某GLP实验动物设施空调及通风系统设计研究

2020-05-26欧少华刘吉宏

中国比较医学杂志 2020年4期

欧少华，周斌，刘吉宏

(上海开纯洁净室技术工程有限公司，上海 200233)

实验动物环境设施是实验动物科学发展的基础和先决条件。动物实验室的环境控制是保证实验室人员安全健康和动物实验数据可靠性的重要措施，而空调及通风系统对实验室环境的控制起着关键作用，因此对实验动物设施环境的空调及通风系统的研究具有十分重要的意义。目前对动物实验室的空调系统研究较多[1-3]，但所研究的动物实验室的规模较小或者动物种类较少。随着生命科学研究和生物医药产业的发展，对实验动物设施的规模和实验动物种类多样性要求也越来越高。本文以某机构GLP中心建设项目为研究对象，对其空调和通风系统进行研究分析，以其结果对其他GLP动物实验设施的建设提供一些具有参考价值的数据。

1 项目概况

本项目的建设地点位于深圳市，总建筑面积为48 259平方米，其中动物实验室的面积约13 200平方米，建筑高度为94.8米，其中动物实验室的层高均为5.1米。具体楼层信息如表1所示。

2 空调及通风系统介绍

2.1 冷热源

本项目的冷源采用双工况冰蓄冷工艺为空调系统提供冷水，额定制冷工况的冷水进出温度为5℃/13℃，冷却水进出水温为37℃/32℃。热源采用蒸汽发生器，为工艺设备和空调加湿提供0.2～0.5 MPa的蒸汽，通过板式换热器为空调系统提供进出温度为50℃/60℃的热水。

2.2 室内设计参数

在满足相关规范[4-5]要求情况下，结合本项目特点以及节能考虑，对主要的室内环境参数进行了优化设计:考虑到不同运行模式所需求的风量差异较大，且不同动物对温湿度的要求也有所差异，因此本项目中的换气次数在满足使用需求的情况下，采用变风量节能设计，详见表2。

2.3 空调送风系统

2.3.1 空调系统划分

根据工艺条件及功能分区，不同动物实验室之间的送排风系统独立设计，避免交叉污染。为了防止臭味的蓄积，所有动物实验室的空调系统均采用直流式全新风方式。以下以清洗前后区的空调系统以及SPF级小鼠实验室的空调系统为例进行分析。

2.3.2 清洗区的空调系统

该区域是动物笼盒、笼具和水瓶等集中清洗消毒区，以及脏垫料集中收集处理区，也是工作人员人数最多、工作时间最长的区域[5]。此区域涉及到的工艺设备较多，设备和蒸汽发热量较大，脏垫料的异味较浓，因此该区的空调及通风系统设计是否合理关系到工作人员的舒适性以及运行的节能性问题。通过精确计算我们发现所有设备的总排风量与房间按换气次数所计算的排风量接近，因此从空调系统运行稳定性出发，采用了总送风量和总排风量恒定的空调系统，整个区域设计为负压，避免清洗区的异味外溢。另外，根据不同排风设备开启的情况，调整房间排风量的大小，使设备和房间的总排风量恒定。

表1 项目楼层信息Table 1 Floor information

清洗区的空调通风系统原理图详见图1，其中清洗后区空调运行控制逻辑为:如果所有设备均不开启，房间送风量9000 m3/h，排风量11 200 m3/h；如果设备全部开启，设备排风量为7600 m3/h，房间排风量降到3600 m3/h，总排风量仍为11 200 m3/h，房间送风仍为9000 m3/h。清洗前区空调运行控制逻辑为:如果所有设备均不开启，房间送风量11 000 m3/h，排风量13 600 m3/h，如果设备全部开启，设备排风量为9800 m3/h，房间排风量降到3800 m3/h，总排风量仍为13 600 m3/h，房间送风仍为11 000 m3/h。

2.3.3 屏障环境的空调系统

根据动物实验屏障环境的要求，以及结合本项目的饲养动物种类，本项目以18层某SPF级大鼠饲养室的空调系统为例进行分析。与常规的空调系统相比，该系统具体如下特点:

(1)为维持屏障环境内的空调系统24 h连续不间断运行，选用双通道空调箱[5]，即该组合式空调机组由新风段、初效过滤段、检修段、风机段、中效过滤段、快速切换止回装置段、中间段(以上所有段均为一用一备)、制冷盘管段、制热/再热盘管段、蒸汽加湿段、出风段构成，详见图2。即当风机发生故障，或者更换过滤装置时，空调机组仍能保证正常运行；

表2 主要动物实验室的室内环境参数Table 2 Room environment parameters for main lab animal labs

图1 清洗区空调系统原理图Figure 1 HVAC system scheme for washing area

(2)房间送排风管均安装变风量文丘里阀，在满足室内温湿度、氨气、二氧化碳浓度的情况，实现变风量节能运行。

2.4 排风系统

动物实验室的排风系统[5-6]中除了含有氨气、硫化氢等臭气，还含有动物毛发、粪便等固体。为满足环保的排放要求，本项目的排风先经过房间的带初效尼龙网过滤的齿轮式排风口，除去大部分的毛发和粪便，再通过排风机组后导入纳米半导体光催化模块，即采用MnOx-TiO2复合物作为催化剂，选用真空紫外灯管作为催化光源，氧化分解气流中的TVOCs等大分子有机物，使部分难溶于水的臭味分子分解为可溶性小分子。然后再将经过光催化后的气体导入气液扰流净化装置，通过扰流球的扰动作用形成微涡旋，与向下散布雾化喷淋液充分交融，将废气中的可悬浮颗粒物、光催化分解产物、臭氧、氨气、硫化氢等空气污染物由气相转入液相，从而达到净化空气除臭的目的。此外，张忍虎[6]对经过该喷淋除臭处理之后的废水进行了工程实测，结果显示废水中的氨氮及硫化物浓度均满足环保要求。

2.5 气流组织

规范[5]规定，屏障设施净化区的气流组织宜采用上送下回(排)方式。为了提高通风效率，使室内气流组织更合理，本项目在动物实验室两侧设计了250～300 mm的排风夹道，根据动物实验室的大小以及动物笼具的布置情况，灵活地布置排风口(以四角下排风为主)。目前，国内对动物实验室的气流组织的研究[3，7-8]主要都是从温湿度和吹风感的角度对气流组织进行优化分析，而对动物实验室内部的臭味少有研究。根据部分动物实验室使用方的反馈，尽管采用了上送下排的气流组织形式，但室内臭气还是较明显。笔者认为主要原因是动物实验室的主要臭味来源是氨气，其密度比空气轻，易集聚于天花之下，仅设计下排风不利于氨气的排放。因此，本项目在上送下排气流组织基础上，辅助设计顶排风口。

此外，通过CFD数值模拟软件进行辅助量化分析，对比上送下排辅助顶排方式和上送下排方式的室内氨气浓度情况。为了简化计算，对物理模型和数学模型进行了如下简化和假设:

图2 某屏障环境空调系统原理图Figure 2 Barrier HVAC system scheme

物理模型:选取本项目中的某大鼠实验室，长×宽×高＝6.5 m×3.7 m×2.5 m。室内设有4个长×宽×高＝1.8 m×0.5 m×2.0 m的大鼠IVC笼架，每个笼架有35个大鼠笼盒，考虑到非满负荷饲养，每个笼盒暂按饲养2只大鼠计算，每只大鼠发热量6.33 W[5]，每个笼架的发热量为433 W。另外，笼盒内的动物及脏垫料是臭味氨气的释放源，其释放量与动物的饲养量以及垫料的更换频率密切相关。为简化计算，将整个笼具作为体污染源，恒定释放浓度为10 mg/m3。房间设有两个高效送风口的尺寸为0.48 m×0.48 m，送风口风速为0.94 m，送风温度为18℃，每个送风口的风量780 m3/h。下排风口的尺寸为0.4 m×0.2 m，距地0.15 m。上送下排辅助顶排方式(以下简称模型1)在房间的顶部四角设计了0.2 m×0.2 m的4个排风口，每个风口排风量为100 m3/h，详见图3。仅上送下排方式(以下简称模型2)，不设计顶排风。详见图4。

数学模型:本模拟采用室内零方程模型，清华大学赵彬等[9]通过实验及模拟对比发现，在非等温流动的空调通风领域中，室内零方程比标准k-ε双方程模型的模拟结果精度更高，计算速度更快。另外，将室内空气视为理想气体，符合Boussinesq假设，流动为稳态流动。

结果表明，模型1的整个房间氨气浓度为3.42 ppm，人员呼吸高度(约1.4～1.8 m)氨气浓度为3.45 ppm，模型2的整个房间氨气浓度3.81 ppm，人员呼吸高度氨气浓度为3.90 ppm，即增加了辅助顶排之后，室内氨气的平均浓度能降低约10%，详见图5～图7。

2.6 空调自控系统：

2.6.1 压差控制

为了保证动物实验室在正常工作或者空气平衡暂时受到破坏时，气流都能从空气洁净度高的区域流向空气洁净度低的区域，动物实验室的设计必须保持一定的压差[5]。目前，对于压差控制方法主要有纯压差控制法和余风量控制法，以及两者混合控制法。由于受房间门的开关、室内通风柜调节门的移动以及人员运动等诸多因素对室内压力带来的扰动，如果采用纯压差控制法，控制系统的波动性会较大[10]，而如果仅采用余风量控制，随着设施运行时间的推进，房间的气密性会变化，从而导致室内的压力值会偏离原设计值[11]。

结合纯压差控制法和余风量控制法的特点，本项目采用混合控制法，即以余风量差作为基本的控制依据，然后通过设置压差传感器以及控制器来设定余风量控制系统的余风量值。此外，在房间送排风量主管上均安装了变风量文丘里阀，通过送排风的风量差来维持房间的设定压力值，并参考压差传感器的值，每半年或一年重新校订余风量值。

图3 上送下排辅助顶排的物理模型(模型1)Figure 3 Physic Model of Ceiling SA/Wall EA plus Ceiling EA assistance(Model 1)

图4 上送下排的物理模型(模型2)Figure 4 Physical Model of Ceiling SA/Wall EA(Model 2)

本项目的所有屏障环境的动物实验室设计为正压实验室，净化空调系统的送、排风机的联锁关系为:先开送风机，后开排风机；关闭时先关排风机，后关送风机。所有普通级动物的实验室设计为负压实验室，空调系统的连锁程序与上述正压实验室相反。

2.6.2 室内空气品质及节能控制

图5 X＝0.45 m的氨气浓度场(模型1)Figure 5 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 1)

图6 X＝0.45 m的氨气浓度场(模型2)Figure 6 NH3 Concentration when X＝0.45 m(Model 2)

图7 模型1与模型2室内氨气浓度与垂直高度的关系Figure 7 Relationship of NH3 and Room Height in Model 1＆2

动物实验室的温湿度、氨气浓度等室内参数与实验室的运行模式、动物饲养量以及垫料更换频率均密切相关。为满足动物实验室的室内空气品质要求，常规设计的空调系统采用全新风直流式空调系统，且换气次数大，运行能耗和碳排放指标均较高。因此，空调系统的节能减排问题备受大家关注。Gordon等[12]通过对美国三类动物实验室(包括非人灵长类动物实验室、带通风笼具的啮齿类动物实验室和开放式笼具的啮齿类动物实验室)进行了约100 000 h的TVOC及氨气浓度的数据进行采集分析，结果表明约98.5%的运行时间内，动物实验室的换气次数达到每小时6次即可保证TVOC及氨气浓度指数达标。因此，在动物实验室采用基于需求的变风量控制模式可通过降低换气次数，实现节能减排目的。

此外，由于动物实验室在不同控制工况下的室内人员状况、实验动物状态、环境控制参数要求均不同，动物实验室有5种典型的运行模式[13-15]:上班运行状态、下班运行状态、备用运行状态、自净状态和紧急状态，所以空调系统的送排风量需与动物实验室的运作模式相对应，从而即能达到实验需求，又能实现节能运行。

本项目在满足动物实验室正常运行需求的情况下，为实现节能运行，采用基于需求的变风量控制模式，在动物实验室的送排风管上均安装了变风量文丘里阀，并且配置了AIRCUITY空气品质检测系统，可实现对空调系统送风主管上以及每个重要动物实验室的排风管上的空气进行分散采样、集中测量分析。对采样空气进行测量的物质有:总挥发性有机物(TVOC)、氨气、二氧化碳、温度、相对湿度。将测量值与室内空气品质限定的最小值进行对比，分别求出满足室内该五项指标的最小送风量，然后取五项最小送风量的最大值，且不低于规范规定的非工作模式的最小换气次数[4-5]，并联动房间送排风变风量文丘里阀，实现真正的基于需求的变风量控制目的。