季金星
(上海得風(fēng)建筑設(shè)計(jì)有限公司,上海 200233)
伴隨著國家“健康中國2030規(guī)劃”以及“建設(shè)雙一流大學(xué)戰(zhàn)略”的全面深入實(shí)施,作為生物醫(yī)藥行業(yè)科研實(shí)驗(yàn)和生命科學(xué)研究重要支撐條件之一的實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施,近些年迎來了一波建設(shè)熱潮。獨(dú)立通風(fēng)籠具(individually ventilated cage,IVC)系統(tǒng),可為實(shí)驗(yàn)動物提供相對穩(wěn)定且獨(dú)立的微環(huán)境,同時也能較好地控制動物之間及動物與人之間的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在大量的實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施中。在目前各大新建的設(shè)施中,IVC籠具的空調(diào)送風(fēng)主要存在如圖1所示的兩種方式。送風(fēng)方式A:IVC自帶主機(jī),主機(jī)從房間取風(fēng)后,再向籠具送風(fēng)。送風(fēng)方式B:IVC不帶主機(jī),屏障設(shè)施設(shè)置集中專用的送風(fēng)系統(tǒng)向各籠架送風(fēng)。本文將從安全可靠性、空間利用率、運(yùn)行能耗、監(jiān)控調(diào)節(jié)、初投資這五方面對上述兩種送風(fēng)方式的具體特點(diǎn)和適用性進(jìn)行分析。
采用該方式,每臺控制主機(jī)可對一組或多組籠架送風(fēng),其籠具送風(fēng)由每臺控制主機(jī)上的送風(fēng)機(jī)直接從房間內(nèi)抽取。籠具送風(fēng)的來源為對房間空氣集中進(jìn)行冷熱、過濾處理的凈化空調(diào)箱,該空調(diào)箱設(shè)置必要的備用措施。
在發(fā)生故障或污染的情況下,該系統(tǒng)可能存在以下幾種風(fēng)險(xiǎn):
(1)當(dāng)房間的集中空調(diào)箱發(fā)生故障且備用機(jī)組也因故障無法有效投入使用時,由于房間的溫濕度將失控,因此該空調(diào)箱所服務(wù)的所有房間、所有籠具內(nèi)的微環(huán)境指標(biāo)也將失控。
圖1 兩種不同送風(fēng)方式的系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the two different air supply systems
(2)當(dāng)房間內(nèi)的單臺控制主機(jī)發(fā)生故障時,由于控制主機(jī)本身沒用備用設(shè)備,因此由該主機(jī)所控制的籠具將受影響,而由其它主機(jī)所控制的籠具仍可維持正常工作狀態(tài)。雖然近年來隨著IVC產(chǎn)品的生產(chǎn)及制作水平不斷提高,大多數(shù)品牌的控制主機(jī)已經(jīng)具有比較可靠穩(wěn)定的運(yùn)行性能,但市場上依然存在產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)象。若在大型項(xiàng)目中應(yīng)用送風(fēng)方式A,則往往需要設(shè)置幾百臺的IVC主機(jī)。大量主機(jī)均經(jīng)受著常年不間斷運(yùn)行且無備用設(shè)備輪換的考驗(yàn),無形中會成為大量的故障隱患。
(3)由于IVC主機(jī)是從房間取風(fēng)的,因此一旦發(fā)生管理事故造成某房間內(nèi)的空氣被污染,則該房間的籠盒內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動物也將面臨被污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外,由于IVC籠盒通常被設(shè)定為相對房間保持一定正壓,因此當(dāng)某些籠盒內(nèi)的動物被意外感染時,在正壓作用下,通過房間空氣這一媒介,各籠盒間也存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。在管理人員及時發(fā)現(xiàn)污染的情況下,可通過臨時將污染籠盒調(diào)整為負(fù)壓來控制交叉感染。當(dāng)然,在IVC主機(jī)及籠盒的高效過濾網(wǎng)均不發(fā)生滲漏且定期更換的前提下,上述污染風(fēng)險(xiǎn)均在可控的范圍內(nèi)。
采用該方式,房間送風(fēng)與IVC籠具送風(fēng)設(shè)置兩套完全獨(dú)立的空調(diào)機(jī)組,且各自設(shè)置相應(yīng)的備用措施。實(shí)際工程中,可在房間送風(fēng)管與籠具送風(fēng)管之間設(shè)置備用旁通管,旁通管上設(shè)置電動定風(fēng)量閥(見圖1)。該閥門平時常閉,當(dāng)籠具送風(fēng)空調(diào)箱發(fā)生故障且其備用設(shè)備也失靈時該閥門自動迅速開啟,應(yīng)急送風(fēng)。根據(jù)《實(shí)驗(yàn)動物 環(huán)境及設(shè)施》(GB 14925-2010)的規(guī)定,屏障環(huán)境房間的潔凈度級別為7級[1],其送風(fēng)同樣須經(jīng)過初、中、高三級過濾。房間空調(diào)送風(fēng)應(yīng)急旁通作為IVC籠具的送風(fēng),可在短時間內(nèi)基本維持籠具內(nèi)的微環(huán)境指標(biāo),包括潔凈度指標(biāo)。
在發(fā)生故障的情況下,該系統(tǒng)可能存在以下風(fēng)險(xiǎn):當(dāng)房間送風(fēng)空調(diào)箱及IVC籠具送風(fēng)空調(diào)箱均發(fā)生故障且各自的備用設(shè)備均也因故障無法投入使用時,該空調(diào)箱所服務(wù)的所有房間內(nèi)實(shí)驗(yàn)動物的微環(huán)境指標(biāo)將失控。
送風(fēng)方式B配置了“房間送風(fēng)”及“籠具送風(fēng)”兩套完全獨(dú)立的送風(fēng)系統(tǒng),兩者互不干擾、互不污染、互不依賴。由于各籠架均不帶送風(fēng)主機(jī),該系統(tǒng)室內(nèi)不存在大量點(diǎn)位的可能發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)動力部件及過濾器。通過設(shè)置緊急旁通風(fēng)閥,“房間送風(fēng)”可在“籠具送風(fēng)”的備用設(shè)備失靈時作為第二備用風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)急投入使用。送風(fēng)方式B 較之送風(fēng)方式A,可提供更安全可靠的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行保障。
實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施建設(shè)難度大、造價高,業(yè)主往往希望設(shè)施建成后能夠盡量多地布置籠具。尤其對于實(shí)驗(yàn)動物生產(chǎn)企業(yè)而言,空間的利用率對其產(chǎn)量及利潤更是至關(guān)重要。下文以一個典型的小鼠飼養(yǎng)房間為例,計(jì)算對比采用上述兩種送風(fēng)方式時的室內(nèi)空間利用率。
對比模型概述:該飼養(yǎng)房間面積為70.8 m2。采用密集型單面、雙面IVC籠架。單面籠架尺寸為1720 mm × 540 mm × 2080 mm(長×寬×高),雙面籠架尺寸為1720 mm × 890 mm × 2090 mm(長×寬×高),IVC主機(jī)尺寸為470 mm × 660 mm × 2090 mm(長×寬×高)。每個籠盒內(nèi)的小鼠數(shù)量均為5只。
采用上述兩種不同的籠具送風(fēng)方式,IVC籠具的布置示意見圖2;其對室內(nèi)可布置籠盒數(shù)量及可飼養(yǎng)小鼠數(shù)量的影響見表1。
由此可見:采用送風(fēng)方式B,室內(nèi)無需設(shè)置控制主機(jī),可節(jié)省相應(yīng)的建筑空間,較之采用送風(fēng)方式A,其室內(nèi)空間利用率更高。當(dāng)然,無論采取那種方式,要想將空間利用率最大化,合理確定房間的尺寸、合理布局IVC籠具都是必不可少的。
圖2 兩種不同送風(fēng)方式下的籠架布置圖Figure 2 Layouts of cages for the two different air supply modes
表1 兩種不同送風(fēng)方式下的可布置籠盒數(shù)對比Table 1 Comparison of the number of cage boxes arranged for the two air supply modes
采用該方式,空調(diào)送風(fēng)只設(shè)置一套系統(tǒng),其空氣處理量為根據(jù)房間換氣次數(shù)要求計(jì)算得出的風(fēng)量。為確?;\盒內(nèi)的溫濕度達(dá)標(biāo),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時不得不依據(jù)籠盒內(nèi)小鼠的散熱及散濕量來計(jì)算確定籠盒的進(jìn)風(fēng)參數(shù)(即房間的溫濕度參數(shù))。由于籠盒內(nèi)小鼠聚集,其單位空間體積的散熱散濕量遠(yuǎn)大于房間,因此以籠盒內(nèi)的熱濕條件來確定房間的空氣參數(shù),對于房間而言,空調(diào)系統(tǒng)存在過度處理、不節(jié)能的情況。
《實(shí)驗(yàn)動物 環(huán)境及設(shè)施》(GB 14925-2010)規(guī)定:非工作時間下,出于降低能耗的考慮,房間的最小換氣次數(shù)可降低到10次/h[1]。然而,當(dāng)采用送風(fēng)方式A時,則不建議采用降低送風(fēng)換氣次數(shù)的做法。IVC主機(jī)進(jìn)風(fēng)從房間空氣中抽取,該風(fēng)量在房間總送風(fēng)量中占較大比例,且通常在非人員工作時段也需保持恒定。若房間換氣次數(shù)大幅降低而IVC進(jìn)風(fēng)量不變,為維持房間壓力穩(wěn)定,勢必要將房間四周的排風(fēng)口風(fēng)量調(diào)得很低。此時,房間氣流組織的均勻性將受到影響并發(fā)生改變,進(jìn)而會對房間的微環(huán)境指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。
采用該方式,將房間送風(fēng)與籠盒送風(fēng)完全獨(dú)立開來。房間送風(fēng)的風(fēng)量可按扣除籠盒體積后的房間體積乘以規(guī)范要求的換氣次數(shù)計(jì)算得出。籠盒的送風(fēng)量一般以籠盒換氣次數(shù)40~60次/h[2]為宜。依據(jù)上述方法計(jì)算得出的整體空調(diào)送風(fēng)量大于采用方式A的系統(tǒng)。
采用送風(fēng)方式B,籠盒的送風(fēng)處理參數(shù)按照小鼠的散熱散濕量來計(jì)算確定;而房間的送風(fēng)參數(shù)則可從房間的實(shí)際負(fù)荷出發(fā),結(jié)合人員的熱舒適要求按需配置。其空調(diào)系統(tǒng)不存在過度處理的情況。采用這種方式,由于房間與IVC籠盒的微環(huán)境相對獨(dú)立,因此在非人員工作時間,可在確?;\盒內(nèi)換氣次數(shù)及微環(huán)境指標(biāo)保持不變的前提下,大幅降低房間的送風(fēng)量從而降低運(yùn)行能耗。
下文針對上海地區(qū)同一典型屏障環(huán)境的小鼠飼養(yǎng)室,按照采用上述兩種送風(fēng)方式進(jìn)行空調(diào)送風(fēng),分別對其空調(diào)處理工況進(jìn)行計(jì)算并分析對比。
3.3.1 對比模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
(1)飼養(yǎng)條件:房間面積:62 m2,室內(nèi)凈高2.6 m;籠盒數(shù)量:1656只,每籠小鼠數(shù)量:5只;每只小鼠產(chǎn)熱量及散濕量:全熱=0.49 W,顯熱=0.33 W,潛熱=0.16 W,散濕量=0.168 g/h[3]。
(2)籠盒參數(shù):單個籠盒外部尺寸:391 mm × 199 mm × 160 mm,體積:0.0124 m3。
(3)換氣次數(shù):房間換氣次數(shù)取18次/h;籠盒換氣次數(shù)取40~60次/h;空調(diào)通風(fēng)采用全新風(fēng)系統(tǒng)。
(4)籠盒內(nèi)參數(shù):IVC籠盒內(nèi)溫濕度設(shè)定點(diǎn):23℃,50%,焓值45.63 kJ/kg,含濕量8.81 g/kg。
3.3.2 夏季空調(diào)冷熱量需求
根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在焓濕圖上按照各狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算后,所得出的夏季空調(diào)冷熱量需求見表2~3。
(1)表2列出了不同籠盒換氣次數(shù)設(shè)定條件下,采用方式A時,計(jì)算得出的空調(diào)制冷量與再熱量。由表中數(shù)據(jù)可見,隨著籠盒換氣次數(shù)的減少,空調(diào)總冷熱量下降的趨勢并不明顯。
(2)由表2可見:采用方式A,為實(shí)現(xiàn)籠盒內(nèi)相對濕度達(dá)到50%,房間內(nèi)的空氣相對濕度必須控制得更低,才能以干燥的空氣帶走籠盒內(nèi)動物的散濕量。隨著籠盒換氣次數(shù)的逐級取低,房間空氣必須處理得越來越干燥,才能保障籠盒內(nèi)的相對濕度。
表2 不同籠盒換氣次數(shù)下,方式A的空調(diào)總冷熱量需求表Table 2 Total heat and cold demands of mode A when using different cage air change rates
注:在上述計(jì)算中,籠盒內(nèi)溫度取23℃,籠盒內(nèi)相對濕度取50%,房間整體換氣次數(shù)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 不同籠盒及房間換氣次數(shù)下,方式B的空調(diào)總冷熱量需求表Table 3 Total heat and cold demands of mode B when using different cage and room air change rates
注:在上述計(jì)算中,籠盒內(nèi)溫度取23℃,籠盒內(nèi)相對濕度取50%,房間溫度取23℃,房間相對濕度取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列出了不同籠盒換氣次數(shù)及房間換氣次數(shù)設(shè)定條件下,采用方式B時,計(jì)算得出的空調(diào)制冷量與再熱量。從表中數(shù)據(jù)可見,隨著籠盒換氣次數(shù)的減少,空調(diào)總冷熱量下降的趨勢較為明顯。
(4)采用方式B,房間的濕度設(shè)定無需考慮籠盒的濕度控制需求,兩套系統(tǒng)互不制約。
(5)將上述計(jì)算數(shù)據(jù)匯總到圖3,進(jìn)行對比分析后可知:當(dāng)房間換氣次數(shù)均設(shè)定為18次/h時,采用方式B所消耗的空調(diào)冷熱量大于方式A。隨著籠盒換氣次數(shù)逐漸取小,兩者的數(shù)據(jù)差值逐漸縮小。采用方式B,非工作時間當(dāng)房間換氣次數(shù)降低到10次/h時,空調(diào)總冷熱量需求與采用方式A(房間換氣次數(shù)18次/h)相比有明顯降低,節(jié)能效果顯著。
IVC主機(jī)自帶可編程邏輯控制器,可實(shí)現(xiàn)對籠盒參數(shù)的監(jiān)視、調(diào)控。市場上的主流產(chǎn)品通??蓪?shí)現(xiàn)以下功能:
(1)對籠盒的溫濕度、壓差、換氣次數(shù)進(jìn)行監(jiān)視,異常時報(bào)警。
(2)可實(shí)現(xiàn)籠盒正負(fù)壓狀態(tài)的切換。
(3)通過監(jiān)控通訊接口,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警。
(4)可實(shí)現(xiàn)籠盒換氣次數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。同一飼養(yǎng)室內(nèi)由不同主機(jī)所控制的籠盒可設(shè)置不同的換氣次數(shù)并可隨時按需調(diào)節(jié)。
(5)當(dāng)籠架上有部分籠盒未使用時,IVC主機(jī)可根據(jù)實(shí)際使用籠盒的風(fēng)量需求來降低主機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率、減少籠架的總送風(fēng)量,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。
IVC集中送風(fēng)的系統(tǒng),通過在各送排風(fēng)管道上設(shè)置溫濕度、風(fēng)量傳感器、籠架恒風(fēng)量閥等,可實(shí)現(xiàn)對籠盒溫濕度、風(fēng)量的監(jiān)控和對籠盒壓力的控制。該系統(tǒng)在室內(nèi)無智能控制器,其可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控功能及調(diào)節(jié)功能不如送風(fēng)方式A豐富。
圖3 改變籠盒換氣次數(shù)時兩種方式的空調(diào)需求對比Figure 3 Comparison of air conditioning requirements for the two air supply modes when changing cage ventilation times
采用方式A,項(xiàng)目初投資中增加了IVC主機(jī)的費(fèi)用;采用方式B則增加了空調(diào)箱、管路、風(fēng)閥等的費(fèi)用。IVC主機(jī)集成了多項(xiàng)智能化監(jiān)控與調(diào)節(jié)功能,其售價不菲,進(jìn)口品牌尤為突出。下面以一個典型項(xiàng)目為例,對比A、B兩種方式空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的初投資,詳見表4。該項(xiàng)目建筑面積約600 m2,設(shè)置大鼠籠位數(shù)490個,小鼠籠位數(shù)3520個。
表4 兩種送風(fēng)方式的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)初投資對比Table 4 Comparison of initial investment of air supply systems for the two air supply modes
由表4可見,采用送風(fēng)方式A較之方式B,空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的初投資明顯增加。
綜上所述,IVC籠具的這兩種空調(diào)送風(fēng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn):方式A在數(shù)字化監(jiān)控調(diào)節(jié)手段上具有優(yōu)勢;方式B則在安全可靠性、空間利用率、節(jié)能性和初投資合理性上更勝一籌?;谶@些特質(zhì),上述兩種送風(fēng)方式分別適用于不同類型的項(xiàng)目。
在較小規(guī)模的設(shè)施中,往往很難找到足夠的空間用以設(shè)置多臺大尺寸的空調(diào)箱。采用方式A可減少空調(diào)箱及送風(fēng)管路的設(shè)置,可通過在房間內(nèi)設(shè)置多臺IVC主機(jī)將送風(fēng)設(shè)備化整為零。IVC主機(jī)也可靈活且智能化地實(shí)現(xiàn)籠盒環(huán)境的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。在小型設(shè)施中應(yīng)用該方式所需設(shè)置的IVC主機(jī)數(shù)量不至于過多,其潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位數(shù)及對初投資的影響也相對可控。
一方面,中大型的設(shè)施整體能耗基數(shù)較大,其節(jié)能潛力更大。采用IVC集中送風(fēng)的系統(tǒng),在非工作時段可大幅降低空調(diào)通風(fēng)能耗,帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面,中大型的設(shè)施一旦發(fā)生系統(tǒng)故障或污染事故往往會造成重大損失。采用方式B,風(fēng)系統(tǒng)具有多重冗余備份且交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)更低,具有更高的安全性。
總而言之,只有根據(jù)項(xiàng)目的具體特點(diǎn)選擇適合的送風(fēng)方式,方可最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢、創(chuàng)造價值收益。