空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)動物房中的應(yīng)用分析

龔光彩 陳湘 劉激揚(yáng) 彭佩 安珂慧 陳盟君

摘 要：為了研究空氣載能輻射空調(diào)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動物房中，對動物福利以及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的影響，采用Fluent軟件對傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)系統(tǒng)及空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬.對比分析了相同換氣次數(shù)下的風(fēng)速、溫濕度、氨氣濃度的分布差別以及空氣載能輻射空調(diào)不同換氣次數(shù)對室內(nèi)風(fēng)速、溫濕度、氨氣濃度變化的影響.結(jié)果表明，空氣載能輻射 空調(diào)使實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)的溫度梯度保持在0.46℃/m以下，相對濕度能保持在40%～70%，且因?yàn)樾嘛L(fēng)量的控制在一定程度上能改善實(shí)驗(yàn)動物房能耗過高的問題.這為實(shí)驗(yàn)動物的福利保障以及實(shí)驗(yàn)動物房的節(jié)能提供了參考.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)動物房;空氣載能輻射空調(diào);動物福利;CFD模擬;節(jié)能

中圖分類號：TU831文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis of the Application of Air Carrying Energy Radiant Air-conditioning Systemin Laboratory Animal Rooms

GONG Guangcai?，CHEN Xiang，LIU Jiyang，PENG Pei，AN Kehui，CHENmengjun

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）

Abstract：In order to study the effect of the application of air carrying energy radiant air-conditioning system（ACERS）in laboratory animal rooms on animal welfare and energy saving of air-conditioning system，F(xiàn)luent soft-ware is used to numerically simulate the operating state of traditional air-conditioning systemand ACERS.The distri-bution differences of wind speed，temperature and humidity and ammonia concentration under the same ventilation times，and the effects of different ventilation times of ACERS on indoor wind speed，temperature and humidity and ammonia concentration are compared and analyzed.It is found that the ACERS can keep the temperature gradient in the laboratory animal rooms below0.46℃/mand the relative humidity between40%～70%，and because the control of fresh air can improve the problemof high energy consumption in the laboratory animal rooms to a certain extent.This provides a reference for the welfare of laboratory animals and the energy saving of laboratory animal rooms.

Key words：laboratory animal room;air carrying energy radiant air-conditioning system;animal welfare;CFD simulation;energy saving

實(shí)驗(yàn)動物目前被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和自然界各種規(guī)律的研究中，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)動物的質(zhì)量也需要得到保證.調(diào)查顯示[1]，我國在越來越多的行業(yè)中都使用到了實(shí)驗(yàn)動物且對實(shí)驗(yàn)動物的要求不斷提高，尤其是在醫(yī)學(xué)研究、疫苗生產(chǎn)、藥物研發(fā)和藥物評價等領(lǐng)域.可見，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)量與質(zhì)量方面都對實(shí)驗(yàn)動物提出了更高的要求.此前一些學(xué)者對實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施的環(huán)境有所研究.Schmidek等[2]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 溫度低于24℃或者高于30℃時，小鼠睡覺時間減 少，虛弱期增加.Andrews[3]指出飼養(yǎng)小鼠的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)動物環(huán)境溫度在20～24℃，但小鼠的熱中性環(huán)境 在26～34℃.Gaskill 等[4]的研究表明，從性別方面來 看，20～24℃的環(huán)境并不能保證雌性和雄性實(shí)驗(yàn)動物的所有行為都處于正常狀態(tài)，小鼠更傾向于待在與其熱中性環(huán)境相近的區(qū)域.杜穎等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)的相對濕度超過70%時，實(shí)驗(yàn)兔類的腳皮炎發(fā)病率隨 濕度增加而明顯升高.Taylor等[6]發(fā)現(xiàn)濕度太低易造 成小鼠環(huán)尾癥.徐磊等[7]研究了氨氣濃度對大小鼠 繁育及生長性能的影響，發(fā)現(xiàn)高濃度的氨氣對大小鼠的受孕率沒有顯著影響，但會導(dǎo)致其生長比較緩 慢.Krohn等[8]研究了IVC系統(tǒng)中不同風(fēng)速水平以及不同換氣次數(shù)對動物的影響，結(jié)果表明，當(dāng)出風(fēng)口的風(fēng)速為0.5m/s時，籠內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)保證 80次/ h.Geertsema 等[9]對獨(dú)立排風(fēng)IVC系統(tǒng)做了研究，結(jié)果表明，在保證室內(nèi)和籠內(nèi)空氣質(zhì)量合理的條件下，室內(nèi)的通風(fēng)換氣次數(shù)可以減少到 5～6次/h.龔光彩 等[10]研究了復(fù)合式空氣載能輻射空調(diào)的供暖性能，發(fā)現(xiàn)其能很好地避免局部不舒適感且較為節(jié)能.現(xiàn)有的環(huán)境控制技術(shù)及設(shè)施適應(yīng)性差，無法有效滿足各類典型實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施環(huán)境控制要求，可能出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)露、動物表皮產(chǎn)生霉菌、動物福利差等問題.因此，為了保證實(shí)驗(yàn)動物的質(zhì)量以及滿足實(shí)驗(yàn)動物福利要求，實(shí)驗(yàn)動物環(huán)境的相關(guān)指標(biāo)（溫度、濕度、壓差、潔凈度等）就需要得到更嚴(yán)格的控制.由于實(shí)驗(yàn) 動物房全新風(fēng)系統(tǒng)居多，相較于普通空調(diào)系統(tǒng)，能耗 更高，并且運(yùn)行時間更長，因此產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用更高.但是，高能耗也代表了其具有很大的節(jié)能潛力.如何 在保證實(shí)驗(yàn)動物質(zhì)量與動物福利的同時，又能兼顧節(jié)能，對于推動實(shí)驗(yàn)動物學(xué)高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn) 我國提出的碳中和目標(biāo)具有重要的意義.

因此本文提出將空氣載能空調(diào)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)動物 房中，并通過CFD模擬方法，比較在相同情況下使用空氣載能輻射空調(diào)末端與傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)環(huán)境參數(shù)的情況，對實(shí)驗(yàn)動物房的節(jié)能及實(shí)驗(yàn)動物的福利保障進(jìn)行探討，為建設(shè)滿足 “三低”（低能耗、低風(fēng)速、低溫度梯度）要求的實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施提供參考.

1實(shí)驗(yàn)對象

1.1實(shí)驗(yàn)對象及場地

本文以湖南省長沙市某生物公司的一間SPF級 實(shí)驗(yàn)動物房為模型進(jìn)行模擬研究.圖1所示實(shí)驗(yàn)動物房尺寸為3.96m×2.7m×2.7m（其中緩沖蓄能區(qū)高度為0.3m）.送風(fēng)口尺寸為0.3m×0.4m.排風(fēng)口設(shè)置在房間四個角落，布置在離地0.1m的高度，風(fēng)口尺寸為0.3m×0.2m.實(shí)驗(yàn)兔數(shù)量：24只;托盤數(shù)量：6個.實(shí)驗(yàn)兔幾何模型參考日本大耳兔，體長49～54 cm，胸圍29～33 cm.圖2所示為ICEm中空氣載能輻 射空調(diào)實(shí)驗(yàn)動物房模型圖.

1.2 空氣載能輻射空調(diào)

空氣載能輻射空調(diào)是近年來發(fā)展的新型輻射型 空調(diào)末端，以空氣作為能量的載體，載能空氣在房間上部的緩沖蓄能區(qū)內(nèi)循環(huán)對流傳熱給微孔輻射孔 板，使輻射孔板獲得相對均勻的溫度分布并對室內(nèi)進(jìn)行輻射傳熱，以達(dá)到制冷制熱的目的.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1控制方程

在此模擬過程中，所有的傳熱傳質(zhì)過程始終滿 足質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒，且當(dāng)流動中存在空氣和水蒸氣的混合物時，還滿足組分守恒.

此處有公式

2.2 CFD模擬設(shè)置

2.2.1計(jì)算設(shè)置

考慮重力的作用將豎向加速度設(shè)置為?9.81m/s2，采用SIMPLEC 壓力速度耦合算法，考慮到研究內(nèi)容 及網(wǎng)格量，本文選取離散坐標(biāo)（DO）輻射模型.結(jié)合研究需要，本文采用RNG k-ε湍 流 模型進(jìn)行模 擬[11].為了加快計(jì)算收斂速度，先使用一階算法，達(dá) 到穩(wěn)定狀態(tài)后再調(diào)整至二階算法，同時調(diào)節(jié)松弛因 子，每 2 000 步保存一個數(shù)據(jù)文件.計(jì)算工況的殘差 設(shè)置為u、v、w、k、ε，水蒸氣濃度殘差小于10?3，溫度殘差小于10?6，確保達(dá)到收斂后計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性.

2.2.2 邊界條件

1）考慮到實(shí)驗(yàn)動物房保溫效果好，且與隔壁房 間均為空調(diào)房間，故假設(shè)房間之間不存在換熱，將壁面當(dāng)絕熱面處理.

2）因?yàn)橥米訛楹銣貏游?，所以按?9℃的等溫體處理[12].

3）目前暫無有關(guān)實(shí)驗(yàn)兔氨氣散發(fā)量的具體數(shù)據(jù)，通過查閱相關(guān)資料[13]，假設(shè)一個實(shí)驗(yàn)兔的氨氣散 發(fā)量為0.01mg/s，散發(fā)源為實(shí)驗(yàn)兔籠架區(qū)域所在空間.

4）送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，送風(fēng)溫度設(shè)置為20℃，相對濕度60%.

2.2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性測試

在正式計(jì)算之前選擇了3組網(wǎng)格密度不同的網(wǎng) 格試算，結(jié)果如表1所示.

由表1可見網(wǎng)格 2 與網(wǎng)格3差距不大，因此之后的計(jì)算用網(wǎng)格 2足以滿足本文計(jì)算要求.

3 結(jié)果與討論

3.1風(fēng)速分析

圖3為采用空氣載能輻射空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物 房室內(nèi)氣流速度分布圖.緩沖蓄能區(qū)內(nèi)部空氣流速較大，接近于送風(fēng)風(fēng)速，但是由于輻射孔板的阻擋作用，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)的空氣流速比較小且分布均 勻，其內(nèi)部最大風(fēng)速為0.32m/s，出現(xiàn)在墻壁附近，離實(shí)驗(yàn)動物區(qū)域相對較遠(yuǎn).因緩沖蓄能區(qū)空腔內(nèi)送風(fēng)口不對稱分布，故房間內(nèi)氣流組織也非對稱分布，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.1m/s，在籠架附近的風(fēng)速更低，僅有0.08m/s，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的0.2m/s.

圖4為傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端條件下室內(nèi)氣 流速度分布圖，室內(nèi)氣流速度分層現(xiàn)象明顯，送風(fēng)口 下方風(fēng)速較大.由于回流作用，地面處風(fēng)速相對較高，平均風(fēng)速超過了0.2m/s，在籠架附近處，氣流速 度比較穩(wěn)定且不高，只有底層實(shí)驗(yàn)動物的下方和后方有局部區(qū)域達(dá)到了0.2m/s，仍符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

相較于采用傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物房來說，采用空氣載能輻射空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物 房內(nèi)氣流速度分布更加均勻穩(wěn)定，且緩沖蓄能區(qū)以下的部分平均風(fēng)速很低.因此，在采用空氣載能輻射 空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)，動物籠架擺放的位置不必受到風(fēng)口位置的制約，籠架的布置更加靈活，為實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)部的設(shè)計(jì)布局帶來了一定的便利.

3.2 溫濕度分析

圖5、圖6所示分別為采用空氣載能輻射空調(diào)和傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)為末端的實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)從橫縱 兩個方向截取到的實(shí)驗(yàn)動物房典型截面的溫度分布 情況.從圖5中可看到，采用空氣載能輻射空調(diào)的實(shí)驗(yàn)動物房，由于房間內(nèi)存在實(shí)驗(yàn)動物的散熱，房間頂 部的緩沖區(qū)溫度低于房間內(nèi)平均水平，但整個房間內(nèi)的溫度分布比較均勻，都在28～34℃，因?yàn)槟Ｐ偷脑O(shè)置問題，高溫出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)兔附近，房間內(nèi)大部分空間實(shí)際溫度在28～30℃，室內(nèi)垂直溫度梯度和水平方向的溫度分布差值均較小.從圖6中可看出，采用傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)的實(shí)驗(yàn)動物房，垂直方向溫度梯度較大，房間內(nèi)溫度分層較強(qiáng)，出現(xiàn)了上熱下冷的現(xiàn)象，房間溫度在24～34℃，溫差較大.

從圖7中可見，只有緩沖蓄能區(qū)內(nèi)部濕度較高，室內(nèi)的相對濕度分布比較均勻并且較低，實(shí)驗(yàn)動物 處由于局部環(huán)境溫度較高，因此其相對濕度較低，但這是本文研究中沒有將實(shí)驗(yàn)兔及尿液糞便作為濕源 考慮的結(jié)果.根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，如果加上散濕源，整個房間的相對濕度能保持在標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定的40%～70%之間.

區(qū)別于毛細(xì)管輻射空調(diào)，在本文研究中空氣載能輻射空調(diào)體現(xiàn)出了更不易結(jié)露的性質(zhì)，輻射孔板0.3m高度區(qū)域截面最大相對濕度（RHmax）、最低溫度（Tmin）和露點(diǎn)溫度（td），如表2所示.可見，各個截面上的最低溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該截面對應(yīng)的露點(diǎn)溫度，而且隨著高度的降低，其截面呈現(xiàn)最低溫度上升、最 大相對濕度下降的趨勢，因此，空氣載能輻射空調(diào)沒有結(jié)露風(fēng)險.本文的研究對象為SPF 級實(shí)驗(yàn)動物房，與相對封閉的IVC系統(tǒng)相比，實(shí)驗(yàn)動物局部環(huán)境更 加開放，室內(nèi)空氣流通性更好，不會出現(xiàn)水分聚集在封閉籠具內(nèi)的情況.

可見，與傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端相比，空氣載能式輻射空調(diào)末端更能兼顧到實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)不同位置的動物對溫濕度的需求，不會像對流末端那樣出 現(xiàn)很強(qiáng)的溫度分層以及濕度分布不均的現(xiàn)象，能更 好地控制細(xì)菌與霉菌的滋生，能更好地滿足動物福利的要求.

3.3 污染物濃度分析

從圖8中可見采用空氣載能輻射空調(diào)末端的實(shí)驗(yàn)動物房室內(nèi)氨質(zhì)量濃度分布比較均勻，污染物已 經(jīng)得到充分?jǐn)U散，其中緩沖蓄能區(qū)內(nèi)氨質(zhì)量濃度最低，墻壁及地面處較低，實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)部平均氨質(zhì)量 濃度為0.87mg/m?.而動物籠架處氨濃度相對較高，說明當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時，盡管室內(nèi)通風(fēng)較好，但由于動物 托盤的阻擋作用，實(shí)驗(yàn)動物區(qū)域整體的氨質(zhì)量濃度還是要高一些.圖9中采用傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末 端的實(shí)驗(yàn)動物房內(nèi)由于較強(qiáng)的氣流的作用，氨氣質(zhì) 量濃度的分層也較為明顯，地面處較低，天花板處較高，污染物已經(jīng)得到了充分?jǐn)U散，房間內(nèi)整體氨質(zhì)量 濃度為0.41mg/m?.

由于氣流擴(kuò)散速度等原因，相較于傳統(tǒng)空調(diào)末端，空氣載能輻射空調(diào)末端下污染物排除要慢一些，但是當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時，其含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的14mg/m?.因此空氣載能輻射空調(diào)在排除污 染物這一項(xiàng)指標(biāo)上是可以接受的.值得注意的是，盡 管氨氣濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但其產(chǎn)生的異味對實(shí)驗(yàn)動物和進(jìn)去操作的工作人員都是不利的，應(yīng)通過定期檢測及周期性提高換氣次數(shù)等方式來加強(qiáng)通 風(fēng)，避免污染物聚集造成不良后果.

3.4 換氣次數(shù)分析

為了研究改變空氣載能輻射空調(diào)的換氣次數(shù)對實(shí)驗(yàn)動物房的環(huán)境參數(shù)的影響，在模型中分別取位于兔子頭部附近、籠架外部、回風(fēng)口附近的5個觀測點(diǎn)（2.7，1.35，0.4）、（2.7，1.35，1.5）、（2.7，0.7，0.4）、（2.7，0.7，1.5）、（3.8，0.1，0.2）測量數(shù)據(jù).從圖10可 見，改變空氣載能輻射空調(diào)的換氣次數(shù)，除靠近出風(fēng)口的觀測點(diǎn) 5 風(fēng)速較大且風(fēng)速隨換氣次數(shù)的增加變化較大外，其他點(diǎn)的風(fēng)速分布變化并不大，且實(shí)驗(yàn)動物房整體風(fēng)速分布變化不大，都在0.1m/s以下，低于規(guī)范要求的0.2m/s.因空氣載能輻射空調(diào)保證的是 整個房間內(nèi)的風(fēng)速分布均勻，增大換氣次數(shù)在一定程度上增加了送風(fēng)口風(fēng)速，但對于整個房間的風(fēng)速分布增量很小，所以增大換氣次數(shù)對房間風(fēng)速分布的影響不會很大，且相對于對流空調(diào)而言其均勻度有了非常大的改善.溫度呈現(xiàn)出隨著換氣次數(shù)增加而降低的趨勢，在21次/h時達(dá)到了27.5℃左右.相對濕度在換氣次數(shù)達(dá)到15次/h后隨換氣次數(shù)增加上升較緩慢，大部分都在40%～52%之間.氨氣質(zhì)量濃度隨換氣次數(shù)的增加有所降低，但在換氣次數(shù)達(dá)到18次/h 之后變化很小，換氣次數(shù)達(dá)到18次/h 之后氨氣 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.8mg/m?附近.

可見，改變空氣載能輻射空調(diào)的換氣次數(shù)，對實(shí)驗(yàn)動物房動物飼養(yǎng)區(qū)域的風(fēng)速影響不大;對溫度有一定影響，但影響不大;對相對濕度有一定影響，但影響較小;而對于實(shí)驗(yàn)動物房氨氣質(zhì)量濃度的影響 是有限的，當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后，氨氣濃度基 本不再發(fā)生變化.這為實(shí)驗(yàn)動物房的節(jié)能及動物福利的研究提供了一定的參考.

3.5 溫度梯度比較

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，在實(shí)驗(yàn)動物房用溫濕度測量儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).選取動物飼養(yǎng)區(qū)域的6個點(diǎn)，測量了每個點(diǎn)0.3m與1.5m高度處的溫度，并計(jì)算其溫度梯度，將所得結(jié)果與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示.

由表3可見，實(shí)驗(yàn)動物房中實(shí)際測量的溫度梯 度范圍為0.16～0.36℃/m，而模擬結(jié)果范圍為0.04～0.46℃/m，實(shí)測與模擬的溫度梯度在接近的范圍內(nèi)，而且都小于0.5℃/m，處于較低的水平，這說明模擬 結(jié)果具有較好的可靠性;同時表明溫度場十分均勻，有利于保證動物福利.

4 結(jié)論

通過CFD模擬，對比了應(yīng)用空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)動物房的環(huán) 境情況，得到如下主要結(jié)論：

1）空氣載能輻射空調(diào)將室內(nèi)所有位置風(fēng)速控制 在了0.2m/s以內(nèi)，這在很大程度上減少了對流空調(diào) 帶來的吹風(fēng)感，改善了對流空調(diào)房間風(fēng)速分布不均的情況，這為實(shí)驗(yàn)動物在飼養(yǎng)過程中的健康提供了保障.

2）空氣載能輻射空調(diào)的應(yīng)用在很大程度上改善了實(shí)驗(yàn)動物房垂直溫度梯度過大的問題，減弱了溫度分層的情況，溫度場非常均勻，溫度梯度在0.46℃/m以下，減少了實(shí)驗(yàn)動物出現(xiàn)病態(tài)的可能性.

3）空氣載能輻射空調(diào)解決了對流空調(diào)易出現(xiàn)的空間濕度分布不均以及普通輻射空調(diào)出現(xiàn)的輻射板 易結(jié)露的問題，能使室內(nèi)相對濕度保持在40%～70% 且孔板附近溫度高于露點(diǎn)溫度6～12℃，避免了實(shí)驗(yàn) 動物房出現(xiàn)細(xì)菌以及霉菌，為實(shí)驗(yàn)動物的健康提供了保障.

4）空氣載能輻射空調(diào)在提供了足夠的冷量的情況下，當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到18次/h以上時，再增加換氣次數(shù)，實(shí)際上對實(shí)驗(yàn)動物房的風(fēng)速、濕度、氨氣質(zhì)量濃 度影響不大，這就說明在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下，空氣載能輻射 空調(diào)還是具有一定的節(jié)能潛力.

空氣載能輻射空調(diào)的使用改善了實(shí)驗(yàn)動物房中風(fēng)速分布不均、溫度梯度過大、能耗過高的問題，為建設(shè)滿足“三低”要求的實(shí)驗(yàn)動物設(shè)施提供了一種可 行的途徑，為改善實(shí)驗(yàn)動物福利以及節(jié)能提供了參考.

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