實驗動物設施除濕三維熱管節能應用

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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，即利用內部介質完成熱交換，提供免費預冷和再熱，明顯節約能耗，全年可節約能耗約20%。

[關鍵詞]實驗動物設施；熱管；除濕；回收能量

GB14925—2010《實驗動物環境及設施》對實驗動物環境技術指標做了具體的規定，實驗動物設施的空調通風系統應按要求控制溫度與濕度[1-3]。在環境濕度高于指標要求時，一般空調系統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、吸液芯和工作介質組成的導熱組件，采用相變傳熱的原理，利用管內工作介質吸熱汽化、遇冷液化的特性，介質在蒸汽狀態上升至熱管的冷凝端，液體狀態時在重力作用下回流至蒸發端，通過循環往復實現流經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、不產生交叉污染的優點[9]。三維熱管用于實驗動物設施除濕節能時安裝在空調箱中表冷器兩側，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移至三維熱管的再熱段。空氣經過熱管預冷段后，起到初步的制冷降溫效果，再經過表冷器過冷除濕。過冷后的空氣經過熱管的再熱段，溫度升高至相應的送風溫度。除濕過程中，三維熱管利用內部介質蒸發吸熱/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。除濕節能的三維熱管安裝在空調箱中表冷器兩側，三維熱管維護保養方便簡單，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，不影響正常的生產活動。

2三維熱管的節能應用

某屏障環境設施空調面積為2009m2，其中SPF屏障系統面積為1000m2。SPF屏障環境包括一次更衣室、二次更衣室、小鼠飼養室、大鼠飼養室、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，小鼠飼養室、大鼠飼養室、行為實驗室和滅菌后儲藏室壓力控制為40Pa。系統采用風量為37000m3/h的全新風凈化組合AHU一臺。根據實測，原設施2018年空調系統耗電總費用105萬元。2019年節能改造采用除濕三維熱管，當年夏季使用，總運行時間為2453h。環境新風溫度達24℃開始制冷運行，不同環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，全年可節約制冷和加熱的費用約20萬元（圖6），節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系統的新風和排風端進行熱量回收，取得了不錯的節能效果。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期較長的地區推廣應用。

參考文獻：

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作者：吳強 尤軍 吳成 王志毅 單位：蘇州蘇凈安發空調有限公司