实验动物房洁净空调系统设计分析

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摘要：针对某实验动物房的臭味儿重、相通区域房间压差失控、空调自控不灵光等现状，从风管布置，末端阀门设置及自动控制等方面对原洁净空调系统进行了分析并做了改造设计，使得该实验动物房的各个房间可以独立使用及控制，获得要求的压差完成设计目标，选择合适的自控方法实现稳定运行。

关键词：实验动物房;洁净空调;风管布置;自动控制

实验动物是生命科学研究的基础和条件，又是医药产业，卫生保健产业和相关产品质量检验的支撑条件。《实验动物环境及设施》GB14925-2010中定义实验动物为经人工培育，对其携带微生物和寄生虫实行控制，遗传背景明确或者来源清楚，用于科学研究，教学，生产，检定以及其他科学实验的动物[1]。这样定义是为了保证科学实验结果的可靠性，精确性和可重复性。而实验动物环境因素的稳定性和标准化，对实验动物的质量和实验结果都具有重要影响。最常使用的是SPF级动物（SpecificPathogenFree，无特定病原体级实验动物），它既排除病原体的干扰，价格又低于无菌动物和悉生动物，被广泛应用和肯定。实验动物对环境的依赖性很强，尤其是一些近交系动物和免疫缺陷动物，要求更严格的环境条件。目前国标对实验动物所处环境（温湿度、氨浓度、静压差、空气洁净度、噪声、照度动物笼具处气流速度等）指标均有严格控制。主要有以下指标：1）温湿度热湿环境对动物自身热平衡和生理反应影响很大，动物通过新陈代谢同周围环境不断进行物质和能量交换，温度过高或过低导致雌性动物性周期紊乱，湿度过高有利于病原微生物和寄生虫的生长和繁殖，低湿环境下大鼠、小鼠的哺乳母鼠经常发生拒哺或吃仔鼠的现象，仔鼠也常发育不良。所以实验的动物只有在舒适的环境中才能正常生长、发育、繁育和用于实验[2]。《实验动物环境及设施》GB14925-2010中规定实验动物生产间的环境指标如下：2）氨浓度动物粪尿等排泄物发酵分解产生的污染物种类很多，氨是这些污染物中浓度最高的一种，长期处于高浓度氨的作用下，实验动物呼吸道黏膜可出现慢性炎症，使这些动物失去作为实验动物的应用价值。氨有恶臭对人和动物有直接毒害。所有的动物设施中室内氨浓度应低于14mg/m3。3）静压差每个房间的功能往往不一样要求各异、饲育动物密度和品质不一样，为避免实验动物交叉感染和相互干扰，就需要建立良好的压差梯度保护屏障环境的洁净，形成合理气流组织，并能达到有效控制污染物的目的。屏障环境内相通区域的最小静压差≥10Pa。隔离环境内隔离设备内外静压差≥50Pa。4）空气洁净度空气中颗粒物对实验动物和人员的健康有直接影响。环境指标恒定，动物质量才有保证。动物实验结果会出现一致性、可靠性和可重复性。洁净度要求如上表1。由于屏障环境的特殊性，加上我国实验动物屏障设施建设起步晚、历史短、经验少，又处于实验动物蓬勃发展黄金时期，显然在专业化、标准化和准确化等方面有许多地方亟需我们不断进取。所以本文结合实际工程探讨在洁净动物房工艺布局合理的前提下，采用相对独立风管布置、结合空调控制方法，SPF级实验动物房获得压差控制，实现设计目标（使用安全、经济合理、维护方便、运行稳定）。

1工程实例———某实验动物房洁净空调现状及分析

某食品药品检验研究所实验动物房（改造中），地处杭州市，位于其实验楼的13层，总建筑面积1500m2，层高4.70m，包括SPF动物级饲养室，检疫间，实验室及辅助更衣，缓冲和准备间等功能房间。系统是带一次回风的全空气系统，单走道，饲养室净化级别为7级，正压。实际使用中，业主反馈的问题是：房间与走廊之间的压差不能保证最小静压差≥10Pa。每个房间不能保证独立使用和隔离消毒。臭味儿重，臭味儿会顺着楼梯间扩散到其他层。自控系统会出现失灵现象导致房间的环境技术指标达不到要求。为了方便讨论，本文截取组合净化空调机组PAU13-2负责的SPF级实验动物房区域进行讨论，约120m2的面积，送风系统平面布置如图2排风系统平面布置如图1。空调送风风机变频，风量7000m3/h机外余压700Pa，室内采用高效送风口（自带调节阀），送风风管布置呈枝状，各个房间的送风风口有串联现象。走廊送风口与房间送风口公用一根风管设置的。排风机设置在屋面上，排风机变频，另设置一根回风管接回空调机组里，两根风管设置调节阀进行风量调节分配。排风风管布置呈枝状，各个房间的风口有串联现象。室内采用铝合金回风口（自带调节阀），走廊排风与房间排风的风管是串联在一根风管上设置的。单独一个房间多个送风口支管和其余的风管是串联的关系，针对一个房间缺少其主送风管，导致每个房间都不能独立使用控制。相通房间压差不稳，很难保持压力梯度，说明自控系统不灵光。动物房臭味儿重的原因也在于压差梯度失稳和排风系统的不当设置。

2设计改进要点

常规空调多采用手动控制，这样很难实现对环境参数变化的跟踪和实现实时控制。即使调试可以达到在正压洁净环境下运行，但是对过滤器堵塞造成阻力增加、门的开闭、送排风机启停、因灭菌操作关闭阀门等的干扰还是无法克服，容易出现波动。与常规空调相比，由于实验动物房的发展历史不长，实验动物房洁净空调系统在实践中有很多问题没有得到妥善处理和引起足够重视。实验动物用洁净空调系统一般每个系统均需要负担多个房间，由于分批饲养或者需求量不稳定等因素，设计时以最大需求量设计总送风量，在部分使用时就减少这一部分送风，即实际是一个变风量空调系统。要求风机变频，各个房间的空调系统可相对独立。要想变风量系统投入使用后真正好用，前期空调设计本身必须打下良好的基础，不能过分依赖后期自控装置的调节。针对该实验动物房运行使用中出现的上述问题，对该洁净空调系统做以下三方面改进：1）风管布置从风管初布置时就创造各个房间能独立控制的基础，有条件的建筑物可以设置维修马道，实现吊顶空间内的无障碍维修及检修、避免踩踏吊顶板确保实验动物饲养环境洁净要求。所以每个房间有独立于其他房间的主送风管道很有必要，回风管管道布置同理。这样各房间送风管是并联关系回风管也是并联关系。若要实现独立的自净消毒、清扫、备用等状态只需要关闭该房间送回风主管上的阀门即可。除了风管布置，还有室内气流组织同样重要。上送下回的气流组织中，相较于四角回风，两侧回风更有利室内污染物排放[3]。2）风系统末端阀门设置每个房间的送风主管上设置电动密闭阀和双位定风量阀，排风主管道上设置电动密闭调节阀，通过调节风量调节阀满足房间的压差要求。在房间内设有压力传感器，当房间压力与设定压力相差较大时，精确调整房间排风变风量阀，达到要求的房间压力。房间设有房间门位开关，在开门与关门的瞬间，压力变化不作为控制的依据，排风变风量阀不动作。长时间未关门，蜂鸣报警。若室内有IVC笼具盒的饲养室，IVC笼具空调系统宜采用独立的空调系统模式，为保证IVC笼具盒压力恒定，送排风均为定风量，在IVC送排风管上均设置定风量阀和电动密闭阀。IVC系统设置的定风量阀具有响应时间快和风量调节准的特点，从而整个系统简便高效。经实践和对比，实验动物房采用定风量送风、变风量排风这种模式较好。这里所说的送风定风量并非送风量一直不变，当不同工况时需要改变送风量来满足要求。房间送风管道上装双位定风量阀，以调节不同工作状态下的换气次数。当该房间处于非工作状态时调节减少送风量，此时房间压差会发生变化，控制器根据房间压差的变化保持恒定，以保证与相邻房间的压力梯度不至于紊乱。若房间处于自净状态无人也无动物，关闭该房间主风管上的密闭阀，送风机根据风管上风速传感器调节变频器，改变总送风量。改进后的风管布置如图3、4。3）选择合适自控方式空调自控的任务是对空调室内的被控对象（空气参数）温度、湿度、洁净度、压差等参数自动检测、自动调节及有关信号的报警、连锁保护控制。目前仍有不少实验动物房设计成定风量，这样很难实现对环境参数变化的跟踪和实现实时控制。不同性质不同需求必然要求实验动物房是变风量系统。在变风量控制系统中，排除机组的控制环节后，风系统中只有房间参数控制环节和风机转速控制环节。为了避免交叉感染，该空调系统改造为全新风空调系统。实验动物房控制对象优先级为：洁净度、温湿度、氨浓度。动物房饲养主房间送排风机都是变频风机。洁净室压差控制系统按照送风（新风）、排风的不同控制分类。如何控制好该区域的送排风风量变化，区域压差能够稳定控制在允许范围内是控制系统的难点。动物房排风量及送风量的变化采用余风量控制方式，在房间设有压差传感器当房间压力与设定压力相差较大时，调节排风变风量阀，从而稳定形成一定的风量差，保证正确的房间压力。按工况，运行的房间不同，送风量不同，送风机变频控制。以达到节能的目的。排风机和送风机可靠连锁。风量调节逻辑框如图5。如果设计方案是送排风风管末端均设置变风量阀，送风机变风量排风机同时也变风量控制，理论上也能完成系统控制要求但有不尽人意的地方。一般多见的就是定静压控制或者变静压控制。定静压控制简单但大多是经验性设计，然而若是双风管系统无论是在系统调试的难度还是在系统的稳定性上都有待商榷。变静压控制需要条件：带阀位开度传感器并搭配传感器驱动、DDC需要采集阀位信号，且目前算法不够成熟，系统易振荡调试困难。再加上送风变风量排风量也变风量，那么房间压差和换气次数控制更是难上加难。所以，实际中不推荐使用送风量变排风量也变的控制策略。变风量控制方法的主要问题是如何保证系统的稳定性运行。系统的稳定性取决于系统的控制系统。排风机和送风机连锁，正压房间开机时先送风机-排风机。关机顺序为先排风机-送风机。设置备用风机，将气流开关信号作为运行风机的故障报警，并在机房及监控室发出故障报警，提醒维修故障风机。房间控制原理如图6。

3结论

要明确实验动物房的环境要求，不同种类不同级别的实验动物要求是不同的，级别越高控制要求也越严格，并在空调系统设计时逐一体现和达成。前期空调设计时要考虑充分，并为后期的自控创造好条件。风管布置要依据动物房的环境及要求特性进行设计布置，保证每个房间设置主送风管和排风管，这样达到独立使用的目的。风阀设置时不是仅仅依靠调节阀达到流量平衡的目的，而是要考虑实验动物房的特性，合理使用定风量阀门、变风量阀和密闭阀。依据控制策略设置阀门，为后期自控奠定基础。合适的控制方法关乎系统稳定性、可靠性、安全性的。定送风量保证足够的换气次数，变排风量控制去保证压差控制，送风机排风机均变频，控制运行简便、调试容易、还经济节能。

参考文献

[1]国家质量监督检验检疫总局.GB14925-2010实验动物环境及设施[S].2010

[2]徐龙进.山东省实验动物屏障环境设施管理的应用性实验研究[D].南京:南京农业大学,2011

[3]解茜,王燕平,狄彦强.气流组织的形式对实验动物设施内氨气浓度的影响[J].洁净与空调技术,2009,(1):80-83

作者:李楠 单位:上海航天建筑设计院有限公司