龔光彩，陳湘，劉激揚(yáng)，彭佩，安珂慧，陳盟君

（湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082）

實驗動物目前被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和自然界各種規(guī)律的研究中，為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，實驗動物的質(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)中都使用到了實驗動物且對實驗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)量方面都對實驗動物提出了更高的要求.此前一些學(xué)者對實驗動物設(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)實驗動物環(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驗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，實驗兔類的腳皮炎發(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0.5 m∕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驗動物設(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，為了保證實驗動物的質(zhì)量以及滿足實驗動物福利要求，實驗動物環(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.由于實驗動物房全新風(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.如何在保證實驗動物質(zhì)量與動物福利的同時，又能兼顧節(jié)能，對于推動實驗動物學(xué)高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、實現(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)用到實驗動物房中，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)末端的實驗動物房內(nèi)環(huán)境參數(shù)的情況，對實驗動物房的節(jié)能及實驗動物的福利保障進(jìn)行探討，為建設(shè)滿足“三低”（低能耗、低風(fēng)速、低溫度梯度）要求的實驗動物設(shè)施提供參考.

1 實驗對象

1.1 實驗對象及場地

本文以湖南省長沙市某生物公司的一間SPF 級實驗動物房為模型進(jìn)行模擬研究.圖1 所示實驗動物房尺寸為3.96 m×2.7 m×2.7 m（其中緩沖蓄能區(qū)高度為0.3 m）.送風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.4 m.排風(fēng)口設(shè)置在房間四個角落，布置在離地0.1 m 的高度，風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.2 m.實驗兔數(shù)量：24 只；托盤數(shù)量：6個.實驗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)實驗動物房模型圖.

圖1 實驗動物房實景圖Fig.1 Realistic picture of laboratory animal room

圖2 空氣載能輻射空調(diào)實驗動物房模型圖Fig.2 Model of the laboratory animal room model with ACERS

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 實驗方法

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.

連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρ為密度；u為速度矢量.

動量守恒方程，即N-S 方程，當(dāng)流體不可壓縮時，其表達(dá)式如下：

式中：p為壓力；μ為動力黏度；μr為湍流黏度.

能量守恒定律在本質(zhì)上即是熱力學(xué)第一定律，對于常物性、不可壓縮流體，其能量方程表達(dá)式為：

式中：cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為源項.

在系統(tǒng)中可能存在質(zhì)交換的情況或者存在多種化學(xué)組分，在本研究中即存在空氣和水蒸氣混合存在的情況，其應(yīng)滿足的組分質(zhì)量守恒方程為：

式中：Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρ為密度，kg∕m3；Ri為由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生組分i的速率，kg∕s；Si是由散發(fā)源和用戶定義的源項產(chǎn)生組分i的速率，kg∕s.由于在實驗室內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并且沒有額外的散發(fā)源，因此Ri和Si部分可以忽略.Ji是組分i的擴(kuò)散通量，kg∕（m2·s），在湍流系統(tǒng)中由下式表示：

式中：Di，m為組分i的擴(kuò)散系數(shù)；Sct是紊流施密特數(shù)，其默認(rèn)值為0.7；μτ是湍流黏度，kg∕（m·s）.

2.2 CFD模擬設(shè)置

2.2.1 計算設(shè)置

考慮重力的作用將豎向加速度設(shè)置為-9.81 m∕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RNGk-ε湍流模型進(jìn)行模擬［11］.為了加快計算收斂速度，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)到收斂后計算結(jié)果的穩(wěn)定性.

2.2.2 邊界條件

1）考慮到實驗動物房保溫效果好，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）因為兔子為恒溫動物，所以按照39 ℃的等溫體處理［12］.

3）目前暫無有關(guān)實驗兔氨氣散發(fā)量的具體數(shù)據(jù)，通過查閱相關(guān)資料［13］，假設(shè)一個實驗兔的氨氣散發(fā)量為0.01 mg∕s，散發(fā)源為實驗兔籠架區(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)格獨立性測試

在正式計算之前選擇了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，因此之后的計算用網(wǎng)格2足以滿足本文計算要求.

表1 網(wǎng)格獨立性驗證Tab.1 Grid independence validation

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)末端的實驗動物房室內(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)入實驗動物房內(nèi)的空氣流速比較小且分布均勻，其內(nèi)部最大風(fēng)速為0.32 m∕s，出現(xiàn)在墻壁附近，離實驗動物區(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0.1 m∕s，在籠架附近的風(fēng)速更低，僅有0.08 m∕s，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的0.2 m∕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0.2 m∕s，在籠架附近處，氣流速度比較穩(wěn)定且不高，只有底層實驗動物的下方和后方有局部區(qū)域達(dá)到了0.2 m∕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)末端的實驗動物房來說，采用空氣載能輻射空調(diào)末端的實驗動物房內(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)末端的實驗動物房內(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，為實驗動物房內(nèi)部的設(shè)計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)為末端的實驗動物房內(nèi)從橫縱兩個方向截取到的實驗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)的實驗動物房，由于房間內(nèi)存在實驗動物的散熱，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 ℃，因為模型的設(shè)置問題，高溫出現(xiàn)在實驗兔附近，房間內(nèi)大部分空間實際溫度在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)的實驗動物房，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.

圖5 空氣載能輻射空調(diào)末端典型截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of typical section of ACERS terminal

圖6 傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端典型截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

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，實驗動物處由于局部環(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驗兔及尿液糞便作為濕源考慮的結(jié)果.根據(jù)實驗經(jīng)驗，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.

圖7 空氣載能輻射空調(diào)末端典型截面濕度分布Fig.7 Relative humidity distribution of typical section of ACERS terminal

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0.3 m 高度區(qū)域截面最大相對濕度（RHmax）、最低溫度（Tmin）和露點溫度（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 級實驗動物房，與相對封閉的IVC 系統(tǒng)相比，實驗動物局部環(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.

表2 輻射孔板的結(jié)露分析Tab.2 Dew condensation analysis of radiant orifice plate

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)末端更能兼顧到實驗動物房內(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)末端的實驗動物房室內(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，實驗動物房內(nèi)部平均氨質(zhì)量濃度為0.87 mg∕m3.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，實驗動物區(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)末端的實驗動物房內(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0.41 mg∕m3.

圖8 空氣載能輻射空調(diào)末端典型截面氨質(zhì)量濃度分布Fig.8 Ammonia concentration distribution of typical section of ACERS terminal

圖9 傳統(tǒng)上送下回式空調(diào)末端典型截面氨質(zhì)量濃度分布Fig.9 Ammonia concentration distribution of typical section of traditional air-conditioning system terminal

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14 mg∕m3.因此空氣載能輻射空調(diào)在排除污染物這一項指標(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)生的異味對實驗動物和進(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)對實驗動物房的環(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（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，其他點的風(fēng)速分布變化并不大，且實驗動物房整體風(fēng)速分布變化不大，都在0.1 m∕s以下，低于規(guī)范要求的0.2 m∕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0.8 mg∕m3附近.

圖10 不同換氣次數(shù)下風(fēng)速、溫濕度、氨氣質(zhì)量濃度的變化Fig.10 Variation of velocity，temperature，relative humidity and ammonia concentration under different ventilation times

可見，改變空氣載能輻射空調(diào)的換氣次數(shù)，對實驗動物房動物飼養(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??；而對于實驗動物房氨氣質(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.這為實驗動物房的節(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

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，在實驗動物房用溫濕度測量儀進(jìn)行了實驗.選取動物飼養(yǎng)區(qū)域的6個點，測量了每個點0.3 m 與1.5 m 高度處的溫度，并計算其溫度梯度，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.

表3 溫度梯度比較Tab.3 Temperature gradient comparison

由表3 可見，實驗動物房中實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)的實驗動物房的環(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0.2 m∕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，這為實驗動物在飼養(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驗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，減少了實驗動物出現(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溫度6～12 ℃，避免了實驗動物房出現(xiàn)細(xì)菌以及霉菌，為實驗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)，實際上對實驗動物房的風(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)的使用改善了實驗動物房中風(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”要求的實驗動物設(shè)施提供了一種可行的途徑，為改善實驗動物福利以及節(jié)能提供了參考.