用于普通空调系统新风及回风的最后过滤器和净化空调系统高效过滤器的预过滤器。

(3)高中效过滤器：按GB/T 14295—2008规定的方法检验，对粒径≥0.5 μm的微粒计数效率70%≤η<95%、初阻力≤100 Pa的过滤器。以过滤粒径≥1 μm的悬浮性微粒为主，常用于一般净化程度空调系统的末端过滤器和高级净化程度空调系统高效过滤器的预过滤器。

(4)亚高效过滤器：按GB/T 14295—2008规定的方法检验，对粒径≥0.5 μm的微粒计数效率95%≤η<99.9%、初阻力≤120 Pa的过滤器。以过滤粒径≥0.5 μm的微粒为准，常用于中级净化程度空调系统的末端过滤器和超高级净化程度空调系统超高效过滤器的预过滤器。

(5)高效空气过滤器：用于空气过滤且使用GB/T 6165规定的钠焰法检验，额定风量下过滤效率η≥99.9%的空气过滤器。其中，A型高效空气过滤器的过滤效率η≥99.9%、初阻力≤190 Pa；B型高效空气过滤器的过滤效率η≥99.99%、初阻力≤220 Pa；C型高效空气过滤器的过滤效率η≥99.999%、初阻力≤250 Pa。以过滤粒径≥0.3 μm的微粒为准，常作为高级净化程度空调系统的末端过滤器。高效过滤器的滤材有玻璃纤维滤纸、石棉纤维滤纸和合成纤维三种。

(6)超高效空气过滤器：用于空气过滤且使用GB/T 6165规定的计数法检验，额定风量下过滤效率η≥99.999%的空气过滤器。其中，D型超高效空气过滤器的过滤效率η≥99.999%、初阻力≤250 Pa；E型超高效空气过滤器的过滤效率η≥99.999 9%、初阻力≤250 Pa；F型超高效空气过滤器的过滤效率η≥99.999 99%、初阻力≤250 Pa。以过滤粒径≥0.1 μm的微粒为准，常作为超高级净化程度空调系统的末端过滤器。超高效过滤器的滤材有玻璃纤维滤纸、石棉纤维滤纸和合成纤维三种。

1.4.3联合应用

一般情况下，粗效和中效过滤器的联合使用，可以满足一般洁净空间(如宾馆、会所等)的净化要求；粗效、中效(或高中效)、高效过滤器的联合使用，可以满足中、高级洁净空间(如7级以上的实验动物设施、制药车间、医院手术室、食品及精细工业生产车间等)的净化要求；粗效(或中效)、高中效(或亚高效)、超高效过滤器的联合使用，可以满足高级洁净空间(如5级以上的实验动物设施、洁净工作台、制药车间、医院手术室、食品及精细工业生产车间等)的净化要求。在对洁净空调系统空气过滤器的设计和选配时，一方面要合理选择各级过滤器的效率，即要使相邻两级过滤器的效率相差不能太大，以使前级过滤器能有效保护后级过滤器，更要保证末端过滤器的过滤效率符合洁净度的要求。另一方面，要兼顾额定风量和阻力的因素，确保送入洁净空间的风量和风压符合相应的要求[2]。此外，为确保后续设备的工作性能和洁净空间的净化效果，粗效过滤器应设置在送、排风系统的起端，中效过滤器应设置在空气处理机组的正压段，高效过滤器应设置在送风系统的末端(三、四级生物安全实验室的室内排风口处应设置高效过滤器，可参见现行的《生物安全实验室建筑技术规范》)。

2 实验动物设施的通风与空气调节

作为人工环境的实验动物设施尤其是屏障以上级别的设施，其内部不仅饲养有大量的实验动物，也需要相应的从业人员在其内部进行动物饲养、设施管理和实验操作。不仅动物和人员的呼吸需要新鲜、足量、洁净、温度、湿度适宜的空气，动物的新陈代谢和人员的作业活动所产生的有害气体、气溶胶、热、湿等又都需要随时排出设施。如果设施的通风和空气调节缺乏保障，设施内空气的新鲜度、洁净度、温度、湿度等一系列因素都得不到保证，不仅会给实验动物的质量和从业人员的健康带来严重的后果，也会严重影响动物实验结果的可靠性。因此，实验动物设施的通风空调系统不仅是非常复杂的，也是极其重要的。下面仅对通风空调系统应具备的功能进行简要描述。

2.1 通风与空气调节基础知识

2.1.1湿空气的状态参数

空气在任何温度下都含有水汽。空气湿度(Humidity)即气湿，是表示空气潮湿程度的物理量，其决定性因素是空气的含水量。湿空气的状态通常可以用温度、水汽压、密度、绝对湿度、含湿量、相对湿度、露点、焓、显热、潜热等状态参数来表述和度量[3]。

图2 干湿球温度计Fig.2 Psychrometer

(1)温度(Temperature)：又称环境温度，是表示物体周围环境中空气冷热程度的物理量，其决定性因素是空气的热量。常用的测量方法有摄氏、华氏、开氏三种温标法。摄氏温标(也称国标百度温标)用t表示，是将一个大气压下纯净水的冰点设定为0度、沸点设定为100度，每一等分即为摄氏一度，计作1 ℃。华氏温标用F表示，是将一个大气压下纯净水的冰点设定为32度、沸点设定为212度，每一等分即为华氏一度，计作1℉。开氏温标(也称热力学温标、绝对温标、国际温标)用T表示，是将一个大气压下纯净水的冰点设定为273度、沸点设定为373度，每一等分即为开氏一度，计作1 K；在热力学中规定，当物体内部分子的运动终止时，其绝对温度为零度(T=0 K)。以上三种温标的换算关系是：t=(F-32)/1.8=T-273。

(2)水汽压：湿空气中水蒸汽本身所产生的压力，称为水汽压，它直接反映着水蒸汽含量的多少，以Pq表示，单位为 mmHg或Pa。水汽压是大气压的一部分，即：P=Pg+Pq。其中，P为大气压力(Pa)，Pg为干空气的分压力(Pa)，Pq为水蒸汽的分压力(Pa)。水蒸汽分压力的高低与气温有着密切的关系，气温越高，水分的蒸发作用越强，湿空气中水蒸汽的含量就越多，水蒸汽的分压力也就越大。

(3)密度：单位容积空气所具有的质量，称为空气的密度，以ρ表示，单位为kg/m3。湿空气的密度等于干空气的密度与水蒸汽的密度之和，即ρ=ρg+ρq=0.003 484B/T-0.001 34Pq/T。其中，ρg为干空气的密度(kg/m3)，ρq为水蒸汽的密度(kg/m3)，B为当地大气压值(Pa)，T为湿空气的温度(K)。由此可见，湿空气的密度随水蒸汽分压力的升高而降低。所以说，湿空气比干空气轻；空气越潮湿，水蒸汽含量就越大，其空气密度则越小，大气压力也越低(这就是阴雨天的大气压力比晴天低的原因)；气温越高，其空气密度则越小，大气压力也越低(这就是同一个地区的夏天比冬天气压低的原因)。 在标准状况(B=101 325 Pa，t=20 ℃)下，干空气的密度ρg=1.205 kg/m3；由于湿空气的密度取决于水蒸汽分压力Pq值的大小，实际计算时一般取ρ=1.2 kg/m3。

(4)绝对湿度与含湿量：绝对湿度是指单位容积空气中所含水蒸汽的质量，以ω表示，单位为kg/m3干(空气)。由于容积会随着温度的变化而变化，即使水蒸汽的质量保持不变，ω也会随着温度的变化而变化。因此，在实际应用中，一般不使用绝对湿度，而使用“含湿量”这一概念。含湿量的定义为每千克干空气中所含水蒸汽的质量，以d表示，单位为kg/kg干(空气)。含湿量的计算公式为：d=0.622ρq/(B-ρq)。由公式可见，当大气压力B一定时，含湿量d与水蒸汽的分压力成正相关。在雨雪天，由于水分与空气的接触机会增加，水分的蒸发作用加强，水蒸汽的分压力大，空气的含湿量就比晴天高。

(5)相对湿度(Relative Humidity，RH)：即人们通常所说的 “湿度”。湿空气的干湿程度对人、动物和其它生物的生存以及人类生产活动的影响，并不单纯地取决于空气中水蒸汽含量的多少，而是取决于空气接近饱和的程度如何。相对湿度正是反映这种接近程度的一个状态参数，用符号φ表示，其定义为空气中实际水蒸汽分压力与同温度下饱和水蒸汽分压力之比，即：φ=Pq/Pqb×100%。其中，Pqb为同温度时的饱和水蒸汽分压力。由此可见，φ值越小，则空气的饱和程度越小，空气越干燥，吸水能力越强；φ值越大，则空气的饱和程度越大，空气越潮湿，吸水能力越弱。φ为100%的湿空气是饱和湿空气。

实际工作和生活中，只要知道φ值的大小，就可以知道空气的干湿程度。以往，相对湿度的测量是通过干湿球温度计(见图2)来实现的。其原理是，根据干球与湿球(球部以纱布包裹，纱布下垂入水槽内，从而使球部始终处于全湿状态。它所显示的数值为水温，即达到饱和状态的气温)温度计读数的差值，从湿度表上读出相对湿度的数值(差值与相对湿度成负相关)。其操作方法是，在干、湿球温度值稳定时，读取干、湿球的温度值，计算出二者的差值，通过滚动中间的圆柱体(附有湿度表)找到此差值，该差值与干球温度值相交处的湿度值即为当时的相对湿度(%)。目前，在干湿球温度计原理基础上，通过技术改进，已有各式各样的指针式、数字式湿度计供人们选择。

(6)露点：当空气中的水蒸汽含量一定即水汽压不变时，因气温下降而使空气中的水蒸汽达到饱和状态即φ=100%，此时的温度即为露点温度，简称露点，以ti表示。在气压不变时，空气的露点只取决于空气中水蒸汽的含量，且二者之间成正相关。即水蒸汽的含量不变时，露点也不变；水蒸汽的含量增加或减少，露点也就相应地升高或降低。

实际气温与露点之差表示空气距离饱和的程度。气温高于露点，表示空气未达到饱和状态(φ<100)；气温等于露点(φ=100%)，表示空气达到饱和状态；气温低于露点，表示空气超过饱和状态(φ>100)，开始出现结露，这就是在低温的早晨能够产生露水、在空调制冷时表冷器的表面能够产生冷凝水的原因。事实上，在传统的空调技术中，人们正是利用冷凝原理进行空气除湿的。

(7)焓、显热与潜热：焓是一个表示单位物质所含热能的物理量。湿空气的焓是干空气焓与水蒸汽焓之和，以i表示，单位为kcal/kg。其中，干空气焓是与温度有关的热量，称为显热；而水蒸汽焓是水的汽化热，它仅随着含湿量的变化而变化，与温度无关，故称潜热。当湿空气的温度和含湿量升高时，焓值也增大；当空气温度升高而含湿量下降时，焓值就不一定增大。

2.1.2湿空气的焓湿图:上述内容表明，各状态参数之间的关系非常密切，也很复杂。比如，尽管φ和d同为湿空气的状态参数，但意义却不相同。φ能够表示空气的饱和程度，但不能表示水蒸汽的含量；d则相反，能够表示水蒸汽的含量，而不能表示空气的饱和程度。φ和d的关系为：d=0.622×φPqb/(B-φPqb)。此外，φ与t之间也有着密不可分的关系。在d值保持不变的情况下，φ与t的关系为负相关，即t值越高，φ值就越低；t值越低，φ值则越高。这就是一天中白天尤其是午后φ值较低、夜间尤其是凌晨φ值较高的原因之所在，也是夏季空调制冷后φ值升高甚至达到100%而结露、冬季加热后φ值降低甚至在10%以下的原因之所在。

为了直观地反映t、i、d、φ之间的关系及空气状态的变化过程，人们绘制出了湿空气焓湿图，也称i-d图(见图3)。为使图面开阔，线条清晰，在确定坐标比例尺之后又能绘出一系列与纵坐标平行的等含湿量线d和与横坐标平行的等焓线i，两坐标轴之间的夹角大于或等于135°。图中有一组不平行的等温线t[根据公式i=1.005 t+d(2501+1.836 t)绘制]、一组抛物线型的等相对湿度线φ[根据公式d=0.622×φPqb/(B-φPqb)绘制]和d轴上方的水蒸汽分压力线Pq[根据公式d=0.622×ρq/(B-ρq)绘制]。此外，为了说明空气自一个状态到另一个状态的热湿变化过程(即方向和特征)，在i-d图的右下角还标有热湿比线ε(也称过程线或角系数线。ε=1 000×Δi/Δd即表示状态变化前后焓差和含湿量差的比值)。由于湿空气的状态参数因大气压的不同而不同，因此每一张i-d图都是在一定大气压条件下绘制的。

在i-d图上，任意一点都代表着空气的一个状态，它的各种状态参数均可由图查出或依图算出。因此，i-d图具有非常重要的应用价值。它既是空调工程技术人员对空调参数进行计算和对通风空调设备进行设计的基本依据，也是实验动物设施运行管理人员的重要参考工具。它能够帮助人们更好地理解湿空气的各种变化过程(见图4)，从而对空调设备的运行管理起到重要的理论指导作用。

(1)干加热过程：空调处于加热过程时，空气的温度会升高而含湿量不变，空气的状态变化是等湿、增焓、升温，但相对湿度下降，即图上的A→B过程。

(2)干冷却过程：空调处于冷却过程时，空气的温度会降低。当空调表冷器表面的温度等于或高于湿空气的露点时，空气中的水蒸汽不会凝结，其含湿量不变，空气的状态变化是等湿、减焓、降温，但相对湿度升高，即图上的A→C过程。

图3 湿空气焓湿图Fig.3 Psychrometric chart of wet air

图4 湿空气状态的典型变化过程Fig.4 The typical changing processes of wet air status

(3)等焓减湿过程：利用固体吸湿剂干燥空气时，空气的含湿量降低，潜热减少。水蒸汽凝结时放出的汽化热使空气的温度升高，但焓值基本不变，只是略微减少了凝结水带走的液体热。空气的状态变化近似于等焓、减湿、升温，相对湿度降低，即图上的A→D过程。

(4)等焓加湿过程：利用湿膜或高压喷雾法对空气进行加湿时，水吸收空气中的热量而蒸发为水蒸汽。空气失去显热量，温度降低。水蒸汽扩散到空气中增加了空气的含湿量，同时增加了空气的潜热量。由于空气失去显热的同时得到潜热，其焓值基本不变，此过程称为等焓加湿过程。又因为此过程中空气与外界没发生热量交换，所以此过程又称为绝热加湿过程。空气的状态变化近似于等焓、加湿、降温，相对湿度升高，即图上的A→E过程。

(5)等温加湿过程：利用电极式或干蒸汽式加湿时，空气中增加了水蒸汽，其焓和含湿量都增加。由于喷入蒸汽的温度t=100 ℃左右时，ε≈2690，该过程与等温线近似平行，故称为等温加湿过程。空气的状态变化近似于等温、增焓、加湿，相对湿度升高，即图上的A→F过程。

(6)冷却干燥过程：空调处于冷却过程时，当空调表冷器表面的温度低于湿空气的露点时，空气中的水蒸汽将会凝结为水，空气温度降低的同时，含湿量也降低。空气的状态变化是减湿、减焓、降温，但相对湿度升高，即图上的A→G过程。

2.1.3温度、湿度与通风的关系：温度、湿度和气流速度是三个主要的温热因素。它们对动物的影响不是孤立的，而是以温度为核心，相辅相成、相互制约，共同影响着动物的生理机能和动物实验结果。过低的气流速度不利于动物体表的对流散热和皮肤汗腺的蒸发散热；而如果气流速度过高，即使环境温、湿度适宜，但动物体表的对流散热和皮肤汗腺的蒸发散热都增强，也会引起动物的不适。例如日本的山内忠平研究发现，在温度23 ℃、相对湿度50%的环境下，风速在0.1 m/s、0.2 m/s和0.5 m/s三个不同的状态下，实际温度分别相当于21 ℃、20 ℃和18℃[4]。因此，实验动物设施内笼具处空气的流速一般不应超过0.2 m/s。

2.2 送风与排风

2.2.1设备选择：由于实验动物设施的换气次数、气流速度、噪声、梯度压差等环境技术指标都需要靠送、排风设备来实现，因此送排、风机的选配非常重要。当然，由于需要不间断的送、排风，屏障以上实验动物设施还必须配有备用送、排风机。通风机按其空气流向与风机主轴的相互关系，可分为轴流式和离心式两种。

(1)轴流式通风机：空气流向与风机主轴保持平行的风机称为轴流风机。它的特点是风量大、风压小、耗电省、噪声大，因而常用于对风压要求不高的场合。

(2)离心式通风机：送出的空气流向与风机旋转轴呈直角关系的风机称为离心式风机。它的特点是风压较高，噪声较低。在实验动物屏障设施中，由于既要克服各级过滤器和风道的阻力，又要在洁净区内形成合理的压力梯度，往往需要压头高的送风机，因而一般选用离心式风机。

为有效节能，变频风机已经在实验动物设施建设中得到越来越广泛的应用。值得注意的是，由于风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，变频调速时风压的变化要大于风量的变化，而实验动物设施需要比较稳定的风压来防止洁净区的污染。因而，设计时宜选用风量变化大时风压变化小的风机。

2.2.2换气的质量控制：在对换气量的把握上，尽管换气次数越高，换气效率就越高，空气的洁净度也越高，但相应的气流速度和送、排风成本也会越高。而高流速的空气经过动物体表时，将会带走大量的动物体热而使动物体温的保持变得非常困难，幼仔发育不良甚至不能存活。因此，我国对实验动物设施的换气次数进行了明确的规定(参见相关国标)，并要求送、排风设备的连锁运行(正压设施的送风应先于排风开启、后于排风关闭；负压设施的排风应先于送风开启、后于送风关闭)。为保证通风换气的效率，避免设施内环境的交叉污染，实验动物设施的通风换气通常使用全新风系统，设施内相邻两房间的排风口不能直接相通。如果为了节能而使用循环风，不仅要先去除其中的粉尘颗粒物和有毒有害气体，还要保证在同一单元内循环。因此，在实验动物设施中，循环风的利用受到了很大的限制。

2.3 温、湿度调节

实验动物和动物实验对环境温度和湿度都有比较严格的要求。而要保持环境温、湿度的适宜，就需要在设施的通风换气系统中配置合适的热、湿处理装置。

2.3.1温度的保障：在对环境温度的保障方面，不仅要考虑夏季的降温和冬季的升温，还要考虑春、秋季节的冷热调节功能。在夏季，通常利用空调箱表冷器的降温作用来保障设施内的温度合格，其冷源由配套的制冷设备来提供。在冬季，通常利用空调箱散热器(可单独设置，也可与夏季的表冷器共用)的升温作用来保障设施内的温度合格，其热源由配套的热水、蒸汽、热泵等供热系统来提供。当然，也有利用电加热器直接加热空气的，不过其能效比较低，且一定要保障其安全运行。例如，作者曾遭遇过电加热起火的事件，其原因主要是高温断电保护失灵，而其造成的后果非常严重。因此，电加热器的安全问题应该引起空调系统设计人员和使用人员的足够重视。在春、秋季节，室外的气温变化较大，时高时低，需要适时利用制冷或加热设备来保障设施内的温度合格、稳定。

2.3.2湿度的保障：对空气湿度的调节包括加湿和除湿两个方面。

(1)加湿：在空气含湿量较低的季节，为了保证实验动物设施内的环境湿度，应在空调箱的热调节之后，利用等温或等焓的型式对新风进行加湿。等温加湿所利用的高温蒸汽是洁净的，加湿后也不会降低空气的温度(即不必再行热补偿)；相反，等焓加湿是利用湿膜或高压喷雾技术，使水分在空气中气化而加湿，水和水垢的存在不易保持空调箱和风道的洁净化(如易产生嗜肺军团菌、β-溶血性链球菌、真菌等微生物污染)，而且加湿后会降低空气的温度(相应需要提高前端的加热负荷)。因此，等温加湿应为实验动物设施的首选加湿型式。但是，由于缺乏连续的蒸汽供应或因电力供应有限而不能使用电极式蒸汽发生器，设施就不得不选择等焓加湿的型式了。在选择等焓加湿时，为了减少水垢的产生，尽量使用去离子水。

(2)除湿：在空气含湿量较高的季节，为了保证实验动物设施内的环境湿度，空调机组应有除湿功能。除湿的方法有五种：冷凝除湿、液体吸收除湿、固体吸附除湿、转轮除湿和膜法除湿(见表2)。冷凝除湿是利用湿空气被冷却到露点以下，将冷凝水脱出的除湿方法，也称露点法。液体吸收除湿是利用某些溶液(如氯化锂、溴化锂、氯化锌等金属卤盐溶液)能够吸收空气中的水分而将空气脱湿的方法，也称液体吸收法。固体吸附除湿是利用某些固体吸附剂(如硅胶、氧化铝、分子筛、氯化钙等)吸湿的方法对空气进行吸附除湿，也称固体床吸附法。转轮除湿法是将固体吸湿剂附着在转轮上，通过转轮的运转对空气进行吸附除湿的方法，因而可以说它是固体吸附除湿的改良方法。膜法除湿是利用具有高渗透性和高机械强度的除湿膜(如用聚乙烯醇膜、赛璐玢膜、藻酸膜、壳聚糖膜等)对空气进行渗透除湿的方法[5]。

表2 不同空气除湿方法的特性比较
Table2Thecharacteristiccomparisonofdifferentairdehumidifyingmethods

冷凝除湿液体吸收除湿固体吸附除湿转轮除湿膜法除湿分离原理冷凝吸收吸附吸附渗透除湿后露点(℃)0～-200～-30-30～-50-30～-50-20～-40设备占地面积中大大小小操作维护难度中大中大中处理空气量(m3/min)0～30100～2 0000～2 0000～2000～100生产规模小～大型大型中～大型小～大型小～大型主要设备冷水机、表冷器、热补偿器吸收塔、泵、换热器吸附塔、换热器、切换阀等转轮除湿器、换热器膜分离器、换热器能耗大大大大小

以冷凝除湿为例，由于除湿后需要适当的热补偿以提高除湿后的温度，因此表冷器后应设置热补偿设备(如利用电加热或制冷机组的排出热能等)。表冷器可将新风温度降至低于动物所需要的数值，从而使新风中的水分大量冷凝而析出(冷却干燥过程)，热补偿设备将低温高湿的新风适当加热而使温度提高到动物所需要的数值，相对湿度便可降低到动物所需要的数值(干加热过程)。

在我国许多地区，许多实验动物设施夏季的除湿工作做得并不到位，主要是因为设施设计或使用时忽视了除湿工作。因此，空气除湿问题，尤其是低能高效的除湿方法在实验动物设施中的应用问题，应该引起实验动物行业的重视。

2.4 自动控制

通风与空气调节的目的是为了保障控制区的空气品质，而通风空调系统一旦运行异常或出现故障，控制区的空气品质就得不到保障。作为人工环境的实验动物设施，对通风空调系统的要求更为严格，不仅要连续运转，而且要保证送排风量、温湿度、空气洁净度和区域间的梯度压差等参数的适宜且稳定。因此，实验动物设施尤其是屏障环境设施和隔离环境设施，必须配套完整的自动控制装置。自控装置可以是对送排风参数(风量、风速、风压、梯度压差)、冷热水参数(温度、流量)、空气参数(温度、湿度、洁净度)等进行单独测量和控制的简单装置，也可以是对上述各种参数和各种设施设备运行工况进行全面测量与控制的复杂装置，更可以是包括人员出入、图像监控等楼宇状态进行综合监控的计算机系统工程。目前，由于采用了模块化设计，在允许范围内可任意增加输入、输出模块而扩展系统的功能，人机界面的数字直接控制系统(DDC)在通风空调系统乃至楼宇监控系统的应用已非常广泛[6]。

2.4.1送、排风控制：考虑对送、排风同时进行调节时，梯度压差容易维持，但风量变化会较大，且易形成喘震，因而在送、排风和梯度压差初次调试合理后，平时正压设施一般只调节送风，负压设施一般只调节排风。控制系统可以通过安装在风道上的风速传感器实时测量送风流量，也可以通过安装于风道或室内的压差传感器实时测量压差的变化，将测量的实际值与用户的设定值进行比较、处理，适时自动调节风机变频器的频率，以达到风量和压差稳定的目的。

2.4.2温、湿度控制：控制系统通过安装在风道和室内的温、湿度传感器能够实时测量送风温、湿度，将测得的实际值与用户的设定值进行对比、处理。当温度异常时，适时自动调节冷、热水阀的开度(以冷、热水调温为例)；当湿度偏高时，适时自动调节冷冻水和热补偿阀门的流量(以冷凝除湿为例)；当湿度偏低时，适时自动调节蒸汽阀门的流量(以干蒸汽加湿为例)。从而自动调节送风的温、湿度，以满足室内温、湿度的要求。

2.4.3状态监测：在向控制器发出指令以调节各种环境参数的同时，控制系统可以对这些参数的状态、各种设备的运行工况、人员出入等进行综合的数字或图像监测、记录，并利用声光报警装置对异常情况进行报警。比如，过滤器压差报警时，可提示人们清洗或更换过滤器，以保持室内环境的洁净度；设备状态报警时，可提示人们设备或电力出现故障，需要检修或维护，以保证设备的正常运转。

3 实验动物设施的排气除臭

实验动物设施内饲养的实验动物，每时每刻都要向其周围环境排放大量的废气。这些废气不仅包括动物呼出的二氧化碳，也包括动物正常代谢所产生的氨、硫化氢、甲基硫醇、硫化甲基、三甲胺、苯乙烯、乙醛、二硫化甲基等多种臭味气体。如果处理不当，这些排气就会给周围环境带来污染，轻者刺激人的嗅觉器官引起不悦，重者则可引发人的头痛、恶心、眼角膜和呼吸道炎症、抗病力降低，甚至导致肺水肿、肺充血，严重影响人的身心健康[7]。

除臭的方法有很多，其中最常用的是利用比表面积大的活性炭等吸附材料进行的吸附除臭[8]。该方法虽具有除臭效果好的优点，但由于实验动物设施的排风量较大且长年连续不断，使得活性炭吸附装置的吸附性能很快降低而失去除臭能力，因而就需要不断再生或更新，成本显然较高。为了保障除臭性能的持续性高效，降低除臭成本，基于恶臭物质的水溶性原理，作者研制出了一种新型空气除臭装置[9]。

3.1 除臭装置及其工作原理

3.1.1除臭装置

在实验动物设施的排风末端，安装一个与排风量相匹配的箱体(类似风筒，见图5)。该箱体的下部为蓄水段，用于储存循环水；蓄水段的右侧壁装有带浮球阀的自动补水口，用于接入水源；蓄水段的左侧壁装有循环水泵、排污口和溢水口，分别用于驱动水喷淋系统运行、排污(兼循环水采样)和溢水(溢水口)。蓄水段的上部为排风导向段，用于将排风方向调整为与喷淋水呈对流的向上方向；排风导向段的右侧为排风入口，接收排风管道送入的排风；排风导向段的正面为检修门，用于装置内部检修。排风导向段的上部为水喷淋段，其底部设有既能减小空气阻力、又能承载空气扰流球的底网(见图6)；底网上部填充塑料制成的空气扰流球(见图7)，用于将排风与雾化的循环水充分接触；空气扰流球的上部密置布水管，布水管上又密布大量的散射状微孔，用于雾化循环水。布水器的上部敞口，用于排放除臭后的空气。

图5 除臭装置结构示意图Fig.5 The structural diagram of deodorizer

图6 水喷淋段底网Fig.6 The water spraying bottom net

图7 空气扰流球Fig.7 The air flow disturbing ball

3.1.2除臭原理

在运行状态下，经水泵加压的循环水从微孔中喷出，形成大量的水雾。水雾在向下降落的过程中，与向上流动的排风接触，以溶解吸收排气中的臭气等可溶性物质。通过水的雾化和空气扰流球的扰流，使循环水与排气充分接触而充分溶解吸收排气中的可溶性物质，从而达到除臭效果(见图8)。

图8 除臭装置实物Fig.8 The physical deodorizer

3.2 除臭效果

3.2.1除臭检测

每年的夏季气温高、湿度高、气压低，不利于排气中恶臭物质的扩散，在实验动物设施周边常能闻到臭气。为此，作者将检测的时间安排在8月下旬(见图9)。为了保障检测效果的客观、准确，作者请国家环境分析测试中心对实验动物设施所排臭气中有代表性的氨和硫化氢进行了检测(检测报告编号：2006字第234号，见图10)。检测项目包括水喷淋(除臭)前、后排风中的氨和硫化氢，除臭前、后循环水中的氨氮(氨在水中的可检测形式)和硫化物(硫化氢在水中的可检测形式)。采样时机：对于排气，于除臭前、后各取三个时间点采样；对于循环水，于除臭前取一个时间点采样(因水源未受臭气的污染而无需重复采样)、于除臭后取两个时间点采样(因两次采样结果已显现吸收恶臭物质的效果而无需进行第三次采样)。每次采样均取3个样本，以其平均值为检测结果。

图9 检测现场Fig.9 The detecting scenes

图10 检测报告Fig.10 The detecting report

3.2.2检测结果

(1)排气中氨和硫化氢的含量变化

在各检测时间点上，抽样检测排气中氨和硫化氢的含量变化结果见表3。

表3显示，在除臭之前，排气中的氨含量三次抽样结果都在0.5 mg/m3以上(平均值为0.724 mg/m3)，且有明显升高之势，而除臭之后，排气中的氨含量三次抽样结果都在0.5 mg/m3以下(平均值为0.460 mg/m3)，且略有下降之势；同样，除臭之前，排气中的硫化氢含量三次抽样结果都在0.003 mg/m3以上(平均值为0.004 mg/m3)，且略有升高之势，而除臭之后，排气中的氨含量三次抽样结果都低于检出限。

采用SPSS13.0软件包进行统计分析的结果是：与除臭前相比，除臭后排气中氨和硫化氢的含量都显著降低(P<0.05)，说明该装置能够有效去除排气中的氨和硫化氢。事实上，经过除臭，检测人员在排气口周围闻到的臭气味道也明显减轻。

(2)循环水中氨氮和硫化物的含量变化

在各检测时间点上，抽样检测循环水中氨氮和硫化物的含量变化结果见表4。

表3 排气中氨和硫化氢的含量变化(n=3)Table 3 The content changes of ammonia and hydrogensulfide in exhaust gases(n=3)

注：除臭的开始时间为12：30；N.D.为低于检出限；原检测报告中只列出各数据的算术平均数，故本表未能列其标准差。

Note: The start time of deodorization is 12:30; ND represents the content cannot be detected; The original report only shows the average figure for all the data, so this table cannot show the standard deviations.

表4 循环水中氨氮和硫化物的含量变化(n=3)Table 4 The content changes of ammonia and nitrogencompounds and sulfide in circulating water(n=3)

注：除臭的开始时间为12：30；N.D.为低于检出限；原检测报告中只列出各数据的算术平均数，故本表未能列其标准差。

Note: The start time of deodorization is 12:30; ND represents the content cannot be detected; The original report only shows the average figure for all the data, so this table cannot show the standard deviations.

表4显示，在除臭之前，水中氨氮和硫化物的含量均低于检出限，而除臭2小时便捡出了氨氮，除臭2.5小时后氨氮的含量达到除臭2小时时的6倍以上。说明排气中的氨的确被循环水吸收掉了。另外，在除臭前、后，水中硫化物的含量均低于检出限，结合表3，可以看出排气中的硫化氢也的确被循环水吸收掉了。

3.3 应用价值

活性碳吸附除臭的方法在实验动物设施建设甚至在其他领域中也已得到了普遍应用。在实际应用中，由于受再生或更换的成本较高、操作不便等限制，不少设施在初期安装之后便很少再生或更新，其除臭性能便无法得到保障。而且，随着被吸附物质的不断增多，活性炭固定床对排风的阻力也不断增大，在不断降低排风效率的同时，也不断增加排风的能耗。本水喷淋除臭装置在除臭效果理想的同时，也存在着不受水质限制(既可利用自来水，也可利用净水设备、高压蒸汽灭菌器等设备运行时所产生的中水)、能耗较低(排气始终处于类似水洗状态而不会增大空气扰流球对排风的阻力，装置也可以根据实际需要在不必要时停止工作)、维护简单(主要做好供水系统的冬季防冻保护和定期排出蓄水段的污水即可)、控制方便(可根据需要自由设定溢水量)等优点，获得了国家知识产权局颁发的实用新型专利证书(专利号：ZL 2008 2 0029893.2)，业已在中国医学科学院药物研究所等单位得到应用。显然，本水喷淋除臭装置值得在实验动物设施建设中加以推广应用。

本装置是一种水吸收装置，臭气物质在中水中的溶解度是有限的。因而，开始启动时应通过检测一定溢流量下的除臭效果，来修正溢流量，从而使除臭后排风中臭气物质的浓度符合《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—93)的要求，也使流入市政污水管网的废水符合《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的要求。