龔光彩 賀習(xí)之 陳盟君 陳 湘 彭 佩 余望貽

（1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410082；2 湖南中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心 長(zhǎng)沙 410208）

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為生命科學(xué)研究必備的基本條件，對(duì)生物工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均起到重要作用[1]。大部分實(shí)驗(yàn)動(dòng)物受室內(nèi)環(huán)境因素變化影響較大，如室內(nèi)氣流速度過(guò)大會(huì)增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物表面散熱量，而溫濕度、氨氣質(zhì)量濃度等參數(shù)若不控制在相應(yīng)適宜范圍內(nèi)也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖，因此必須控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)環(huán)境使環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響最小化[2-3]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物繁育、飼養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)，其環(huán)境的控制不僅關(guān)系到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的福利及身心健康，更是保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性和可重復(fù)性的關(guān)鍵，對(duì)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果和水平具有深遠(yuǎn)影響[4-7]。在新冠疫情期間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)不同模式的生物體進(jìn)行臨床前研究將為開(kāi)發(fā)疫苗、測(cè)試治療藥物的安全性和有效性提供重要參考依據(jù)，為提高實(shí)驗(yàn)精度，飼養(yǎng)環(huán)境控制的重要性尤為突出[8]。

我國(guó)SPF級(jí)（清潔實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和無(wú)特定病原體）實(shí)驗(yàn)小鼠普遍飼養(yǎng)在屏障環(huán)境下的獨(dú)立通風(fēng)籠具（independent ventilation cage，IVC）中。IVC系統(tǒng)由控制主機(jī)、籠架、籠盒和獨(dú)立送排風(fēng)系統(tǒng)組成，各獨(dú)立密閉籠盒自帶送排風(fēng)接頭，獨(dú)立送排風(fēng)系統(tǒng)將空氣過(guò)濾后分別送入籠盒中[4]，從而為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供相對(duì)密閉穩(wěn)定的飼養(yǎng)環(huán)境。該系統(tǒng)具有避免盒與盒之間或動(dòng)物與人之間的交叉污染、維護(hù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)勢(shì)[9-10]。

IVC系統(tǒng)將籠盒內(nèi)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室大環(huán)境即外環(huán)境隔離，其中與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)質(zhì)量關(guān)系更為密切的是貼近實(shí)驗(yàn)動(dòng)物周圍或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物主要活動(dòng)范圍內(nèi)的環(huán)境，該環(huán)境可被理解為一種面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)微環(huán)境，也被稱為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)微環(huán)境[11]。微環(huán)境中各項(xiàng)重要指標(biāo)的控制仍主要依賴于室內(nèi)大環(huán)境和凈化空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用[12]，而實(shí)際使用中，IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)會(huì)同時(shí)對(duì)籠盒內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境進(jìn)行調(diào)控[13-14]。因此，本文旨在針對(duì)IVC飼養(yǎng)微環(huán)境的控制方法進(jìn)行研究以對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房?jī)艋照{(diào)系統(tǒng)性能的提升提供思路。

為研究IVC飼養(yǎng)微環(huán)境的控制方法，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從換氣次數(shù)、溫濕度、氨氣質(zhì)量濃度、墊料種類等方面進(jìn)行了大量研究[15-17]。已有研究多采用對(duì)籠內(nèi)參數(shù)直接測(cè)量的方式，很少結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的籠盒采用針對(duì)內(nèi)部飼養(yǎng)微環(huán)境的模擬和測(cè)試方法。現(xiàn)有主要測(cè)量方式如下：1）打開(kāi)籠盒迅速將儀器放入籠盒內(nèi)測(cè)量;2）檢測(cè)儀的檢測(cè)端口通過(guò)飲水瓶瓶嘴孔進(jìn)入籠盒測(cè)量或提前在籠盒上開(kāi)孔使檢測(cè)端口進(jìn)入籠盒測(cè)量[12,18-19]。綜上可知，由于IVC飼養(yǎng)微環(huán)境的特殊性，難以在不破壞籠盒內(nèi)流場(chǎng)并盡量減少對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物干擾的情況下測(cè)量IVC飼養(yǎng)微環(huán)境內(nèi)各參數(shù)的具體分布。此外，現(xiàn)有研究多為針對(duì)同一籠盒的不同指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，較少考慮同一系統(tǒng)中不同籠位對(duì)飼養(yǎng)微環(huán)境的影響。因此，本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)湖南省某高校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心一間SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房實(shí)際飼養(yǎng)小鼠時(shí)的獨(dú)立通風(fēng)籠盒內(nèi)的飼養(yǎng)微環(huán)境特性進(jìn)行模擬研究；并與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，在輔助模型搭建和模型驗(yàn)證外進(jìn)一步研究飼養(yǎng)微環(huán)境與外環(huán)境的關(guān)系。

1 研究對(duì)象

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

本文以湖南省某高校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心一間SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房[SYXK（湘）2019-0009]為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房各項(xiàng)目參數(shù)如表1所示，平面布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房外環(huán)境采用吊頂中央送風(fēng)底部四角回風(fēng)的氣流組織形式，內(nèi)部擺放4臺(tái)IVC籠架，每臺(tái)配置8×8個(gè)籠位。

表1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房各項(xiàng)目參數(shù)Tab.1 Parameters of each item of laboratory animal room

圖1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房平面布置Fig.1 Arrangement of the laboratory animal room

1.2 IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)

IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)流程：室外空氣經(jīng)凈化空調(diào)箱處理送入總風(fēng)管后分成兩路，一路送入各實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房外環(huán)境，一路增壓后送入IVC籠架的送風(fēng)管，由籠盒蓋靜壓窗送至籠盒內(nèi)；同理，籠盒內(nèi)的排風(fēng)和外環(huán)境排風(fēng)經(jīng)增壓后進(jìn)入總排風(fēng)管。IVC飼養(yǎng)間采用全膜終端式過(guò)濾，飼養(yǎng)間自帶的外環(huán)境溫濕度及壓差監(jiān)控儀表布置于門口處。

1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為購(gòu)于湖南斯萊克景達(dá)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司的SPF級(jí)KM雄性小鼠25只[SCXK（湘）2019-0004]，體重為18～25 g。實(shí)驗(yàn)小鼠養(yǎng)于5個(gè)IVC籠盒內(nèi)，每籠5只，正常飼養(yǎng)喂水。另加一空態(tài)籠盒為空白對(duì)照組，除不飼養(yǎng)動(dòng)物外與其他5個(gè)籠盒配置保持一致。6個(gè)籠盒全部放置于籠架4由下至上第五層的籠位中。

2 研究方法

2.1 飼養(yǎng)微環(huán)境的數(shù)值模擬方法

2.1.1 幾何模型建立

該籠盒模型以實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房實(shí)際應(yīng)用的FENGSHI GROUP的FS-003-1號(hào)小鼠籠盒為參考，尺寸為0.38 m×0.18 m×0.18 m（長(zhǎng)×寬×高），實(shí)體主要由塑料底蓋、盒蓋、鋼絲網(wǎng)蓋及飲水瓶組成，采用上送上回的氣流組織形式。模型中不考慮飲水口的大小及不銹鋼網(wǎng)蓋對(duì)氣流阻攔作用，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。為建立小鼠模型，以KM小鼠為參考，根據(jù)體型特征和計(jì)算表面積建立了多種模型，兼顧網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算時(shí)間后最終采用的小鼠模型如圖3所示。

圖2 IVC籠盒簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of IVC

圖3 KM小鼠簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of KM mice

2.1.2 實(shí)驗(yàn)室小鼠傳熱分析方法

實(shí)驗(yàn)室小鼠與環(huán)境不斷進(jìn)行能量交換以保證體內(nèi)熱量的動(dòng)態(tài)平衡。與人體散熱相似，小鼠主要散熱方式包括輻射散熱、對(duì)流散熱、蒸發(fā)散熱、排泄散熱。由于小鼠的排泄量較少，又因長(zhǎng)期生活在鋪有厚墊料的籠盒內(nèi)，小鼠體表可看作毛發(fā)和空氣，因此排泄散熱和輻射散熱可忽略。熱平衡方程如下[20]：

Q=Qc+Qe

（1）

式中：Q為全散熱量，W；Qc為對(duì)流散熱量，W；Qe為蒸發(fā)散熱量，W。

由于小鼠表面真實(shí)流態(tài)速度場(chǎng)復(fù)雜，模擬中簡(jiǎn)化為平均散熱模型，由式（2）計(jì)算自然對(duì)流與受迫對(duì)流的綜合對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hc（W/（m2·℃））[20]：

（2）

式中：hnc為自然對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）；hfc為受迫對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）。根據(jù)GB 50447—2008《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范》[21]規(guī)定的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)境指標(biāo)范圍，一般情況下小鼠表面風(fēng)速與環(huán)境的溫差分別小于0.2 m/s、15 ℃，宜采用Winslow和Rapp的經(jīng)驗(yàn)公式[20]。通過(guò)計(jì)算得到綜合對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)約為5.56 W/（m2·℃）。

對(duì)于蒸發(fā)散熱部分，小鼠無(wú)汗液蒸發(fā)散熱量，僅有呼吸散熱量，計(jì)算如下[22]：

Qe=0.017 3M（5.867-pa）+0.001 4M（34-ta）

（3）

式中：M為小鼠的代謝量，W，可與人體代謝量進(jìn)行換算[21]；pa為環(huán)境空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；ta為小鼠附近空氣溫度，℃。

根據(jù) Meeh-Ruhuer式計(jì)算小鼠的散熱體表面積[23]：

A=KW2/3/1 000

（4）

式中：A為體表面積，m2；K為常數(shù)，隨動(dòng)物不同而不同；W為質(zhì)量，g，小鼠的質(zhì)量約為20 g[21]。通過(guò)計(jì)算得到小鼠的體表面積為0.006 9 m2。

2.1.3 飼養(yǎng)微環(huán)境模擬方法及邊界條件

本文采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行模擬，SIMPLE壓力速度耦合算法求解?？刂品匠虨檫B續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。以氨氣作為污染物，考慮氨氣密度與空氣的差異，豎向加速度設(shè)置為-9.8 m/s2。

通過(guò)前期調(diào)查與實(shí)驗(yàn)測(cè)量，IVC籠盒的邊界條件設(shè)置如下：

1）籠盒換氣次數(shù)常用送風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算[24]，因此用籠盒送風(fēng)風(fēng)速代表不同的換氣次數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量籠架不同位置處送風(fēng)風(fēng)速的變化范圍在2.79～4.94 m/s之間，因此主要模擬了送風(fēng)風(fēng)速為2.79、4.94 m/s的籠盒狀態(tài)以對(duì)比不同換氣次數(shù)下的飼養(yǎng)微環(huán)境；出風(fēng)口為自然邊界條件。

2）送風(fēng)溫濕度根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)置為23 ℃、30%。

3）僅考慮籠盒內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)，籠盒周圍壁面作為絕熱壁面處理。

4）小鼠散熱模型采用生物傳熱模型，表皮溫度為37 ℃且均勻散熱。

5）通過(guò)實(shí)際觀察，由于實(shí)驗(yàn)期間墊料不進(jìn)行更換，小鼠頻繁活動(dòng)會(huì)使小鼠糞便充分混合于墊料中并使籠內(nèi)各處墊料厚度趨于一致，因此把墊料面作為均勻穩(wěn)定散氨源。

污染物邊界條件采取根據(jù)通風(fēng)量和質(zhì)量濃度推算源散發(fā)量的方法，全面通風(fēng)換氣次數(shù)計(jì)算如下[25]：

（5）

式中：L為全面通風(fēng)量，m3/s；KS為安全系數(shù)，通常取3～10，為討論最不利于氨氣稀釋排放的情況，本文取3；qm為氨氣散發(fā)量，mg/s；C0為送風(fēng)空氣中氨氣質(zhì)量濃度，mg/m3，因采用全新風(fēng)，取0；C為穩(wěn)定時(shí)室內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度，mg/m3，根據(jù)美國(guó)國(guó)立圖書(shū)館提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，0.23 m×0.45 m×0.165 m（長(zhǎng)×寬×高）的通風(fēng)籠盒內(nèi)飼養(yǎng)兩只小鼠，送風(fēng)量為56 L/min，平衡后氨氣質(zhì)量濃度維持在0.23 mg/m3[25]。通過(guò)計(jì)算得到每只小鼠的氨氣散發(fā)量為3.5×10-5mg/s，墊料面氨氣散發(fā)量為1.8×10-4mg/s。

2.1.4 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

模擬采用ICEM軟件繪制模型和生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算。為進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，正式計(jì)算前選擇903 658、1 275 275、1 734 664三種網(wǎng)格密度不同的網(wǎng)格試算，并在小鼠附近和籠盒上部設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)風(fēng)速，結(jié)果表明，903 658、1 275 275兩種網(wǎng)格試算后監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速最大相對(duì)誤差為7.63%，1 275 275和1 734 664兩種網(wǎng)格最大相對(duì)誤差為1.33%，計(jì)算結(jié)果接近，因此正式計(jì)算選擇的網(wǎng)格數(shù)為1 275 275。

2.2 飼養(yǎng)微環(huán)境的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

該實(shí)驗(yàn)按照3R原則進(jìn)行，經(jīng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心倫理委員會(huì)審批[LLBH-202101050001]。對(duì)IVC飼養(yǎng)間的籠內(nèi)送風(fēng)風(fēng)速、溫濕度環(huán)境特性以及氨氣質(zhì)量濃度分布特性等參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)。小鼠飼養(yǎng)前3天為適應(yīng)性喂養(yǎng)，期間不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

籠盒內(nèi)外測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，由圖4可知，溫濕度和氨氣質(zhì)量濃度的籠盒內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置選取在籠盒內(nèi)上部空間以避免小鼠抓咬?；\盒外根據(jù)與籠具距離不同選擇兩組測(cè)點(diǎn)，設(shè)于籠盒外表面的測(cè)點(diǎn)為近處外環(huán)境測(cè)點(diǎn)，外環(huán)境4個(gè)回風(fēng)口處測(cè)點(diǎn)為遠(yuǎn)處外環(huán)境測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所用器材與測(cè)量方法如表2所示。

圖4 籠盒內(nèi)外測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of measuring points

表2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量方法Tab.2 Experimental instruments and measurement methods

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型有效性，以實(shí)驗(yàn)中5個(gè)飼養(yǎng)小鼠的籠盒日平均送風(fēng)風(fēng)速為參考，利用所建模型對(duì)籠盒內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并將籠盒內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。誤差應(yīng)是由籠盒壁面進(jìn)行絕熱假設(shè)引起的，該模型滿足誤差要求，具有較好的適用性。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房運(yùn)行維護(hù)中仍使用攝氏溫度進(jìn)行調(diào)控，因此后續(xù)溫度模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均換算為攝氏溫度表示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證籠盒內(nèi)飼養(yǎng)微環(huán)境溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果，利用紅外熱像儀拍攝小鼠在自由活動(dòng)狀態(tài)下的熱成像圖，如圖5所示。送風(fēng)風(fēng)速為3.50 m/s，距離籠盒底部0.03 m處的模擬結(jié)果如圖6所示。由圖5、圖6可知，自由活動(dòng)時(shí)小鼠的表面溫度約為37 ℃，小鼠附近即飼養(yǎng)微環(huán)境溫度約30.9 ℃，均與模擬結(jié)果接近。

表3 籠內(nèi)測(cè)點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.3 Comparison of simulated and experimental values for temperature measuring points

圖5 小鼠自由活動(dòng)時(shí)溫度分布Fig.5 Temperature distribution during free movement in mice

注：圖中空白處為KM小鼠截面（下同）。圖6 溫度分布云圖（z=0.03 m）Fig.6 Temperature distribution （z=0.03 m）

3.2 飼養(yǎng)微環(huán)境的風(fēng)環(huán)境分析

3.2.1 飼養(yǎng)微環(huán)境的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

IVC小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果如圖7和圖8所示。送風(fēng)口側(cè)和回風(fēng)口側(cè)的籠盒截面分別對(duì)應(yīng)x=0.15 m、 0.03 m截面。由圖7、圖8可知，不同送風(fēng)速度下主流區(qū)域的速度分布相似，籠盒下部的氣流漩渦碰到小鼠表面上移。送風(fēng)風(fēng)速為2.79 m/s（實(shí)測(cè)最小送風(fēng)風(fēng)速工況）和4.94 m/s（實(shí)測(cè)最大送風(fēng)風(fēng)速工況）時(shí)籠盒內(nèi)的平均風(fēng)速分別為0.14 m/s和0.24 m/s；送風(fēng)風(fēng)速為2.79 m/s時(shí)送風(fēng)口截面和回風(fēng)口截面的平均風(fēng)速分別為0.28 m/s和0.11 m/s，相差60.7%；送風(fēng)風(fēng)速為4.94 m/s時(shí)送風(fēng)口截面和回風(fēng)口截面的平均風(fēng)速分別為0.47 m/s和0.20 m/s，相差57.4%。位于送風(fēng)口側(cè)的小鼠周圍氣流速度顯著高于回風(fēng)口側(cè)的小鼠。

圖7 送風(fēng)速度為2.79 m/s時(shí)籠盒內(nèi)氣流速度云圖Fig.7 Velocity distribution at speed of 2.79 m/s

圖8 送風(fēng)速度為4.94 m/s時(shí)籠盒內(nèi)氣流速度云圖Fig.8 Velocity distribution at speed of 4.94 m/s

上送上回的氣流組織形式還易使籠盒上部及小鼠背部形成高風(fēng)速區(qū)，當(dāng)送風(fēng)速度為4.94 m/s時(shí)，小鼠背部一側(cè)的部分風(fēng)速達(dá)到0.3 m/s以上，已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2 m/s。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)觀察中，小鼠也更傾向于待在籠盒的前側(cè)，即風(fēng)速較低的區(qū)域。

3.2.2 斜體飼養(yǎng)微環(huán)境的風(fēng)環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果

IVC系統(tǒng)各籠盒內(nèi)飼養(yǎng)微環(huán)境送風(fēng)風(fēng)速如圖9所示，實(shí)驗(yàn)期間送風(fēng)風(fēng)速總體變化范圍在2.79～4.94 m/s之間，籠盒日平均送風(fēng)風(fēng)速變化范圍在2.85～3.57 m/s之間。由于IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)對(duì)飼養(yǎng)微環(huán)境和外環(huán)境分別加壓送風(fēng)，微環(huán)境送風(fēng)風(fēng)速基本不受外環(huán)境支路波動(dòng)影響，而受系統(tǒng)特性的影響較大。由圖9可知，隨著籠位垂直高度增加，籠盒的送風(fēng)風(fēng)速逐漸增大；籠架同一層內(nèi)，與主風(fēng)管距離不同的籠盒送風(fēng)風(fēng)速也存在差異，這與籠架送風(fēng)管道的布置形式造成的垂直和水平氣力（水力）失調(diào)有關(guān)。飼養(yǎng)微環(huán)境的送風(fēng)風(fēng)速直接影響單個(gè)籠盒的送風(fēng)風(fēng)量或換氣次數(shù)，進(jìn)而影響動(dòng)物的健康和行為[26]。在實(shí)際應(yīng)用中，定期將位于籠架不同高度處的籠盒調(diào)換位置，從消除風(fēng)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的影響的角度，該行為措施具有一定合理性。

圖9 同一IVC系統(tǒng)中不同位置處籠盒送風(fēng)風(fēng)速Fig.9 Air supply speed of cage at different positions in the same IVC system

結(jié)合模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)置IVC空調(diào)系統(tǒng)換氣次數(shù)時(shí)，應(yīng)以所有籠盒中兩個(gè)空氣分布最不利處的情況為準(zhǔn)，即因氣力（水力）不平衡造成的送風(fēng)風(fēng)速過(guò)大處和風(fēng)速過(guò)小處，保證其維持最小換氣次數(shù)要求的同時(shí)兼顧籠內(nèi)氣流組織分布。目前調(diào)節(jié)IVC籠具內(nèi)送風(fēng)風(fēng)量主要是通過(guò)改變系統(tǒng)總風(fēng)量或?qū)ν籌VC籠架的送風(fēng)量[27]，而缺少對(duì)各個(gè)籠盒的調(diào)控裝置。建議增設(shè)籠盒送風(fēng)口的入口調(diào)節(jié)裝置以調(diào)節(jié)水力平衡、改善氣流組織，減小不同位置籠盒內(nèi)飼養(yǎng)微環(huán)境的差異。

3.3 飼養(yǎng)微環(huán)境的熱環(huán)境分析

3.3.1 飼養(yǎng)微環(huán)境的熱環(huán)境模擬結(jié)果

圖10、圖11為兩種送風(fēng)風(fēng)速下的IVC飼養(yǎng)微環(huán)境的溫度分布模擬結(jié)果。送風(fēng)速度為 2.79、4.94 m/s 時(shí)籠盒內(nèi)平均溫度分別為 27.8、27.6 ℃。

圖10 送風(fēng)速度為2.79 m/s時(shí)籠盒溫度云圖Fig.10 Temperature distribution at speed of 2.79 m/s

圖11 送風(fēng)速度為4.94 m/s時(shí)籠盒溫度云圖Fig.11 Temperature distribution at speed of 4.94 m/s

圖12 高風(fēng)速籠盒內(nèi)外溫濕度差變化特性Fig.12 Differences of temperature and relative humidity between microenvironment and macroenvironment at high air supply speed

結(jié)合氣流速度云圖可知，風(fēng)速場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的分布影響較大，風(fēng)速較大的區(qū)域溫度一般較低，渦漩處可能造成局部高溫，導(dǎo)致溫度分布不均。主流氣流碰撞到籠壁返回造成小鼠下側(cè)溫度較低，但實(shí)際籠盒底部粗糙的墊料能有效保溫并分散氣流，因此小鼠下側(cè)的溫度降低不顯著。

3.3.2 飼養(yǎng)微環(huán)境的熱環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果

圖12、圖13所示為飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的5個(gè)籠盒中日均送風(fēng)風(fēng)速最高和最低的兩個(gè)籠盒（日均送風(fēng)風(fēng)速為3.57、2.85 m/s）分別與空態(tài)籠盒、近處外環(huán)境、遠(yuǎn)處外環(huán)境和兩籠盒彼此之間的溫濕度差值隨時(shí)間的變化?；\盒外表面附近即籠盒近處外環(huán)境測(cè)點(diǎn)與回風(fēng)口處即籠盒遠(yuǎn)處外環(huán)境測(cè)點(diǎn)的平均溫度分別為23.7、22.5 ℃，實(shí)驗(yàn)期間最高相對(duì)濕度分別為53.8%、57.1%。所有籠盒內(nèi)部溫濕度最高可達(dá)到27.0 ℃、54.0%。雖然IVC空調(diào)系統(tǒng)對(duì)籠盒內(nèi)的送風(fēng)濕度僅為30%，但由于小鼠自身的散濕量和飲水瓶滴水蒸發(fā)，籠盒內(nèi)濕度可以保持在40%～50%之間，符合規(guī)范要求。

實(shí)驗(yàn)期間所有實(shí)驗(yàn)籠盒內(nèi)部與籠盒近處外環(huán)境的溫濕度差最高可達(dá)3.6 ℃、11.0%，飼養(yǎng)微環(huán)境與外環(huán)境差異顯著，且由圖12、圖13可知，離籠盒越遠(yuǎn)，外環(huán)境與飼養(yǎng)微環(huán)境的溫度差越大，而濕環(huán)境差的變化則相反。但飼養(yǎng)間自帶儀表僅能檢測(cè)外環(huán)境固定測(cè)點(diǎn)的參數(shù)，不能反映實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)際生活區(qū)域的飼養(yǎng)微環(huán)境狀況，也不能準(zhǔn)確描述外環(huán)境參數(shù)分布。因此，從提高飼養(yǎng)微環(huán)境控制精度、保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員安全的角度出發(fā)，有必要對(duì)IVC系統(tǒng)外環(huán)境和飼養(yǎng)微環(huán)境提出更高的指標(biāo)檢測(cè)要求。

實(shí)驗(yàn)期間所有實(shí)驗(yàn)籠盒內(nèi)部與空態(tài)籠盒的溫濕度差最高可達(dá)2.7 ℃、18.0%，由圖12、圖13可知，由于風(fēng)速引起的溫度差異與是否飼養(yǎng)小鼠引起的溫度差異接近，在實(shí)際應(yīng)用中送風(fēng)風(fēng)速對(duì)飼養(yǎng)微環(huán)境的溫度分布影響可能與小鼠的影響相當(dāng)，應(yīng)給予充分考慮。

圖13 低風(fēng)速籠盒內(nèi)外溫濕度差變化特性Fig.13 Differences of temperature and relative humidity between microenvironment and macroenvironment at low air supply speed

圖14 送風(fēng)速度為2.79 m/s時(shí)籠盒氨氣質(zhì)量濃度云圖Fig.14 Mass concentration distribution of ammonia in cage at speed of 2.79 m/s

3.4 飼養(yǎng)微環(huán)境的氨氣質(zhì)量濃度分析

3.4.1 飼養(yǎng)微環(huán)境的氨氣濃度模擬結(jié)果

飼養(yǎng)微環(huán)境氨氣質(zhì)量濃度模擬結(jié)果如圖14、圖15所示。由圖14、圖15可知，送風(fēng)速度分別為2.79、4.94 m/s的籠盒內(nèi)部平均氨氣質(zhì)量濃度分別為0.63、0.60 mg/m3。送風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境的氨氣質(zhì)量濃度更高，送風(fēng)風(fēng)速越大越利于氨氣的稀釋和排放。目前的IVC系統(tǒng)滿足規(guī)范要求，處于最不利處即送風(fēng)速度為2.79 m/s的籠盒中氨氣質(zhì)量濃度仍在規(guī)定范圍之內(nèi)。

氨氣由墊料面向外擴(kuò)散，由于氣流漩渦和流向作用，小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境中氨氣質(zhì)量濃度較高，高濃度區(qū)主要集中于籠盒前側(cè)，即靠近送回風(fēng)口一側(cè)。相比送風(fēng)口側(cè)的小鼠，回風(fēng)口側(cè)由于受主流氣流的影響較小，小鼠被較高的氨氣濃度包圍。結(jié)合溫度分布云圖和速度分布云圖可知，IVC籠盒內(nèi)溫度場(chǎng)和氨氣質(zhì)量濃度分布均受風(fēng)環(huán)境影響，且二者有相對(duì)一致的分布規(guī)律，符合廣義雷諾比擬法則。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮多參數(shù)的相互影響，使最不利處籠盒飼養(yǎng)微環(huán)境指標(biāo)符合要求，保證實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利。

圖15 送風(fēng)速度為4.94 m/s時(shí)籠盒氨氣質(zhì)量濃度云圖Fig.15 Mass concentration distribution of ammonia in cage at speed of 4.94 m/s

圖16 氨氣質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化Fig.16 Variation of ammonia mass concentration with time

3.4.2 飼養(yǎng)微環(huán)境的氨氣質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)結(jié)果

圖16所示為連續(xù)10天測(cè)得的各實(shí)驗(yàn)籠盒內(nèi)部、空態(tài)籠盒及外環(huán)境的氨氣質(zhì)量濃度隨飼養(yǎng)天數(shù)的變化。因組裝籠盒時(shí)氨氣從外環(huán)境進(jìn)入籠盒以及籠盒存在一定泄漏，第一天籠盒內(nèi)的氨氣質(zhì)量濃度不為0。隨著天數(shù)的增加，由于籠盒的阻礙以及外環(huán)境的氣流組織擴(kuò)散作用，外環(huán)境與空白籠盒的氨氣質(zhì)量濃度值穩(wěn)定在0.1 mg/m3以下。由于外環(huán)境會(huì)在更換飲水瓶或進(jìn)行其他操作時(shí)與飼養(yǎng)微環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，外環(huán)境氨氣質(zhì)量濃度會(huì)略高于空態(tài)籠盒。飼養(yǎng)微環(huán)境的氨氣質(zhì)量濃度在第4天開(kāi)始急劇升高，第9天時(shí)已有兩個(gè)籠盒內(nèi)的氨氣質(zhì)量濃度大于15 mg/m3，超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的14 mg/m3限值，因此實(shí)際操作中規(guī)定的7天換一次籠盒與墊料是合理的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)湖南省某高校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心一間SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的IVC小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境（本文的飼養(yǎng)微環(huán)境即針對(duì)籠盒內(nèi)部小鼠主要活動(dòng)范圍）進(jìn)行數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房籠盒內(nèi)小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境滿足規(guī)范要求，得到如下結(jié)論：

1）籠盒內(nèi)小鼠飼養(yǎng)微環(huán)境的氣流組織分布有較大改進(jìn)空間。位于送風(fēng)口側(cè)飼養(yǎng)微環(huán)境氣流速度顯著高于回風(fēng)口側(cè)；上送上回系統(tǒng)中部分籠盒內(nèi)小鼠背部一側(cè)的風(fēng)速可達(dá)0.3 m/s以上，易超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)速，不利于保證動(dòng)物福利與安全。

2）對(duì)于IVC系統(tǒng)，飼養(yǎng)微環(huán)境受自身送風(fēng)支路布置形式及氣力（水力）失調(diào)影響較大，位于同一籠架不同位置的籠盒內(nèi)送風(fēng)風(fēng)速存在顯著差異,送風(fēng)風(fēng)速變化范圍在2.79～4.94 m/s之間。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以最不利送風(fēng)風(fēng)速為基準(zhǔn)，建議籠盒送風(fēng)口的入口加上調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)水力平衡并改善籠盒內(nèi)飼養(yǎng)微環(huán)境的氣流組織，減小不同位置籠盒內(nèi)飼養(yǎng)微環(huán)境差異。同時(shí)表明目前在實(shí)際應(yīng)用中將位于籠架不同高度處的籠盒調(diào)換位置的措施是合理的。

3）IVC籠盒內(nèi)溫度場(chǎng)和氨氣質(zhì)量濃度分布均受風(fēng)環(huán)境影響，且二者存在相對(duì)一致的分布規(guī)律，符合廣義雷諾比擬法則。實(shí)際設(shè)計(jì)IVC凈化空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮多參數(shù)的相互影響，使最不利處籠盒飼養(yǎng)微環(huán)境指標(biāo)符合規(guī)范要求，保證實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利。

4）實(shí)驗(yàn)室自帶檢測(cè)儀表僅能監(jiān)測(cè)外環(huán)境局部狀況，從提高飼養(yǎng)微環(huán)境控制精度、保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員安全的角度出發(fā)，有必要對(duì)IVC系統(tǒng)外環(huán)境和飼養(yǎng)微環(huán)境提出更高的指標(biāo)檢測(cè)要求。

本文受湖南省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2020DK2003）和湖南省科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃（2020GK2077）資助。（The project was supported by Research and Development Plan of Key Areas in Hunan Province（No. 2020DK2003）and Hunan Provincial Scientific and Technological Achievements Transformation and Industrialization Plan（No. 2020GK2077）.）