三维热管在实验动物设施除湿中的节能应用

吴 强，尤 军，吴 成，王志毅

(1. 苏州苏净安发空调有限公司，苏州 215122；2. 南京工业大学，南京 211816；3. 浙江理工大学，杭州 310018)

GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》对实验动物环境技术指标做了具体的规定，实验动物设施的空调通风系统应按要求控制温度与湿度[1-3]。在环境湿度高于指标要求时，一般空调系统对新风进行降温除湿后，再通过电加热的方式，将送风温度提高以符合标准要求。由于该降温除湿方式存在冷量和热量相互抵消的问题，导致系统能耗较高。作者采用无功耗的热管，通过其“三维热管回路”的特殊设计[4-8]，对冷热量进行自动分配，一定程度上解决了冷热抵消问题，从而有效降低设施的运行成本。

1 三维热管的工作原理

热管是一种由管壳、吸液芯和工作介质组成的导热组件，采用相变传热的原理，利用管内工作介质吸热汽化、遇冷液化的特性，介质在蒸汽状态上升至热管的冷凝端，液体状态时在重力作用下回流至蒸发端，通过循环往复实现流经热管外壁的空气在两端的热量交换。热管具有造价适中、安装方便、维护费用低、不产生交叉污染的优点[9]。

三维热管用于实验动物设施除湿节能时安装在空调箱中表冷器两侧，其工作流程为：新风进→初效过滤→三维热管预冷降温→表冷器降温除湿→三维热管再热升温→风机→中、高效过滤→送风。

如图1所示，由于空调机组（air handle unit，AHU）工作时，表冷器前后的气流存在一定的温差，利用三维热管热超导的特性，热量由三维热管的预冷段转移至三维热管的再热段。空气经过热管预冷段后，起到初步的制冷降温效果，再经过表冷器过冷除湿。过冷后的空气经过热管的再热段，温度升高至相应的送风温度。除湿过程中，三维热管利用内部介质蒸发吸热/冷凝散热原理，完成表冷器两端的热交换，降低再热成本。

三维热管的安装形式见图2。除湿节能的三维热管安装在空调箱中表冷器两侧，三维热管维护保养方便简单，只需定期清洗表面，无需更换耗材，维保费用低；安装简单，不需要改变箱体原本结构和增加功能段，改造施工方便，不影响正常的生产活动。

2 三维热管的节能应用

图 1 三维热管工作原理Figure 1 Operating principle of three dimensional heat pipe

图 2 三维热管安装Figure 2 Installation of three dimensional heat pipe

某屏障环境设施空调面积为2 009 m2，其中SPF屏障系统面积为1 000 m2。SPF屏障环境包括一次更衣室、二次更衣室、小鼠饲养室、大鼠饲养室、走廊、灭菌后储藏室和行为实验室，洁净等级为ISO 7级，温度为20～26 ℃，相对湿度为40%～70%，最大日温差不高于4 ℃，最小换气次数不低于20次/h；其中一次更衣室压力控制为10 Pa，二次更衣室压力控制为20 Pa，走廊压力控制为30 Pa，小鼠饲养室、大鼠饲养室、行为实验室和灭菌后储藏室压力控制为40 Pa。

系统采用风量为37 000 m3/h的全新风净化组合AHU一台。根据实测，原设施2018年空调系统耗电总费用105万元。2019年节能改造采用除湿三维热管，当年夏季使用，总运行时间为2 453 h。环境新风温度达24 ℃开始制冷运行，不同环境新风温度的年运行时间见图3。表冷器出风温度保持在12 ℃。新风温度≤31℃，热管再热后温度达不到要求时，由机组电加热补充；新风温度≥33 ℃，控制热管再热出风温度≤1 9℃（图4）。

风量为37 000 m3/h的全新风净化组合AHU按照设计工况：表冷器处理空气至12 ℃机器露点，当夏季干湿球温度为34.4 ℃/28.3 ℃时，安装除湿三维热管后，可以免费提供100.45 kW的预冷量和100.45 kW的再热量（图5）；降低机组运行时的制冷和再热的能耗，全年可节约制冷和加热的费用约2 0万元（图6），节约电费比例可以达到20%。

图 3 不同新风温度环境的年运行时间Figure 3 Annual running time in different fresh air temperature environments

图 4 不同新风温度环境的再热出风温度Figure 4 Reheated air outlet in different fresh air temperature environment

图 5 不同新风温度环境的回收热量Figure 5 Recovery of heat from different fresh air temperature environment

图 6 不同环境新风温度的节省电费Figure 6 Saving of electricity costs in different fresh air temperature environment

3 结论

由于实验动物的屏障设施需要长时间不间断运行，同时需要对温度和湿度进行严格的控制，因此能耗较高。以往的实践中，也有采用热管技术在空调系统的新风和排风端进行热量回收，取得了不错的节能效果。作者使用三维热管在实验动物屏障设施的降温-除湿-再热过程中成功地通过回收热量降低运行成本，适合在湿度较高及持续期较长的地区推广应用。