实验动物用房暖通空调系统节能策略研究

余俊祥 林金成 高克文 曹益坚 吴美娴

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司,杭州;2.浙江大学平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

近年来,实验动物设施建设如火如荼,建设规模越来越大。实验动物设施极高的运行能耗越来越受到运维管理者和设计师的重视。如何在保证实验动物安全的前提下降低运行费用是个很有现实意义的课题。本文对浙江省杭州市的3个实验动物用房的实际运行情况进行对比研究,试图从设计端找到降低实验动物设施运行能耗的技术措施。

通风空调系统对保障动物实验环境的空气温度、湿度、洁净度等具有重要作用,尤其是净化工程的快速发展,促进了屏障与隔离环境的建设,有效地控制了微生物与寄生虫的干扰,为实验动物的饲育与实验环境提供了强力保障。

1 实验动物用房暖通空调系统概况

1.1 室内参数要求

实验动物用房室内环境主要参数见表1。表中氨浓度指标和洁净度是2个重要的参数,它们决定了最小换气次数,也间接决定了空调系统的型式。

表1 实验动物用房室内环境参数[1]

1.2 空调负荷

由于实验动物用房采用带回风的全空气系统存在产生交叉污染的生物安全风险,以及为了便于控制室内的氨浓度,国内外标准指南均建议动物生产区或实验区采用全新风直流系统。因此新风热湿负荷成为了实验动物用房空调热湿负荷的主要影响因素。以杭州地区为例计算实验动物屏障环境冷热负荷指标与加湿量指标,结果如表2所示。

1.3 净化空调系统

对于使用独立通风笼具(individually ventilated cage,IVC)的实验动物设施,工作人员与实验动物所处的环境不同(工作人员所处的环境称为“大环境”,实验动物所处的环境称为“小环境”),需要分别为2种环境设置2套独立的净化空调送风系统和排风系统。有主机型IVC和无主机型IVC应采取不同的空调净化系统。

1.3.1有主机型IVC实验动物用房空调净化系统

有主机型IVC自带送风机与排风机,送风机将房间已经处理过的洁净空气通过高效过滤器送入动物笼具中,排风机侧带有高效过滤器,风机将可能被污染的空气从笼具中抽出。对于有主机型IVC来说,只需要为“大环境”设置1套空气净化系统,其气流控制方式相对简单。根据GB 50447—2008《实验动物设施建筑技术规范》中的“隔离器、动物解剖台、独立通风笼具等不应向室内排风”的要求,笼具的排风不应直接排向室内,可通过与“大环境”的排风系统连接排至室外或设置专用排风机组排至室外。有主机型IVC实验动物用房空调净化系统原理见图1。

图1 有主机型IVC实验动物用房空调净化系统原理图

1.3.2无主机型IVC实验动物用房空调净化系统

无主机型IVC自身带有即插即用的风管接头,可通过文丘里阀等气流平衡装置与“小环境”净化空调的送风、排风系统相连接。这种技术方案有效地消除了风机的热量、噪声、振动等,虽然增加了1套“小环境”专用净化空调与排风机组,但是实验设备的初投资会有一定程度的降低。此外,笼架的拆除和安装也相对简单,可以实现快速连接。无主机型IVC实验动物用房空调净化系统原理见图2。

2 实验动物用房暖通空调系统节能设计策略研究

实验动物用房空调系统都是大风量的全新风直流系统,其空调负荷指标约为写字楼的5～7倍,而且空调系统必须24 h不间断运行。文献[2]以南京地区某动物房为例进行了计算,未采用节能措施前,其夏季单位建筑面积(含普通区)能耗约为376 kW·h/m2。文献[3]则以沈阳地区某实验动物工程为例进行了计算分析,在未采用任何节能措施的情况下,其空调系统年运行费用为303万元(含普通区),约70元/m2。实验动物用房空调系统具有巨大的节能潜力。

2.1 合理确定设计参数——换气次数

合理确定设计参数是实验室节能设计中至关重要的一步,此环节不存在任何资金投入,往往能产生可观的节能效益。对于实验动物用房洁净空调系统,特别需要重点关注换气次数这类需要设计人员把控的、各项目差异比较大的参数。

针对实验动物用房,欧盟、加拿大标准认为15～20 h-1的全新风换气次数可以满足要求,美国标准则认为10～15 h-1的全新风换气次数可以满足绝大多数实验动物的饲养需求,我国标准也已明确实验动物生产或实验屏障环境的最小换气次数为15 h-1。在实际动物房的设计过程中,为了弥补施工阶段导致的风管漏风及受设计人员习惯性地放大设计参数的影响,换气次数都比较大。表3给出了笔者调研的10个实验动物用房项目的换气次数,除项目H外,其他项目的换气次数均超过20 h-1。

表3 不同项目实验动物用房换气次数

笔者针对项目H实验动物用房进行了实测分析。该项目共有20间饲养室,主要为饲养小鼠的屏障环境,按ISO 7级洁净度进行设计,各小鼠饲养室的实测换气次数如图3所示,平均换气次数为19.2 h-1。实测静态平均尘埃粒子浓度远小于规范要求(0.5 μm粒径粒子数不大于352 000个/m3),各实验室实测粒子数所对应的洁净度等级如图4所示。

图3 项目H实验动物用房实测换气次数

图4 项目H实验动物用房实测洁净度

图4中有80%以上的实验动物用房的静态洁净度等级高于规范要求至少1个等级。因此,调整了空调机组送风量,降低平均换气次数至17.5 h-1,并由第三方检测单位进行了平均尘埃粒子测试,结果显示,粒子数仍满足规范要求。

上述研究分析表明,一般15～18 h-1的换气次数可满足绝大多数实验动物用房的使用要求,不建议采用过高的换气次数。在工程设计时可以留有一定余量,调试时通过风机变频等技术措施尽量降低室内送排风量。

2.2 冷热源系统规划和源侧热回收技术

目前实验动物用房独立空调冷热源除了传统的冷水机组加热水锅炉外,常用的还有四管制多功能热泵、热泵式溶液调湿系统。

下面对浙江省杭州市的3个实际项目进行比较研究。以项目A(冷水机组+园区蒸汽)的单位建筑面积运行能耗作为比较基准,通过分析项目B(溶液调湿空气处理机组)和项目C(多功能四管制空气源热泵机组)的空调系统设计方案和运行能耗,更加清晰地揭示实验动物用房空调系统冷热源侧节能设计策略的实际应用效果。

2.2.1项目概况

项目A实验动物用房屏障空调面积约4 500 m2,地上4层,主要功能区包括大动物饲养实验区、啮齿类动物繁育区、药物安全评价研究中心等。空调冷热源由园区集中供应,经直埋水管接入实验动物房。制冷站冷水供/回水温度为7 ℃/12 ℃,热水供/回水温度为60 ℃/50 ℃。另埋设蒸汽管连接蒸汽管网,为实验动物用房提供冬季加湿用蒸汽,自设2台单台0.35 t/h电蒸汽锅炉,提供非供暖期校区集中锅炉停用时间段内空调除湿再热用热量。

项目B实验动物用房屏障空调面积为440 m2左右,动物用房位于1层,主要功能区包括啮齿类动物繁育区、影像实验区等。空调冷热源采用室外机房内的3台实验动物环境专用型溶液调湿机组。

项目C实验动物用房屏障空调面积为660 m2左右,动物用房位于地下1层,主要功能区包括啮齿类动物繁育区、行为学实验区等。空调冷热源采用屋顶设备平台上的2台多功能四管制空气源热泵机组,可同时提供空调冷热水,供冷工况空调机组供/回水温度为7 ℃/12 ℃,供热工况空调机组供/回水温度为45 ℃/40 ℃。常规运行工况下,2台热泵机组一用一备,夏季极端天气情况下2台热泵机组同时使用。

2.2.2项目室内设计参数与空调负荷

项目A实验动物用房的主要工艺房间室内设计参数见表4。屏障环境设计空调总冷负荷为3 024 kW,总热负荷为2 274 kW,室内湿负荷为111.6 kg/h,加湿量为1.4 t/h,除湿再热负荷为455 kW。

项目B实验动物用房的主要工艺房间室内设计参数见表5。屏障环境设计空调总冷负荷为281.2 kW,总热负荷为191.4 kW,室内湿负荷为12.2 kg/h,加湿量为160.2 kg/h。由于项目B采用的是溶液除湿而非冷冻除湿的空气处理方式,因此无需统计除湿再热负荷。

表5 项目B主要工艺房间室内设计参数

项目C实验动物用房的主要工艺房间室内设计参数见表6。屏障环境设计空调总冷负荷为401 kW,总热负荷为284.4 kW,室内湿负荷为19.82 kg/h,加湿量为198.8 kg/h,除湿再热负荷为57.6 kW。

表6 项目C主要工艺用房室内设计参数

3个项目的空气洁净等级要求一致,均为ISO 7级,但其换气次数项目C和项目B一致,项目A最大。3个项目的单位面积空调负荷指标对比如图5所示,不含除湿再热负荷的情况下,项目C的冬夏季空调负荷指标最小,项目A负荷指标最大,比项目C约大10%,项目B的负荷指标居中,这是由于项目C的换气次数及设计温湿度要求最低,而项目A的设计参数要求最高,特别是计算换气次数,比项目B约高27%,对冷热负荷指标影响相当大。

图5 不同项目的负荷指标(不含再热)

如果考虑除湿再热负荷,则项目B负荷指标变为最小,项目A负荷指标仍然最大,比项目B约大20%,对比见图6。项目B的空气处理方式由于没有再热负荷的影响,更有利于实验动物用房的节能。此外,从各项目的负荷指标中也可发现,在杭州典型的夏热冬冷气候条件下,冬季负荷指标大约为夏季负荷指标的70%,高于一般项目的冬夏季负荷比,这是由于在实验动物用房的负荷计算中,净化空调的新风负荷指标占比较大。

图6 不同项目的负荷指标(含再热)

从以上分析可以得出:

1) 合理确定实验动物用房的设计参数,特别是换气次数,对降低空调负荷指标可以起到积极作用。

2) 采用温湿度解耦的空气处理方式,如项目B的溶液调湿技术,可以进一步降低空调负荷指标,为实验室的运行节能奠定良好基础。

2.2.3项目运行能耗比较分析

根据能耗监测平台统计数据,项目A空调系统年能耗如表7所示。为便于统计,将电量和蒸汽量折合成标准煤。0.6 MPa的饱和蒸汽,温度为158.84 ℃时,比焓为2 756.4 kJ/kg,该工况下蒸汽的折标准煤系数为0.094,即1 t蒸汽折0.094 t标准煤,1 GJ用汽量折0.034 1 t标准煤;电力等价值取浙江省标准DB 33/644—2012《火力发电厂供电标煤耗限额及计算方法》中常规发电机组的供电煤耗指标基准值0.000 33 t/(kW·h)。项目A实验动物用房屏障环境空调能耗构成如图7所示。

图7 项目A实验动物用房屏障环境空调能耗构成

表7 项目A空调系统年能耗

项目A的单位面积年运行能耗为0.4 t/m2(1 212 kW·h/m2),相比浙江地区其他类型建筑,约为省级行政办公楼单位面积能耗(电耗定额不大于90 kW·h/m2)的14倍,三级医疗机构单位面积能耗(电耗定额不大于155 kW·h/m2)的8倍。

运行能耗巨大,除了实验动物用房全年24 h运行的因素外,对室内温湿度的控制要求也是非常重要的因素。根据GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》的要求,实验动物屏障环境要求室内温度为20～26 ℃,最大日温差在4 ℃以内,相对湿度为40%～70%。取制冷的室内上限参数值26 ℃、70%,对应的室内空气比焓为64.11 kJ/kg,室内含湿量为14.86 g/kg,即当室外空气比焓大于64.11 kJ/kg或者室外含湿量大于14.86 g/kg时,均应启动冷源主机对新风制冷或除湿。

根据杭州市典型气象年的气象数据,室外空气比焓大于64.11 kJ/kg或者室外含湿量大于14.86 g/kg的时间为4月4日—9月29日,即要满足室内温度26 ℃、相对湿度70%以下的要求,冷源主机从4月4日便应启动。而从4月4日开始的制冷周期内,局部时间段室外空气温度并不高,例如在4—6月,室外空气温度仅为20.6～23.0 ℃,但此时室外相对湿度达90%以上,室外含湿量为16.00 g/kg,冷负荷虽然较小,但冷源主机必须启动除湿。而除湿后送风干球温度过低,需要进一步再热提高送风干球温度,一方面增加了部分低负荷下冷水主机的运行时间,冷水主机效率下降、电耗增加,另一方面增加了除湿再热电耗。

从项目A的运行能耗统计数据可知:除湿再热电锅炉的能耗占比最大,约占整体能耗的28%;其次才是空调冷源、水泵输配及冷却水系统设备能耗,约占整体能耗的24%;供暖源侧用汽能耗最低,约占整体能耗的9%。此结果十分符合夏热冬冷地区的气候特点,实验动物用房需要对设施内部进行相对严格的湿度控制,夏热冬冷地区梅雨季较长且高温湿润的气候必会导致除湿再热能耗进一步增大。

项目B和项目C均通过电表抄表的方式进行能耗数据统计。项目B的空调系统风量见表8。

表8 项目B空调系统风量 m3/h

项目B空调系统全年运行能耗见图8。

图8 项目B空调系统全年运行能耗

从项目B的逐月能耗数据可以看出:7、8月是实验动物用房的运行能耗峰值月;整体观之,夏季运行能耗最大,冬季运行能耗次之,约为夏季能耗的84%,过渡季运行能耗最小,约为夏季能耗的68%;项目B全年运行能耗约为294 831 kW·h,单位面积运行能耗为670 kW·h/m2,按电价0.558元/(kW·h)计算,单位面积空调系统年运行成本约为374元/m2,约为项目A的55%。

项目C 2021年分季度能耗数据如图9所示。能耗大小依次为第3季度>第1季度>第2季度>第4季度,其中第1季度和第3季度差距不大,相差约7%。全年运行能耗约为623 536.5 kW·h,单位面积运行能耗为944.75 kW·h/m2,按电价0.558元/(kW·h)计算,单位面积空调系统年运行成本约为527万元/m2,约为项目A的71%。

图9 项目C各季度能耗

由以上对比可知:在运行成本和空调系统能耗方面,项目A>项目C>项目B,相比于项目A,项目C主要减少了大部分除湿再热能耗,而项目B则在减少除湿再热能耗的基础上还回收了排风中的能量;在投资方面,项目B和项目C相对高一些,根据实际调研,项目B的空调系统投资约190万元,单位面积约4 318元/m2,而项目C的空调系统投资约207.5万元,单位面积约3 144元/m2,约为项目B的73%。因此,在方案优选阶段还需综合考虑项目的初投资及回收周期等因素。

另外,溶液调湿空调机组运行中的带液问题是否会对实验动物产生影响及溶液调湿空调机组运行维护中是否需要经常补液一直以来是困扰行业的难题。笔者对项目B及国内其他已经运行多年的采用溶液机组的实验动物设施项目进行了调研,目前还没有这方面的不利信息反馈,使用方对溶液调湿机组在实验动物设施中的使用均给予了肯定。

3 结论

对于现在绝大多数采用通风笼具的实验动物用房不建议采用过高的换气次数,一般15～18 h-1的换气次数可满足绝大多数动物用房的使用要求。

在夏热冬冷潮湿地区,因除湿再热过程对空调负荷的巨大影响,在空调方案选择上建议优先采用无需再热的空气处理方式——温湿度解耦的溶液调湿方式。根据实际项目运行测算,该空调方案的能耗约为常规空调方案的55%。当采用冷却除湿的空气处理方式时,应充分考虑冷凝废热回收(四管制多功能热泵)以减少再热过程的用电依赖,根据实际项目运行测算,该空调方案的能耗约为常规空调方案的78%。