北京特种工程设计研究院 张 兵* 胡晓东
酒泉卫星发射中心 王文化 贾宝林 中国航天员科研训练中心 董牛晶
摘 要 介绍了北京某SPF 级动物实验室的洁净空调系统设计，详细阐述了空调系统划分、送排风原理、自动控制等，并针对其特点指出了设计中应注意的问题，供设计人员参考。 关键词 SPF 级；动物实验室；洁净空调；自动控制 Design of Clean Air Conditioning System in a SPF Animal Laboratory
Zhang Bing, Hu Xiaodong, Wang Wenhua, Jia Baolin and Dong Niujing
Abstract The design of clean air conditioning system in a SPF animal laboratory in Beijing is introduced, the division of air conditioning system, the principle of air supply and discharge, automatic control and so on are described in detail, and the problems that should be paid attention to in the design are pointed out in view of its characteristics for the designers to refer to.
Keywords SPF grade; Animal laboratory; Clean air conditioning; Automatic control
0 引言
随着生命科学技术的快速发展，实验动物学越来越受到人们的重视和关注，动物实验室已被广泛应用在医药、放射、航天等各个科研生产领域。近年来，我国动物实验室的建造数量日趋增多。不同种类和不同作用的动物对环境的要求不同，为此，我国出台了GB50477-2008《实验动物设施建筑技术规范》和GB14925-2010《实验动物 环境及设施》。对动物实验室来说，空调系统至关重要，其必须维持稳定的环境条件以确保动物饲养和实验结果不受外部条件影响。
北京某SPF 级动物实验室建筑面积约为1900 m 2，地上2层，具备完成多品种的普通级、清洁级、无特定病原体（SPF ）级动物实验条件，主要用于航天领域，如模拟失重动物模型的建立与研究、失重及模拟失重条件下有机体心血管功能变化研究等。本文将详细介绍该动物实验室洁净空调系统的设计情况。
1 动物实验室洁净区平面布局
本SPF 级动物实验室共分为2层，每层的洁净
区面积约为450 m 2，包括7间SPF 级动物实验室、1间洁净走廊、2间污物走廊、1间检疫室、以及一
更、二更、洗消后室、出入口缓冲间等。1层和2层的洁净区平面布局大致相同，如图1所示。
2 洁净空调系统设计
2.1 室内设计参数的确定
动物实验室的温湿度、洁净度、噪声等环境参数直接影响到实验动物的生理状态，严控这些参数，才能保证动物实验的顺利进行，确保获得可靠的实验结果。
根据GB 14925-2010《实验动物 环境及设施》的规定，按照空气净化的控制程度，实验动物环境主要分为普通环境、屏障环境和隔离环境，其中屏障环境适用于饲育清洁级和无特定病原体（SPF ）级实验动物[1]。因此，本SPF 动物实验室及其辅助用房的室内设计参数按照GB 14925-2010《实验动物 环境及设施》中屏障环境的规定要求确定，同时结合甲方所提要求，具体设计参数取值如表1所示。
2.2 空调系统设计 2.2.1 空调系统划分
根据洁净区的房间布局和特点，动物实验室及其辅助用房按层分别设置洁净式空调送风系统和排风系统，系统编号分别为KT-1/2系统和PF-1/2系统。
表1 动物实验室及其辅助用房的室内设计参数
洁净空调的送风系统采用直接蒸发式全新风空气处理机组，包含新风初效段、乙二醇溶液循环热回收段、蒸发表冷段、冷凝再热段、热水加热段、电极加湿段、送风机（含备用风机）段、中效段、消声段、送风段等功能段。夏季空调采用直接蒸发式制冷，过渡季采用热泵制热，冬季热源为场区锅炉房提供的95℃/70℃热水。排风机组设置在屋顶上，包含排风初效段、活性炭过滤段、消声段、乙二醇溶液循环热回收段、排风机（含备用风机）段等功能段。全新风空调机组和排风机组的风机均采用变频风机。 2.2.2 空调送排风系统
本SPF级动物实验室的洁净空调系统采用全新风直流式空调，送风经过冷热处理，并经粗效、中效、高效过滤器三级过滤后送入各房间；房间的排风通过排风口设置的粗效过滤器有效去除动物毛发后，通过排风管道排至屋顶排风机组，最后经排风机组进行热回收和吸附除臭后排至室外。
动物实验室的空调送排风系统原理图详见图2。
2.2.3 气流组织与压差控制
（1）气流组织
各实验室的空调气流组织形式采用顶送侧下排方式，洁净走廊、污物走廊采用顶送顶排方式。空调送
风口采用高效过滤送风口，排风口采用阻尼型单层百叶排风口。
（2）压差控制
各房间（或区域）的正压设定值详见表1，各房间、走廊均设置温湿度传感器和压差传感器。各房间、洁净走廊、污物走廊的送风支管和排风支管上分别设置电动密闭阀和定风量调节阀，采用设定送风量、变排风量的方式，维持各房间（或区域）之间的压差。
2.3 自动控制系统设计
空调自动控制系统负责对动物实验室全新风空调系统及排风系统的主要设备工作状态和主要环境参数进行自动监测控制，具有自动调节、自动记录、系统流程和设备运行状况显示、故障报警、自动保护、工况转换、节能调节等功能，并对主要用能设备的能耗进行监测记录。设置监控值班室，对各空调和排风系统进行集中监控，具体控制方法与要求如下。
（1）控制对象
全新风空调机组KT-1/2、排风机组PF-1/2。包括机组风机的启停、变频控制，机组进出风电动密闭阀、定风量调节阀、备用风机切换运行电动密闭阀、与空调机组联动的防火阀等。
（2）测量参数与范围
检测与显示室外温度、湿度；对全新风空调机组各主要功能段处理后空气的温湿度，各级过滤器、高效送风口及风机的压力等进行检测；对各实验室、洁净走廊、污物走廊、缓冲间等的温湿度及正压值进行检测与监控。
（3）温湿度控制
各动物实验室均设温湿度传感器。夏季工况时，通过检测典型房间的温湿度，以控制全新风空调机组的制冷量、冷凝再热量大小；冬季工况时，通过检测典型房间的温湿度，以控制全新风空调机组的热水加热量、加湿量大小；过渡季节工况时，通过检测典型房间的温湿度，以控制全新风空调机组的制冷量（制热量）、再热量、加湿量大小等。
（4）正压值控制及压差报警
各房间（或区域）的送、排风支管上均设置电动密闭阀和定风量调节阀。调节原则是设定送风量，调节排风量，即设定送风支管上定风量调节阀的风量，然后根据室内压差需求调节排风支管上的定风量调节阀，以维持相应的压差值。
正压值控制方式具体如下：首先设定洁净走廊的正压值（+60 Pa），以此正压值为基准，通过监测各相邻区域的压差值，调节各房间相应排风支管上的定风量调节阀的风量，以维持各房间（或区域）的正压值。
自控系统必须保证各个区域的压差要求，各房间（或区域）均设压差传感器，当由于意外情况导致其与相邻区域的压差值小于某设定值后发出报警。送排风机（即全新风空调机组和排风机组）必须可靠连锁，为保持正压，送风机和排风机连锁控制，即先开送风机，后开排风机，关机顺序相反。
（5）备用风机控制
机械化战争全新风空调机组的送风机以及排风机组的排风机均为一用一备，备用风机应能自动投入运行，同时，风机出现故障时应发出报警信号，以便立即进行维修。
（6）机组与电动密闭风阀的联动控制
全新风空调机组送风机（含备用风机）、排风机组的排风机（含备用风机）与相应电动密闭风阀连锁，风阀为双位控制，同开同闭（延时），即：阀门全开到位后、启动风机，风机停止后关闭阀门。
（7）过滤器阻力超标报警
粗效过滤段、中效过滤段、高效送风口均设置压差传感器，当压差超过设定值时提供报警信号。华再东
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（8）某房间（或区域）需要进行密闭消毒时，关闭其送、排风支管上的电动密闭阀，防止消毒气体串入其他房间（或区域）。
3 设计体会
动物实验室洁净空调系统的设计不同于其他普通建筑物的洁净空调系统，在设计中应注意以下几个方面。
（1）空调系统过滤方案
SPF级动物实验室的空气洁净度要求为7级，送风量较大，加上空调系统采用的是全新风直流式系统，故其过滤器负荷比较大。洁净空调系统的过滤方案一般采用粗效+中效+高效三级过滤，但是对于动物实验室而言，如果粗效和中效过滤器的过滤效率低，则会增加高效过滤器的负担，大大降低其使用寿命。因此，应加强粗效和中效过滤器的过滤性能，如粗效过滤器可以选择G4级过滤器，中效过滤器可以选择F8级袋式过滤器[2]。
（2）压差控制
动物实验室不同洁净区域之间的压差设计很重要，压差控制好了才能保持各区域的洁净度和控制臭气的流向。一般在送排风管上均设置定风量调节阀，先使房间送风量维持在一定范围，保证房间的洁净
度要求；再通过调节排风管上的定风量调节阀来调节房间的排风量，以保持该房间的送排风量之间设定的差值；然后根据压差传感器监测房间内外的压力差，微调排风定风量调节阀，实现压力梯度维持。
（3）排风系统
动物实验室的排风系统用于有效排除室内污染的空气及臭气。首先，为防止动物的毛发、皮屑、垫料等通过排风口进入排风管道，室内排风口处应设置粗效过滤网。其次，由于活性炭对动物产生的臭气有较好的吸附作用，应在排风机前安装活性炭过滤吸附段，有效去除臭味。再次，为避免臭气对其他房间的影响，排风机宜设于室外排风口附近，使管道系统处于负压段，确保排风管道的正压段不穿越房间。此外，排风尽量高处排放，排风机的出风口应避免朝向人员密集或者主要出入口，尽量减少排风对人们生活的影响。
（4）自动控制系统
性能可靠的自动控制系统对于维持动物实验室的室内环境条件、保障实验室正常工作十分重要。空调自控系统应对全新风空调系统及排风系统的主要设备工作状态和主要环境参数进行自动监测控制，主要包括各机组风机的启停、连锁和变频控制，机组进出风电动密闭阀、备用风机切换运行电动密闭阀的控制，各洁净房间或区域的温湿度及正压值的监控等。自控系统必须保证各个区域的压差要求，送
排风机必须可靠连锁，为保持正压，先开送风机，后开排风机，关机顺序相反。
（5）可靠性设计摩门教
动物实验室洁净空调系统一般要求全年全天不间断运行，为避免停机造成损失，设计时应考虑提高空调系统保障的可靠性。在资金充足的情况下，空调机组和排风机组可以设计备份机组，用一备一。为了合理降低初投资，更常用的方式是送、排风机分别配置备用风机，备用风机应能自动投入运行，同时应发出报警信号，以便立即进行维修。
（6）节能设计
动物实验室的洁净空调系统为全新风直流式系统，且风量较大，应设置热回收装置。本设计采用了乙二醇溶液循环热回收技术，既回收了排风中的冷（热）量，热回收效率约为30%~35%，又有效防止了新风和排风之间的交叉污染。此外，空调机组设置了冷凝再热段，有效回收利用机组的冷凝热，达到节能效果。
4 结语
SPF级动物实验室的洁净空调系统具有特殊性，其对送排风流程、压差控制、可靠性等的要求都不同于其他类型的万级洁净室，在设计中应充分考虑各方面因素，以满足其使用要求。本动物实验室已经
磨损率竣工使用两年多，洁净空调系统能够很好的满足甲方使用需求。以后将继续跟踪其使用情况，根据运行过程中甲方反馈的问题，进一步改进优化方案，以设计出更加完善的动物实验室洁净空调系统。
参考文献
[1] GB14925-2010 实验动物环境及设施[S].
[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京：中国
建筑工业出版社，2008
贵州师范学院学报
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