張凡，萬鑫，張映偉

（1.蘇州融森凈化工程有限公司，江蘇 蘇州 215213；2.江西省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，南昌 330046；3.蘇州融森凈化工程有限公司，江蘇 蘇州 215213）

動(dòng)物因其疾病發(fā)展過程、臨床癥狀、發(fā)病機(jī)制與人類具有相似性，已成為解決人類健康與疾病問題研究的理想模型，在人類疾病發(fā)病機(jī)理、診斷、治療、預(yù)防、生物醫(yī)藥和生物制品的生產(chǎn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)、引領(lǐng)支撐生命科學(xué)研究和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物需在一定環(huán)境條件飼養(yǎng)，屏障環(huán)境適用于飼育清潔及和或無特定病原體級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，數(shù)量居多。動(dòng)物飼養(yǎng)室要求全年候、全天候環(huán)境溫濕度等指標(biāo)控制在相應(yīng)范圍內(nèi)，因動(dòng)物排放氨氣，系統(tǒng)新風(fēng)比大，且空調(diào)機(jī)組不間斷運(yùn)行，能耗巨大，迫切需要節(jié)能設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于南昌高科技產(chǎn)業(yè)園，沒有蒸汽；潔凈區(qū)面積373 m2；有6 間小鼠飼養(yǎng)室、4 間大鼠飼養(yǎng)室，小鼠每間50 籠，可飼養(yǎng)300 只小鼠，大鼠每間100 籠，可飼養(yǎng)400 只大鼠。屏障環(huán)境動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室設(shè)有檢疫觀察室、手術(shù)室、實(shí)驗(yàn)室、解剖間，人凈更衣、風(fēng)淋、潔凈走廊、雙污物走廊等，飼養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)區(qū)分別設(shè)在建筑兩邊、輔助用房居中布置。按《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施》規(guī)范[1]，本屏障動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室為正壓，動(dòng)物生產(chǎn)間相通區(qū)域最小靜壓差≥10Pa；環(huán)境溫度20～26 ℃，濕度40%～70%，最小換氣次數(shù)≥15 次/h。空調(diào)機(jī)組按時(shí)段運(yùn)行[2]，實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)段總風(fēng)量參考文獻(xiàn)[3-4]（換氣次數(shù)17 次/h）為17 160 m3/h，系統(tǒng)僅潔凈走廊等少數(shù)輔助功能間能回風(fēng)，新風(fēng)比高達(dá)73.5%；飼養(yǎng)片區(qū)（包括該區(qū)域清潔、污物走廊）送風(fēng)量6 750 m3/h，占總送風(fēng)量39.3%，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)無發(fā)熱設(shè)備，主導(dǎo)是維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，濕負(fù)荷以新風(fēng)為主，均與室外環(huán)境溫濕度正相關(guān)。

2 節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 南昌氣候特征

南昌冬冷夏熱（潮濕氣候），見圖1～3：

除12月月平均相對(duì)濕度為61.0%，其他月份平均相對(duì)濕度均＞70%，3、4、10、11月除濕季節(jié)[5]，5～9月空調(diào)季節(jié)，1～4、11～12月采暖季節(jié)。

南昌＞35 ℃僅64 h，25～35 ℃ 2 116 h，≤20 ℃4 750 h。

圖1 南昌2005年月氣象數(shù)據(jù)圖Fig.1 Monthly meteorological data of Nanchang in 2005

圖2 南昌2005年干球溫度頻數(shù)Fig.2 Frequency of dry bulb temperature in Nanchang in 2005

圖3 南昌2019年7月氣溫走勢Fig.3 Trend of temperature in Nanchang in July 2019

全月29 天日溫差≥5 ℃。

2.2 冷熱源設(shè)備選用

計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn) [6]，動(dòng)物房工作時(shí)段最大冷負(fù)荷（13:00）22.8 kW，最小時(shí)負(fù)荷（8:00）17.7 kW，自凈時(shí)段（7:00）15.1 kW，非工作時(shí)段最大逐時(shí)冷負(fù)荷（19:00）14.9 kW，最小時(shí)負(fù)荷（5:00）11.0 kW。見圖4。

圖4 系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.4 Hourly load of system

實(shí)驗(yàn)室全年及全天熱負(fù)荷波動(dòng)較大，全年絕大部分時(shí)間為部分負(fù)荷運(yùn)行，這就要求冷熱源有較好調(diào)節(jié)能力，適應(yīng)負(fù)荷變化，避免大馬拉小車造成的能源浪費(fèi)。數(shù)碼變?nèi)萘恐迸蚩照{(diào)機(jī)雖有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力，但價(jià)格昂貴，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室要求備用冷熱源設(shè)備，其投資超出甲方預(yù)算。本項(xiàng)目冷熱源采用130、80、65 kW 三種規(guī)格四臺(tái)風(fēng)冷模塊冷熱水機(jī)組，總冷量355 kW，最少有80 kW 冷量機(jī)組備用，保證動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室全年侯使用，單四臺(tái)機(jī)組就有九種冷量組合等級(jí)，其單臺(tái)機(jī)組又有兩個(gè)壓縮機(jī)及完全獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，可控制單元模塊內(nèi)壓縮機(jī)的開啟數(shù)量，單機(jī)可50%～100%二級(jí)調(diào)節(jié)，冷熱系統(tǒng)總可實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目16種階梯式節(jié)能的冷量組合。冷熱水選用兩種規(guī)格四臺(tái)泵，變頻控制與機(jī)組匹配流量，系統(tǒng)能較好適應(yīng)能耗變化。冷熱源系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 冷熱源系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical parameter table of cold and heat source system

2.3 空調(diào)空氣焓濕處理過程

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)比大，又全天、全年候運(yùn)行，排風(fēng)含氨氣，能量回收采用U 型熱管新風(fēng)排風(fēng)節(jié)能器，該節(jié)能器體積較小，嚴(yán)密性好，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，無需日常維護(hù)，通過U 型熱管蒸發(fā)、冷凝，吸熱、放熱，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)與排風(fēng)的熱量交換，能源形成閉式環(huán)流循環(huán)回收排風(fēng)顯熱，提高能源利用率，節(jié)能器風(fēng)機(jī)功率2×2.2 kW。降溫除濕季節(jié)，按室外設(shè)計(jì)干球溫度t1=35.4 ℃[7]計(jì)算，U 型熱管新排風(fēng)節(jié)能器效率η=0.6，排風(fēng)溫度t3=25 ℃。

預(yù)冷后新風(fēng)溫度t2=t1-η（t1-t3）=35.4-0.6 （35.4-25）=29.2℃。

預(yù)冷后新風(fēng)減溫除濕至露點(diǎn)溫度13.7 ℃，相對(duì)濕度95%，含濕量9.51 g/kg；由于新風(fēng)比大，與回風(fēng)混合溫度只有16.3 ℃，含濕量10.0 g/kg，可直接風(fēng)機(jī)加壓溫升1.7 ℃到送風(fēng)點(diǎn)溫度18 ℃送風(fēng)，達(dá)室內(nèi)24 ℃，60%，11.48 g/kg。以下簡稱該過程為回收表冷處理過程如圖5所示。

圖5 回收表冷空氣降溫除濕處理過程Fig.5 Recycling cold air cooling dehumidification process

一次表冷處理過程（以下簡稱一次表冷）：新回風(fēng)混合總風(fēng)量降溫除濕至機(jī)器露點(diǎn)溫度14.5 ℃，含濕量10.03 g/kg，相對(duì)濕度95%；電加熱至再熱點(diǎn)溫度16.3 ℃后同上送風(fēng)。相比回收表冷僅新風(fēng)減溫減焓處理，處理風(fēng)量只有總量73.5%，回風(fēng)混合替代該部分電加熱再熱，又節(jié)約能耗。（若系統(tǒng)需＞18 ℃送風(fēng)再熱量部分輔以電加熱）比較兩種處理過程節(jié)能數(shù)據(jù)見表2。

加熱加濕季節(jié)，新風(fēng)通過U 型熱管新風(fēng)排風(fēng)節(jié)能器預(yù)熱，再與回風(fēng)混合后加熱、加濕（以下簡稱回收加熱）至送風(fēng)點(diǎn)送風(fēng)。如圖6所示。

表2 兩種處理過程降溫除濕能耗表Tab.2 Energy consumption table for cooling and dehumidification of two treatment processes

圖6 空氣加熱加濕處理過程Fig.6 Air heating and humidification process

本工程按室外設(shè)計(jì)干球溫度t1=-1.5 ℃[7]計(jì)算，排風(fēng)溫度t3=21 ℃

預(yù)熱后新風(fēng)溫度t2=t1-η（t1-t3）=-1.5-0.6（21+1.5）=12 ℃

與回風(fēng)混合后溫度14.9 ℃，含濕量4.0 g/kg，加熱至26.3 ℃，加濕至含濕量7.4 g/kg，再風(fēng)機(jī)加壓溫升1.7 ℃到送風(fēng)點(diǎn)溫度28 ℃送風(fēng)。同新回風(fēng)混合加熱加濕（以下簡稱加熱加濕）處理過程比，兩種處理過程節(jié)能數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩種處理過程加熱加濕能耗表Tab.3 Energy consumption table for heating and humidification of two treatment processes

2.4 全天侯按時(shí)段分模式定風(fēng)量運(yùn)行

機(jī)組空調(diào)能耗與送風(fēng)量成正比，送風(fēng)量是節(jié)能第一要素。本工程潔凈空調(diào)機(jī)組按總風(fēng)量和飼養(yǎng)室風(fēng)量分別選用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，互為飼養(yǎng)室備用，風(fēng)機(jī)均變頻控制；實(shí)驗(yàn)室和輔助間由一總風(fēng)管送風(fēng)，風(fēng)管上安裝電動(dòng)密閉閥，密閉閥與大風(fēng)機(jī)連鎖，同開同關(guān)。工作模式：工作時(shí)段（11 小時(shí)）開啟大風(fēng)機(jī)17 次/h全室送風(fēng)。非工作模式：非工作時(shí)段按（12 h），依據(jù)文獻(xiàn) [2]以12 次/h 送風(fēng)，送風(fēng)量：全室12 120 m3/h，僅飼養(yǎng)區(qū)5 160 m3/h，借鑒潔凈手術(shù)部的做法，其他區(qū)域不工作就不送風(fēng)，非工作時(shí)段啟用小風(fēng)機(jī)僅飼養(yǎng)區(qū)域12 次/h 送風(fēng)，同時(shí)將污物走廊靜壓差12 Pa提高35 Pa 回風(fēng)，開啟其回風(fēng)管電動(dòng)密閉閥，關(guān)閉其排風(fēng)管電動(dòng)密閉閥，新風(fēng)比77.1%，這樣既保護(hù)周邊區(qū)域不被污染，又可利用回風(fēng)再熱，最大限度節(jié)約能源。自凈模式：工作前自凈，按文獻(xiàn) [8]計(jì)算實(shí)驗(yàn)室自凈時(shí)間為45 min，因此工作前1 h 切換到大風(fēng)機(jī)（17 次/h）運(yùn)行，使實(shí)驗(yàn)及輔助區(qū)域達(dá)到潔凈環(huán)境要求運(yùn)行。

系統(tǒng)采用風(fēng)速變送器檢測送風(fēng)風(fēng)量來調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)保持風(fēng)量一定，還能自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)阻力變化，變頻運(yùn)行節(jié)省空氣輸送能耗。本工程系統(tǒng)初阻1 238 Pa，終阻1 694 Pa。N1/N2=（1 238/1 694）3/2=0.62，N1 為系統(tǒng)初阻力風(fēng)機(jī)軸功率，N2 為系統(tǒng)終阻力風(fēng)機(jī)軸功率，定風(fēng)量節(jié)能效率可觀。

按文獻(xiàn) [7]可得兩個(gè)時(shí)段夏季空調(diào)室外最熱月逐時(shí)溫度平均值為33.3 ℃和29.1 ℃，計(jì)算一次表冷按時(shí)段定風(fēng)量能耗，見表4。

表4 一次表冷按時(shí)段定風(fēng)量降溫除濕能耗表Tab.4 Energy consumption table of primary cooling and fixed air volume cooling and dehumidification

2.5 自動(dòng)控制

空調(diào)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行有賴于自動(dòng)控制系統(tǒng)，制冷空調(diào)所有設(shè)備、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分散控制、集中監(jiān)測和管理，提高系統(tǒng)的時(shí)效性和穩(wěn)定性。自動(dòng)化控制系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：傳感器與執(zhí)行器，PLC（可編程控制器），通訊網(wǎng)絡(luò)，中央管理計(jì)算機(jī)。

節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)通過通訊接口與各風(fēng)冷模塊冷熱水機(jī)組連接，通過建立智能數(shù)學(xué)模型，預(yù)計(jì)算室內(nèi)負(fù)荷需求與監(jiān)測末端實(shí)際負(fù)荷值、PLC 自動(dòng)選擇最佳模塊主機(jī)與壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)和頻率，實(shí)現(xiàn)冷熱水系統(tǒng)設(shè)備與負(fù)荷階梯式配合。

按模式定時(shí)段定風(fēng)量運(yùn)行，CPU 根據(jù)預(yù)先輸入各時(shí)段風(fēng)量值，自動(dòng)選擇運(yùn)行風(fēng)機(jī)，且自行控制風(fēng)速變送器檢測送風(fēng)風(fēng)量來調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率保持風(fēng)量達(dá)到設(shè)定值，及系統(tǒng)閥門切換節(jié)能運(yùn)行。

控制系統(tǒng)還可以通過提高動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室溫濕度精度來節(jié)能運(yùn)行。系統(tǒng)夏季濕度采用PID 的雙閉環(huán)串級(jí)模式控制表冷水調(diào)節(jié)閥，主環(huán)路是計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)系統(tǒng)濕度值與回風(fēng)濕度測量值的主控制系統(tǒng)，副環(huán)路是機(jī)器露點(diǎn)副控制系統(tǒng)，這種雙閉環(huán)的串級(jí)控制系統(tǒng)大大改善了PID 控制器的品質(zhì)；系統(tǒng)溫度也采用PID 的雙閉環(huán)串級(jí)模式控制電加熱器，主變量為回風(fēng)溫度，副變量為送風(fēng)溫度?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了受控對(duì)象（冷水閥）動(dòng)態(tài)精確調(diào)節(jié)過程，冷水量自適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化，不浪費(fèi)能源。

自控系統(tǒng)在保證屏障實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的前提下，切實(shí)達(dá)到節(jié)約能源和降低人工成本的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

3.1 項(xiàng)目節(jié)能效果

本工程通過U 型熱管節(jié)能器回收排風(fēng)顯熱，新風(fēng)表冷，非工作時(shí)段僅飼養(yǎng)區(qū)送風(fēng)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。降溫除濕季節(jié)按最熱月溫濕度同上，與一次表冷能耗數(shù)據(jù)見表5。加熱加濕季節(jié)空調(diào)室外最冷月溫濕度平均值為5.9 ℃，77.3%計(jì)算，和不采用U 型熱管節(jié)能器能耗數(shù)據(jù)見表6。

3.2 結(jié)論

（1）隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，熱管內(nèi)部液芯壽命問題被解決，同時(shí)制造成本降低，本項(xiàng)目U 型熱管新排風(fēng)節(jié)能器3.9 萬元，熱管新排風(fēng)節(jié)能器對(duì)新風(fēng)比高、新排風(fēng)溫差大的地區(qū)、使用時(shí)間長的空調(diào)系統(tǒng)性價(jià)比高。

表5 兩種處理過程全日降溫除濕能耗表Tab.5 The daily cooling and dehumidification energy consumption of the two treatment processes is shown in the table

表6 兩種處理過程降全日加熱加濕能耗表Tab.6 The daily heating and humidification energy consumption of the two treatment processes is shown in the table

表7 年節(jié)能量及經(jīng)濟(jì)分析Tab.7 Annual economic analysis of energy saving

（2）同樣隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC 控制功能增強(qiáng)，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，PLC自動(dòng)控制技術(shù)降低能耗性價(jià)比提高，經(jīng)濟(jì)可行，值得空調(diào)節(jié)能領(lǐng)域拓展應(yīng)用。

（3）有完全獨(dú)立的制冷系統(tǒng)兩個(gè)壓縮機(jī)風(fēng)冷模塊機(jī)組，可以完全實(shí)現(xiàn)多種階梯式冷量組合，以模塊機(jī)階梯式變冷水流量，綜合節(jié)能和性價(jià)比對(duì)冷量較小系統(tǒng)非常適宜。

（4）屏障環(huán)境動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室非工作時(shí)間長，風(fēng)量是節(jié)能效果最好的重要參數(shù)，需重視系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)。本工程非飼養(yǎng)區(qū)域自凈需通過驗(yàn)證，非工作運(yùn)行模式需通過當(dāng)?shù)貏?dòng)管會(huì)認(rèn)可。

本項(xiàng)目全年節(jié)約用電7.7 萬kW·h，靜態(tài)投資回收1.4年，讓甲方投資較小并用得起空調(diào)，同時(shí)響應(yīng)國家低碳環(huán)保綠色發(fā)展之需求。