独立通风笼具两种送风方式的解析

季金星

(上海得风建筑设计有限公司，上海 200233)

伴随着国家“健康中国2030规划”以及“建设双一流大学战略”的全面深入实施，作为生物医药行业科研实验和生命科学研究重要支撑条件之一的实验动物设施，近些年迎来了一波建设热潮。独立通风笼具(individually ventilated cage，IVC)系统，可为实验动物提供相对稳定且独立的微环境，同时也能较好地控制动物之间及动物与人之间的交叉感染风险。该系统被广泛地应用在大量的实验动物设施中。在目前各大新建的设施中，IVC笼具的空调送风主要存在如图1所示的两种方式。送风方式A：IVC自带主机，主机从房间取风后，再向笼具送风。送风方式B：IVC不带主机，屏障设施设置集中专用的送风系统向各笼架送风。本文将从安全可靠性、空间利用率、运行能耗、监控调节、初投资这五方面对上述两种送风方式的具体特点和适用性进行分析。

1 安全可靠性分析

1.1 送风方式A

采用该方式，每台控制主机可对一组或多组笼架送风，其笼具送风由每台控制主机上的送风机直接从房间内抽取。笼具送风的来源为对房间空气集中进行冷热、过滤处理的净化空调箱，该空调箱设置必要的备用措施。

在发生故障或污染的情况下，该系统可能存在以下几种风险：

(1)当房间的集中空调箱发生故障且备用机组也因故障无法有效投入使用时，由于房间的温湿度将失控，因此该空调箱所服务的所有房间、所有笼具内的微环境指标也将失控。

图1 两种不同送风方式的系统示意图Figure 1 Schematic diagram of the two different air supply systems

(2)当房间内的单台控制主机发生故障时，由于控制主机本身没用备用设备，因此由该主机所控制的笼具将受影响，而由其它主机所控制的笼具仍可维持正常工作状态。虽然近年来随着IVC产品的生产及制作水平不断提高，大多数品牌的控制主机已经具有比较可靠稳定的运行性能，但市场上依然存在产品质量良莠不齐的现象。若在大型项目中应用送风方式A，则往往需要设置几百台的IVC主机。大量主机均经受着常年不间断运行且无备用设备轮换的考验，无形中会成为大量的故障隐患。

(3)由于IVC主机是从房间取风的，因此一旦发生管理事故造成某房间内的空气被污染，则该房间的笼盒内的实验动物也将面临被污染的风险。此外，由于IVC笼盒通常被设定为相对房间保持一定正压，因此当某些笼盒内的动物被意外感染时，在正压作用下，通过房间空气这一媒介，各笼盒间也存在交叉感染的风险。在管理人员及时发现污染的情况下，可通过临时将污染笼盒调整为负压来控制交叉感染。当然，在IVC主机及笼盒的高效过滤网均不发生渗漏且定期更换的前提下，上述污染风险均在可控的范围内。

1.2 送风方式B

采用该方式，房间送风与IVC笼具送风设置两套完全独立的空调机组，且各自设置相应的备用措施。实际工程中，可在房间送风管与笼具送风管之间设置备用旁通管，旁通管上设置电动定风量阀(见图1)。该阀门平时常闭，当笼具送风空调箱发生故障且其备用设备也失灵时该阀门自动迅速开启，应急送风。根据《实验动物 环境及设施》(GB 14925-2010)的规定，屏障环境房间的洁净度级别为7级[1]，其送风同样须经过初、中、高三级过滤。房间空调送风应急旁通作为IVC笼具的送风，可在短时间内基本维持笼具内的微环境指标，包括洁净度指标。

在发生故障的情况下，该系统可能存在以下风险：当房间送风空调箱及IVC笼具送风空调箱均发生故障且各自的备用设备均也因故障无法投入使用时，该空调箱所服务的所有房间内实验动物的微环境指标将失控。

1.3 对比分析

送风方式B配置了“房间送风”及“笼具送风”两套完全独立的送风系统，两者互不干扰、互不污染、互不依赖。由于各笼架均不带送风主机，该系统室内不存在大量点位的可能发生故障的风机动力部件及过滤器。通过设置紧急旁通风阀，“房间送风”可在“笼具送风”的备用设备失灵时作为第二备用风系统应急投入使用。送风方式B 较之送风方式A，可提供更安全可靠的空调通风系统运行保障。

2 室内空间利用率分析

实验动物设施建设难度大、造价高，业主往往希望设施建成后能够尽量多地布置笼具。尤其对于实验动物生产企业而言，空间的利用率对其产量及利润更是至关重要。下文以一个典型的小鼠饲养房间为例，计算对比采用上述两种送风方式时的室内空间利用率。

对比模型概述：该饲养房间面积为70.8 m2。采用密集型单面、双面IVC笼架。单面笼架尺寸为1720 mm × 540 mm × 2080 mm(长×宽×高)，双面笼架尺寸为1720 mm × 890 mm × 2090 mm(长×宽×高)，IVC主机尺寸为470 mm × 660 mm × 2090 mm(长×宽×高)。每个笼盒内的小鼠数量均为5只。

采用上述两种不同的笼具送风方式，IVC笼具的布置示意见图2；其对室内可布置笼盒数量及可饲养小鼠数量的影响见表1。

由此可见：采用送风方式B，室内无需设置控制主机，可节省相应的建筑空间，较之采用送风方式A，其室内空间利用率更高。当然，无论采取那种方式，要想将空间利用率最大化，合理确定房间的尺寸、合理布局IVC笼具都是必不可少的。

图2 两种不同送风方式下的笼架布置图Figure 2 Layouts of cages for the two different air supply modes

表1 两种不同送风方式下的可布置笼盒数对比Table 1 Comparison of the number of cage boxes arranged for the two air supply modes

3 运行能耗分析

3.1 送风方式A

采用该方式，空调送风只设置一套系统，其空气处理量为根据房间换气次数要求计算得出的风量。为确保笼盒内的温湿度达标，系统设计时不得不依据笼盒内小鼠的散热及散湿量来计算确定笼盒的进风参数(即房间的温湿度参数)。由于笼盒内小鼠聚集，其单位空间体积的散热散湿量远大于房间，因此以笼盒内的热湿条件来确定房间的空气参数，对于房间而言，空调系统存在过度处理、不节能的情况。

《实验动物 环境及设施》(GB 14925-2010)规定：非工作时间下，出于降低能耗的考虑，房间的最小换气次数可降低到10次/h[1]。然而，当采用送风方式A时，则不建议采用降低送风换气次数的做法。IVC主机进风从房间空气中抽取，该风量在房间总送风量中占较大比例，且通常在非人员工作时段也需保持恒定。若房间换气次数大幅降低而IVC进风量不变，为维持房间压力稳定，势必要将房间四周的排风口风量调得很低。此时，房间气流组织的均匀性将受到影响并发生改变，进而会对房间的微环境指标产生不利影响。

3.2 送风方式B

采用该方式，将房间送风与笼盒送风完全独立开来。房间送风的风量可按扣除笼盒体积后的房间体积乘以规范要求的换气次数计算得出。笼盒的送风量一般以笼盒换气次数40～60次/h[2]为宜。依据上述方法计算得出的整体空调送风量大于采用方式A的系统。

采用送风方式B，笼盒的送风处理参数按照小鼠的散热散湿量来计算确定；而房间的送风参数则可从房间的实际负荷出发，结合人员的热舒适要求按需配置。其空调系统不存在过度处理的情况。采用这种方式，由于房间与IVC笼盒的微环境相对独立，因此在非人员工作时间，可在确保笼盒内换气次数及微环境指标保持不变的前提下，大幅降低房间的送风量从而降低运行能耗。

3.3 对比分析

下文针对上海地区同一典型屏障环境的小鼠饲养室，按照采用上述两种送风方式进行空调送风，分别对其空调处理工况进行计算并分析对比。

3.3.1 对比模型基础数据

(1)饲养条件：房间面积：62 m2，室内净高2.6 m；笼盒数量：1656只，每笼小鼠数量：5只；每只小鼠产热量及散湿量：全热=0.49 W，显热=0.33 W，潜热=0.16 W，散湿量=0.168 g/h[3]。

(2)笼盒参数：单个笼盒外部尺寸：391 mm × 199 mm × 160 mm，体积：0.0124 m3。

(3)换气次数：房间换气次数取18次/h；笼盒换气次数取40～60次/h；空调通风采用全新风系统。

(4)笼盒内参数：IVC笼盒内温湿度设定点：23℃，50%，焓值45.63 kJ/kg，含湿量8.81 g/kg。

3.3.2 夏季空调冷热量需求

根据上述基础数据，在焓湿图上按照各状态点进行计算后，所得出的夏季空调冷热量需求见表2～3。

(1)表2列出了不同笼盒换气次数设定条件下，采用方式A时，计算得出的空调制冷量与再热量。由表中数据可见，随着笼盒换气次数的减少，空调总冷热量下降的趋势并不明显。

(2)由表2可见：采用方式A，为实现笼盒内相对湿度达到50%，房间内的空气相对湿度必须控制得更低，才能以干燥的空气带走笼盒内动物的散湿量。随着笼盒换气次数的逐级取低，房间空气必须处理得越来越干燥，才能保障笼盒内的相对湿度。

表2 不同笼盒换气次数下，方式A的空调总冷热量需求表Table 2 Total heat and cold demands of mode A when using different cage air change rates

注：在上述计算中，笼盒内温度取23℃，笼盒内相对湿度取50%，房间整体换气次数取18次/h。
Note. In the above calculation, the temperature in the cage was 23°C, with a relative humidity of 50%, and air change rate of the room of 18 times/h.

表3 不同笼盒及房间换气次数下，方式B的空调总冷热量需求表Table 3 Total heat and cold demands of mode B when using different cage and room air change rates

注：在上述计算中，笼盒内温度取23℃，笼盒内相对湿度取50%，房间温度取23℃，房间相对湿度取60%。
Note. In the above calculation, the temperature in cage was 23°C, with a relative humidity of 50%, room temperature of 23°C, and a relative room humidity of 60%.

(3)表3列出了不同笼盒换气次数及房间换气次数设定条件下，采用方式B时，计算得出的空调制冷量与再热量。从表中数据可见，随着笼盒换气次数的减少，空调总冷热量下降的趋势较为明显。

(4)采用方式B，房间的湿度设定无需考虑笼盒的湿度控制需求，两套系统互不制约。

(5)将上述计算数据汇总到图3，进行对比分析后可知：当房间换气次数均设定为18次/h时，采用方式B所消耗的空调冷热量大于方式A。随着笼盒换气次数逐渐取小，两者的数据差值逐渐缩小。采用方式B，非工作时间当房间换气次数降低到10次/h时，空调总冷热量需求与采用方式A(房间换气次数18次/h)相比有明显降低，节能效果显著。

4 监控调节手段分析

4.1 送风方式A

IVC主机自带可编程逻辑控制器，可实现对笼盒参数的监视、调控。市场上的主流产品通常可实现以下功能：

(1)对笼盒的温湿度、压差、换气次数进行监视，异常时报警。

(2)可实现笼盒正负压状态的切换。

(3)通过监控通讯接口，可实现远程集中监控、远程报警。

(4)可实现笼盒换气次数的灵活调节。同一饲养室内由不同主机所控制的笼盒可设置不同的换气次数并可随时按需调节。

(5)当笼架上有部分笼盒未使用时，IVC主机可根据实际使用笼盒的风量需求来降低主机内风机的运行频率、减少笼架的总送风量，以实现节能运行。

4.2 送风方式B

IVC集中送风的系统，通过在各送排风管道上设置温湿度、风量传感器、笼架恒风量阀等，可实现对笼盒温湿度、风量的监控和对笼盒压力的控制。该系统在室内无智能控制器，其可实现的监控功能及调节功能不如送风方式A丰富。

图3 改变笼盒换气次数时两种方式的空调需求对比Figure 3 Comparison of air conditioning requirements for the two air supply modes when changing cage ventilation times

5 初投资分析

采用方式A，项目初投资中增加了IVC主机的费用；采用方式B则增加了空调箱、管路、风阀等的费用。IVC主机集成了多项智能化监控与调节功能，其售价不菲，进口品牌尤为突出。下面以一个典型项目为例，对比A、B两种方式空调送风系统的初投资，详见表4。该项目建筑面积约600 m2，设置大鼠笼位数490个，小鼠笼位数3520个。

表4 两种送风方式的空调送风系统初投资对比Table 4 Comparison of initial investment of air supply systems for the two air supply modes

由表4可见，采用送风方式A较之方式B，空调送风系统的初投资明显增加。

6 结论

综上所述，IVC笼具的这两种空调送风方式各有优缺点：方式A在数字化监控调节手段上具有优势；方式B则在安全可靠性、空间利用率、节能性和初投资合理性上更胜一筹。基于这些特质，上述两种送风方式分别适用于不同类型的项目。

6.1 送风方式A适用于较小规模的设施，适用于对笼盒参数需要分散、灵活调控的项目

在较小规模的设施中，往往很难找到足够的空间用以设置多台大尺寸的空调箱。采用方式A可减少空调箱及送风管路的设置，可通过在房间内设置多台IVC主机将送风设备化整为零。IVC主机也可灵活且智能化地实现笼盒环境的监控与调节。在小型设施中应用该方式所需设置的IVC主机数量不至于过多，其潜在的故障风险点位数及对初投资的影响也相对可控。

6.2 送风方式B适用于中大型的设施

一方面，中大型的设施整体能耗基数较大，其节能潜力更大。采用IVC集中送风的系统，在非工作时段可大幅降低空调通风能耗，带来可观的经济效益。另一方面，中大型的设施一旦发生系统故障或污染事故往往会造成重大损失。采用方式B，风系统具有多重冗余备份且交叉污染的风险更低，具有更高的安全性。

总而言之，只有根据项目的具体特点选择适合的送风方式，方可最大程度地发挥系统优势、创造价值收益。