實驗動物設施除濕三維熱管節(jié)能應用
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[摘要]在實驗動物設施以制冷方式除濕的過程中，冷量和熱量相互抵消，造成了額外的能量損失。在空調(diào)機組（AHU）中，安裝除濕三維熱管可以回收這些額外消耗能量，即利用內(nèi)部介質(zhì)完成熱交換，提供免費預冷和再熱，明顯節(jié)約能耗，全年可節(jié)約能耗約20%。
[關鍵詞]實驗動物設施；熱管；除濕；回收能量
GB14925—2010《實驗動物環(huán)境及設施》對實驗動物環(huán)境技術指標做了具體的規(guī)定，實驗動物設施的空調(diào)通風系統(tǒng)應按要求控制溫度與濕度[1-3]。在環(huán)境濕度高于指標要求時，一般空調(diào)系統(tǒng)對新風進行降溫除濕后，再通過電加熱的方式，將送風溫度提高以符合標準要求。由于該降溫除濕方式存在冷量和熱量相互抵消的問題，導致系統(tǒng)能耗較高。作者采用無功耗的熱管，通過其“三維熱管回路”的特殊設計[4-8]，對冷熱量進行自動分配，一定程度上解決了冷熱抵消問題，從而有效降低設施的運行成本。
1三維熱管的工作原理
熱管是一種由管殼、吸液芯和工作介質(zhì)組成的導熱組件，采用相變傳熱的原理，利用管內(nèi)工作介質(zhì)吸熱汽化、遇冷液化的特性，介質(zhì)在蒸汽狀態(tài)上升至熱管的冷凝端，液體狀態(tài)時在重力作用下回流至蒸發(fā)端，通過循環(huán)往復實現(xiàn)流經(jīng)熱管外壁的空氣在兩端的熱量交換。熱管具有造價適中、安裝方便、維護費用低、不產(chǎn)生交叉污染的優(yōu)點[9]。三維熱管用于實驗動物設施除濕節(jié)能時安裝在空調(diào)箱中表冷器兩側(cè)，其工作流程為：新風進→初效過濾→三維熱管預冷降溫→表冷器降溫除濕→三維熱管再熱升溫→風機→中、高效過濾→送風。如圖1所示，由于空調(diào)機組（airhandleunit，AHU）工作時，表冷器前后的氣流存在一定的溫差，利用三維熱管熱超導的特性，熱量由三維熱管的預冷段轉(zhuǎn)移至三維熱管的再熱段。空氣經(jīng)過熱管預冷段后，起到初步的制冷降溫效果，再經(jīng)過表冷器過冷除濕。過冷后的空氣經(jīng)過熱管的再熱段，溫度升高至相應的送風溫度。除濕過程中，三維熱管利用內(nèi)部介質(zhì)蒸發(fā)吸熱/冷凝散熱原理，完成表冷器兩端的熱交換，降低再熱成本。三維熱管的安裝形式見圖2。除濕節(jié)能的三維熱管安裝在空調(diào)箱中表冷器兩側(cè)，三維熱管維護保養(yǎng)方便簡單，只需定期清洗表面，無需更換耗材，維保費用低；安裝簡單，不需要改變箱體原本結構和增加功能段，改造施工方便，不影響正常的生產(chǎn)活動。
2三維熱管的節(jié)能應用
某屏障環(huán)境設施空調(diào)面積為2009m2，其中SPF屏障系統(tǒng)面積為1000m2。SPF屏障環(huán)境包括一次更衣室、二次更衣室、小鼠飼養(yǎng)室、大鼠飼養(yǎng)室、走廊、滅菌后儲藏室和行為實驗室，潔凈等級為ISO7級，溫度為20～26℃，相對濕度為40%～70%，最大日溫差不高于4℃，最小換氣次數(shù)不低于20次/h；其中一次更衣室壓力控制為10Pa，二次更衣室壓力控制為20Pa，走廊壓力控制為30Pa，小鼠飼養(yǎng)室、大鼠飼養(yǎng)室、行為實驗室和滅菌后儲藏室壓力控制為40Pa。系統(tǒng)采用風量為37000m3/h的全新風凈化組合AHU一臺。根據(jù)實測，原設施2018年空調(diào)系統(tǒng)耗電總費用105萬元。2019年節(jié)能改造采用除濕三維熱管，當年夏季使用，總運行時間為2453h。環(huán)境新風溫度達24℃開始制冷運行，不同環(huán)境新風溫度的年運行時間見圖3。表冷器出風溫度保持在12℃。新風溫度≤31℃，熱管再熱后溫度達不到要求時，由機組電加熱補充；新風溫度≥33℃，控制熱管再熱出風溫度≤19℃（圖4）。風量為37000m3/h的全新風凈化組合AHU按照設計工況：表冷器處理空氣至12℃機器露點，當夏季干濕球溫度為34.4℃/28.3℃時，安裝除濕三維熱管后，可以免費提供100.45kW的預冷量和100.45kW的再熱量（圖5）；降低機組運行時的制冷和再熱的能耗，全年可節(jié)約制冷和加熱的費用約20萬元（圖6），節(jié)約電費比例可以達到20%。
3結論
由于實驗動物的屏障設施需要長時間不間斷運行，同時需要對溫度和濕度進行嚴格的控制，因此能耗較高。以往的實踐中，也有采用熱管技術在空調(diào)系統(tǒng)的新風和排風端進行熱量回收，取得了不錯的節(jié)能效果。作者使用三維熱管在實驗動物屏障設施的降溫-除濕-再熱過程中成功地通過回收熱量降低運行成本，適合在濕度較高及持續(xù)期較長的地區(qū)推廣應用。
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作者：吳強 尤軍 吳成 王志毅 單位：蘇州蘇凈安發(fā)空調(diào)有限公司
