IVC动物房暖通系统的综合分析
Claim:
本文仅仅介绍技术，不涉及动物伦理等。
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This paper was issued in Journal of HVAC,2014-6. The writer holds all copyright of this paper.
前言 该文章涉及的动物房，主要涉及到SPF动物的饲养和实验。
图一
1. 项目背景和暖通系统概述:
该动物房区域被定义为SPF级别的屏障环境,洁净度要求为ISO7,也就是静态10,000级,并接受动物管理委员会的检查与验收。
1.1研发中心项目的二楼为无特定病原体（Specific Pathogen Free）[后文表述为SPF] 级别的大小鼠动物房,在该动物房内有动物饲养间,动物操作室,手术室,洁净走廊,污物走廊,还有相关的附属设施房间比如储存间,缓冲间,人物进出口等等; 见图1,[为了保证看清楚 ,此图仅仅为整体平面截取的一部分]。动物房的总建筑面积大约为1000m2,吊顶高度2.8m,全部维护结构采用专用洁净室墙板,顶板和门
目前中国主要有两部规范来规范和指导动物房的设计和调试,它们分别是<GB14925-2010 实验动物环境及设施>和<GB50447-2008实验动物设施建筑技术标准>,需要指出由于这两部标准是由两个不同的部门和委员会制定的,因此它们之间存在着一些差异。比如针对动物房区域温度要求,前一个标准是20-26oc,后一个是19-26oc.但是总体而言两者之间可以相互参照。同时还有一部<GB50591-2010洁净室施工及验收规范>来对所有的洁净室包括动物房的施工进行指导。
1.2HVAC系统的概述:采用了全新风系统,整个洁净区域内使用一用一备两台AHU处理。对老鼠采用了独立式送风笼具系统
(independent ventilation cage)[后文表述为IVC]处理。系统流程为:室外空气经过全新风空调箱除湿降温再热或者加湿加热后送入总送风管,进而去往各个房间。同时在总送风管上分出一路支管送往IVC的增压送风箱的,[增压送风箱内部风机主要是克服笼架以及附带的相关局部部件的压力损失，同时该风机箱内含H13高效过滤器]，增压过的空气进入去往笼架的风管,最后进入笼架。同理在排风侧也是有增压排风箱排出笼架的排风后并入房间的总排风管。见图2
温湿度的控制逻辑为:AHU本身的出风采用定露点定送风温度的形式控制。由于房间内部的散湿量很小,里面基本上无散湿产生.也即是说,热湿比线相当相当大。接近垂直。只要能够将AHU 送风的露点控制住,各个房间的温度控制住.自然各个房间的相对湿度也可以落在规范要求的范围之内; 露点的确定按照房间的设计状态22oc，50%，露点为10.9oc，空调露点也设定为此;对于笼架而言,也是由此露点送出的空气降温除湿。经过计算可以得知,笼架内部的含湿量增加大约1.03g/kg,因此在笼架内部温度22oc时,笼架内部的相对湿度为56%,温度再高一些相对湿度会再低一些。[具体老鼠笼子内部的参数可以参见表1,本项目每个笼架有70个笼子,每个笼子最多可养5只小鼠，每个笼架的送风量为65m3/h,读者有兴趣可以自行计算].
房间温度由风管上面的文丘里阀门与再热盘管控制。文丘里阀门主要控制风量,再热盘管主要控制出风温度。这种控制方法也应该是经典控制模式 。笼架的温度主要由安装在去往笼架风管支管上面的再热盘管控制进入笼架的温度,保证笼架的内部需求。AHU 出口露点由冷盘管和蒸汽加湿分段控制,出口温度由冷盘管和热盘管分段控制.这里的分段采用了倒三角模式加死区的常规控制方法。
AHU出口的压力和笼架的增压风机箱出口压力均的由设两者出口总送风管上的静压传感器控制变频器保证出口总送风管压力的稳定,
房间压力的控制方法为两种:一种是采用差值风量，也即是送风量与排风量之差保持恒定来控制房间的压力,另外一个就是采用压力传感器的方式负反馈至DDC(direct digital control直接式数字控制)控制器进行压力控制。两种方式在实际的项目当中均有采用的。在我们动物房系统中,由于洁净走廊是直接靠近外墙幕墙玻璃的,因此在实际运行中会受到外部风压的影响,房间压力产生波动。污物走廊也是一样.所以针对这些房间采用了定送风量 ,根据房间实际压力变排风量的方式。而针对那些动物房间和实验房间,均为内区,因此采用了定差值风量的控制模式，。在实际效果当中,采用差值风量要更加稳定一些;以上两种压力梯度实际上也是在现在工程当中最多采用的两种模式;
压力梯度:通过以上的压力控制方法,实现压力梯度平面控制.这里主要说一下流向问题.由于该系统为双走廊系统,因此实际的流向为洁净走廊—实验室---饲养间—污物走廊。这里需要明确一个概念.就是所谓的污物走廊是相对其它房间而言的.其实污物走廊也是洁净区域,仍旧需要保证静态的万级标准.见图3:
图3
其中 洁净走廊为+30pa,操作间[实验室]为+15pa ,动物间[饲养间]为+25pa,污物走廊为+15pa;这一流向基本满足双走廊的气流组织方向;需要指出的是这些房间的正压值均是参考室外大气0pa而言的
洁净度: 在AHU里面安装粗效 中效 高中效 在末端安装高效H13。针对到底安装H13还是H14,大部分人希望越安全越好.其实这是没有必要的。后面将会进一步证明这一点。在笼架的增压箱内部安装H13高效过滤器.
文丘里阀门系统在此动物房里面主要作为定风量阀门使用。保证每个房间的送风换气次数不小于15次。同时还起到另外一个关键的作用就是设定相应的offset值,保证各个房间的压力梯度。需要指出的是由于该区域内部有的房间存在通风柜，房间的排风量会由于通风柜的使用和关闭而产生变化。为了保证整个房间和整个区域压力的稳定,在这些房间,选用了变风量的文丘里阀门。一方面满足换气次数,另外一方面满足不停变换的送排风量同时保证房间压力。同时本项目所采用的文丘里阀门本身带有类似于BA(building automation楼宇自控)系统的控制程序,可以直接满足房间的温湿度控制,换气次数和压力梯度。在此程序下,可以设定根据冷负荷所需要的送风风量,根据换气次数需要的送风量,送排风风量差以及死区,PID(proportion integration difference比例积分微分 )各个参数的数值等等。
2. HVAC系统的一些特殊设计:
2.1动物房里采用了IVC进行送排风,该系统配备;
2.1.1.再热盘管:用于控制笼架的进风温度,一般设定在20-22度左右;
2.1.2.增压送排风机箱内带有H13高效过滤器:用于笼架最终的送风过滤;
2.1.3.囊式定风量装置和光圈式风阀:用于保证IVC的换气次数,一般在65-80小时换气次数(air change per hour)[后文表述为ACH]之间;
2.1.4配备了其它相关的温湿度压差传感器用于监测实际的温湿度,风量等;
结论:使用IVC的结果为将动物笼架的送排风和房间的送排风隔绝开来,对笼架进行独立地控制,有其专属性和便利性;特别是将老鼠的散湿通过独立的排风直接带走,不进入房间
房间与笼架的HVAC 系统图,见图4.
2.2房间的送风形式采用了上送上排的方式. 有别于一般的洁净室的上送下排的方式;采用的主要原因是平面很紧凑,不好布置回风夹道.最终的验收结果表明,这样做的结果完全可以满足要求;
2.3工艺要求所有的房间均能够独立使用气态过氧化氢（Vaporized
Hydrogen Peroxide）[VHP]进行消毒熏蒸,并且在熏蒸的时候需要保证房间三维的墙体,门板,穿管等密封性.根据企业的内部标准,应该为0.2l/s.m2@50pa.并且要求施工完成以后一个一个房间进行测试。基于此,风管系统采用了低泄漏性的可闭式文丘里阀门,同时所有的阀门至房间之间的连接全部采用不锈钢管道满焊的方式保证超低泄漏量.
2.4.文丘里 阀门的控制,上面已经大致介绍了它的一些性能。这里主要强调一下,在选用阀门的时候,虽然各个动物房间均为定风量阀门,但是其实采购的时候全部购买了可变式定风量阀门。主要的原因在于动物房的绝大部分房间采用了定差值风量[也就是送风量与排风量保持恒定的差值]的方式进行压力控制。而随着时间的推移,很多房间的围护结构会发生形变, 导致之前设定好的差值风量不再能够满足压力的要求。这是就需要把排风量减少到合适的数值。这时就需要采用可调式定风量阀门来替代恒定式定风量阀门以便于以后的运营管理。同时需要指出,这里的可调式定风量阀门并非通过所谓实时压力控制来使用。而是每间隔一段时间,通过BA 系统重新设定新的送排风量差值而已。
2.5由于采用了IVC,因此在计算动物的热湿负荷,笼架的送风量，送风温差的时候需要特别注意笼架内外的热的传导、对流、辐射的问题。我们的笼架采用的是某公司生产的独立式送风笼具。举例说明如下,而小鼠和大鼠的显热量和全热量的数值见下表1。
我们就以最小的ASHRAE的0.33w显热为例计算。小鼠笼架为单边笼架有70个笼子,每个笼子最大的老鼠数量为5只,风量大约在65CMH左右。根据表1的参数,计算/1000可以解出Oc.这个结论和我们通常的动物房实际结果相悖,因为实际情况是所有的动物房的笼架内部的温升只有1oC ，不会超过2oC.而且这个温升是已经被实际运行结果验证的。分析可能的原因是,在笼子之内的老鼠的显热负荷并不全是通过笼架的送风带走的,其中一部分会由于若干只老鼠待在一个笼子内,身体的很大表面积会经常接触和碰触笼子的内表面,这样身体的一部分散热通过传热、对流、辐射等形式先传递至笼子再传递到了室内,这部分负荷也应该计入室内冷负荷里面。以上结论仅仅为笔者的个人意见,如读者有不同意见可以讨论。
3.施工和调试期间的遇到的非正常工况分析
3.1动物房的最大问题是运行以后的检修问题。由于动物房的维护结构采用的是洁净三明治板的构造。这就导致了在检修的时候,必须到吊顶之上去检修。笔者所在的项目的二楼层高为4.9m,动物房的高度为标准的2.8m。主梁的高度大约为0.8m左右，因此实际留下的检修空间的净高度为1.3m左右,考虑到有大量的机电设备和设施敷设在吊顶，实际的检修工作是非常紧张的。所以,对于动物房的可上人吊顶的层高至少应该可以满足一个人可以直立行走并且还有合理的猫道走向;
3.2HEPA的安装问题.本项目采用的是干式密封的安装方法，采用氯丁橡胶压条作为密封垫。由于HEPA的框架面不可能完全平整,因此即使采用橡胶密封条,也有可能存在着泄露。这一问题在我们施工完成以后 ,随后进行的HEPA捡漏测试当中已经有了发现。现象即是:粒子接收器在HEPA出风表面进行扫描时候,可以直接读数得出HEPA中心区域不漏,而边框的地方有很大的泄露。这里的随机扫描即是上游发尘下游接收的MPPS粒子挑战性捡漏试验. 当然, 最后的解决办法可以通过在四周打胶的方法处理。但是这种方法属于弥补,而并不属于事前避免。此处给出的建议是如果项目的费用足够的话,最好采用刀口非牛顿液体[俗称:果冻胶]液槽密封的HEPA
3.3压差的调定:图纸上有一个给出的各个房间的压力值，而且均是一个点。比如洁净走廊是30pa,动物房是25pa,污物走廊是15pa.从而保证相邻房间的压力满足至少10pa的压差要求。由于压力有波动,不可能永远固定在一个点上。因此压力梯度调试过程中,在以文丘里阀门控制的房间压力波动在+3pa的前提下,我们对设定点进行了优化。其主要目的是保证各个房间在压力有轻微波动时仍旧可以达到规范的要求。因此我们实际最后达到的房间压力均比设计图纸上的压力高出10-15pa.也即是说拉大了相邻房间的压差值,从设计图纸上的10pa拉大为15-20pa之间。这样在得到有效控制的前提下,即使一个房间升高到了范围高点,另外一个房间下降到了范围低点,仍旧可以保证10pa的相对压差。
3.4噪声问题:由于风管采用了不锈钢管材,表面光滑不产生阻性消音并且气流在通过文丘里阀门的时候会产生明显的啸叫.最后引起房间里面的噪声超标。这个问题困扰了我们很久,导致调试工作持续了很长时间。最后通过末端的送排风管道上面加装消声器和增加排风面积降低管道里面的排风风速来解决。但是由于是事后的补救措施,因此最后结果虽然达标,噪声值还是达到了57-58dB(A),也仅仅比规范60dB(A)低一点而已。
4. 项目值得进一步改进和优化的领域:
总体而言,该企业二期动物房的HVAC设计,施工和调试还是得到比较令人满意的结果。但是也存在着一些值得商榷和优化的领域。下面笔者就一一做些分析:
4.1.平面布局的合理性优化问题: 现有操作室布置在洁净走廊和动物房的中间似乎不尽合理。感觉最合理的布置应该是洁净走廊-----动物房------操作间-----污物走廊。因为操作间里面会进行实验工作,这样必然会产生一些污染物 特别是一些污染气溶胶。按照以上的方法排布可以满足将这些相对比较脏的微粒渗入到污物走廊去( 当然这里所说的比较脏的微粒的渗入量是不大的,因为绝大部份都被排风口排走了)。但是如果按照这种排布方法,会带来另外一个问题就是,压力梯度等级太多,一级一级上去以后,最终洁净走廊的压力会很高.比如按照3.3的考虑,见表2
现有的做法是把操作间移至洁净走廊和动物房中间,做成负压陷阱的模式,从而使得最终的洁净走廊的最高压力下降到了40-45pa的范围。这样避免了超高压力带来的墙体吊顶变形,门缝的变形和啸叫。也进一步节省了能量。因为排风的文丘里阀门不需要关得很小,造成很大的跨压损失,导致不必要的能源浪费;所以一种平面布置合适与否应该与实际情况相关联.
4.2.换气次数:GB 规范里面有很明确的要求不小于15ACH,本项目按照16-17次的换气次数进行设计,同时在调试期间风平衡结果也能够达到这样的换气次数。并且采用的是上送上回的组织形式。最后静态测试的结果基本上都在1000-2000级别左右。由于动物房的规范仅仅针对静态结果进行测试,那么这一结果表明,15ACH 的换气次数其实是有很大的安全系数的。该公司英国工程总部曾经和另一公司英国工程总部一起做过关于针对GMP(Good
Manufacture Practice药企优良生产标准) 厂房的 A B C D区域的动静态洁净度测试的实验,结果表明,针对静态10000级别,动态100,000级别的C级别区域,10ACH 完全可以满足要求。[由于涉及到企业内部文件控制,这里不能把原始报告展现出来]。但是可以明确得是如果操作人员的洁净服装能够严格按照不同级别区域的规定穿着的时候,10ACH和15ACH甚至20ACH对于洁净度的测试结果没有太大不同。引自内部资料:[Scientific Approach to Reducing HVAC Energy
Demand Within Pharmaceutical Manufacturing Facilities—XXX Global Engineering]
需要指出的是由于动物房不是GMP厂房,因此实际上并无严格意义上的ABCD的级别划分。动物房仅仅是静态万级即可。因此是否一定要执行15ACH 的标准或者说这一标准是否需要优化是值得商榷的。
4.3.洁净走廊布局的问题. 从建筑平面图上面可以看出,洁净走廊直接位于外墙,甚至一面直接利用了外墙的幕墙玻璃,存在着微弱的内外部渗透。这会导致两方面的消极结果.一个是外部大气的温度风压波动直接导致洁净走廊的压力有波动,另一个就是幕墙玻璃不宜作为洁净室外部围护,存在冷桥的风险。以上的两个结果在调试的时候均暴露出来.在冬季,当外部的风速有很大波动的时候,可以明显检测出走廊的排风文丘里阀门的动作不停,开关明显。走廊玻璃的底部边角处有明显的冷凝现象,这个就是明显的存在冷桥的证据。因此如果进行优化的话,应该在幕墙之内再安装一层洁净室专用墙板作为外部围护;
4.4.关于IVC动物房的洁净度检测问题:众所周知,动物房规范里面的洁净度检测是针对房间的,而不是针对IVC独立式送风笼具本体的。这样就出现了一个问题,到底哪个系统的洁净度的指标达标更加重要.是房间还是动物笼子的内环境。诚然,在洁净室区域的确会经常有动物会被从笼子里面拿出来,在室内做实验。但是老鼠毕竟会更加长久地呆在笼子里面.那么是否应该检测笼架里面的洁净度呢。笔者认为这一点非常重要,而在现有的两部关于动物房的规范里面均没有明确提出针对笼内洁净度检测达标的要求.本项目在内部自检的时候,均针对各个房间的动物笼架的内环境的洁净度进行了抽检。一共有9个动物饲养间,每个饲养间均布置了5个笼架,均抽检了1个笼架的洁净度。测试的方法为:在静态，也就是没有老鼠存在的情况下,将笼架的送风和排风总管与笼架相连接。随机选取70个笼子里面的若干笼子进行内环境测试。由于没有相关的规范和条例进行指导。到底应该按照什么标准进行严谨和准确的测试.并且也没有任何规范说明针对笼架这样大小的区域应该按照什么公式进行取点,最后的结果是否应该按照95%的置信区间进行修正。因此本项目的笼架的内环境测试仅仅作为一种补充手段来初步验证内环境是否满足标准。
此外需要补充的是,IVC的60-80次换气次数的一个很重要的目的是为了消除笼子里面的NH3浓度。这也从一个侧面说明,如果采用了IVC，60-80次的换气次数不仅仅可以满足NH3浓度也可以满足洁净度指标。在此前提下,房间的换气次数应该更有进一步降低的可行性。
本项目最后每个笼架选取了1-2个笼子内环境进行测试,结果表明,洁净度基本上稳定在1000-2000级别之间 。这也从侧面验证出，在加压风机箱内部自带H13高效末端, 同时保证换气次数满足笼架的基本要求。一般在60-80换气次数之间.在笼架这样一个小空间里面满足洁净度是没有问题的。
结语: 动物房作为特殊的洁净环境, 首先是其设计 施工 调试应该按照严格的规范来执行;其次在此基础上应该有针对性的降低系统的能耗.
后记
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建议您先听一下，还有问题再问我。
这个LIVE我觉得还是不错的。
