三维热管热回收应用于实验动物房性能比较

吴强 尤军 王志毅 熊丹

（1 苏州苏净安发空调有限公司 江苏苏州 215122 2 浙江理工大学 浙江杭州 310018）

0 引言

目前关于实验动物设施系统的研究可以分为四类：系统控制上的研究、系统设备上的研究、系统模拟和实验上的研究以及系统管理上的研究［1-3］。张大维等［4］研究发现利用热管式换热器降低空调新风能耗，达到实验动物设施全年节约能源45%的目的。

三维热管是一种借助自身内部工作液体产生相变（冷凝-蒸发）来完成传热的装置，具有自身阻力小、使用寿命长、热回收效率高，依靠温差被动传热、性能稳定、无运动部件、维护便利等特点，耗材不需要更换，只需要一段时间后对热管表面进行清洗，维保费用低［5-8］。

1 排风热回收

排风热回收是指利用三维热管热交换器，使得进入机组的排风和新风进行能量的交换，以实现能量回收利用的目的，见图1。排风和新风的流动方向相反，排风、新风分别同时由三维热管的两侧进入，排风释放出热量（冬季）或冷量（夏季），此时这部分热量或冷量被新风所吸收［8-11］。排风热回收三维热管可设置于新风的入口和排风主风管的位置，项目可能需要调整屋面一部分空调风管的布局。

图1 排风热回收示意图

2 除湿三维热管

U 型除湿三维热管工作原理如图2 所示。湿热的空气首先通过U 型除湿三维热管的预冷段，进行制冷降温处理过程。预冷后的空气再通过表冷段，进行过冷除湿的处理过程。最后空气通过U 型除湿三维热管的再热段进行再热处理，处理过后的空气变成了干燥舒适的空气。此时处理后的空气温度上升至一个舒适的送风温度，并且相对湿度大幅度下降。U 型除湿三维热管采用的原理是：冷凝散热和蒸发吸热，从而完成热量交换的过程，无能源损耗。U 型除湿三维热管通常安装空调机组内部，夹在表冷器前后的位置包住表冷器。

图2 U 型除湿三维热管工作原理

3 热回收与除湿热管的性能对比

室内温、湿度，是实验动物房严格控制的参数。在夏季工况下，新风需要依次进行过冷、降温、除湿的处理过程，处理后的空气被电加热后温度上升，最后再送入车间。为了满足温湿度参数的要求，该制冷除湿形式会出现热量和冷量抵消的问题，因此使得整个系统运行和使用成本都较高。

实验动物房空调机组为全新风机组，新风处理的能耗较高。为了降低新风的能耗，回收排风中的热量可以作为一种解决办法。

某屏障环境实验动物房，空调面积共计2 009 m2，其中空调面积的约二分之一为SPF 屏障系统面积，共1 000 m2。供科研单位实验用的实验动物房不仅要在功能上满足教学的要求，同时便于管理，避免屏障环境与本层其他区域交叉污染，以保证动物实验区屏障环境的相对独立。更衣室、储藏室、饲养室、实验室和走廊这5 种不同功能的区域共同构成了SPF屏障环境。

空气洁净度的等级为7 级，温度区间是20 ℃～26 ℃，日温差最大不超过4 ℃，换气次数最少为20 次/h，噪声不超过60 dB，湿度区间是40%～70%。行为实验室、灭菌后储藏室、大鼠饲养室、小鼠饲养室的压力均控制在40 Pa，其中走廊压力、二次更衣室压力、一次更衣室压力依次分别控制在30 Pa、20 Pa、10 Pa。

本次系统空调机组采用的类型为全新风净化组合空调机组，其风量是37 000 m3/h。有关数据显示：节能改造前的空调系统，2018 年电费总额共计105 万元。节能改造方案计算采用热回收可以在全年新风温度下任何时段运行；除湿三维热管仅夏季使用，一年运行时间是2 453 h，按照已有空调箱的运行数据以及热管的性能进行计算得到图3 和图4。

从图3 可以看出，热回收可以在全年新风温度下任何时段运行，只有22/23/24 三个温度时，无需开启；除湿热管只在夏季运行，但能量抵消的问题得以解决，运行期间大大的节省电费见图4。

图3 不同新风温度热回收与除湿热管的运行时间

图4 不同新风温度热回收与除湿热管的节约电费

4 同时采用除湿热管和排风热回收系统

如果排风先经过处理后，再进行热回收，可能会改变排风温度。同时采用U 型热管和排风热回收系统，U 型热管的进风温度计算已调整为按照热回收后的温度进行计算。

空调机组安装“热回收三维热管”和“U 型除湿三维热管”后，夏季空调新风先经过热回收预冷，再通过U 型热管的预冷侧，空气再经过表冷器进行降温和除湿，之后再通过U 型热管的再热侧，温度上升后送入空调房间。

夏季空气处理过程为：新风经由初效过滤器过滤后通过热回收三维热管，然后经过初、中效过滤后的空气进入U 型热管进行预冷、降温处理，预冷的空气进入表冷器进行降温除湿处理，再进入U 型热管再热升温，最后再热的空气通过风机经由高效过滤器过滤后给室内送风。按照上述案例，图5 比较了不同热管利用方式的投资及节能，可以看出同时采用除湿热管和新排风热回收系统初投资最高，但是运行费用最低；由图6 可以看出，3 种不同方式的投资回收期相比较，热回收的最短。

图5 不同热管利用方式的投资及节能

图6 不同热管利用方式的投资回收期费

5 结论

针对热管系统在实验动物房的应用特点，比较了同时采用除湿热管和排风热回收系统的系统性能特点。排风热回收释放出热量（冬季）或冷量（夏季），同时这部分能量被新风所吸收，全年使用，且投资省；U 型除湿三维热管热交换器回收排风中的能量，可降低新风处理能耗30%以上；同时采用U 型热管和排风热回收系统，可以满足全年的热回收需求。基于热管系统的节能性，可以在实际工程中选择使用。