实验动物中心项目冷热源选择及空调选型实证研究

河南大学基建处 姬东风

某某大学实验动物中心项目是集动物饲养、科研、实验及教学于一体的建筑物，为了保证动物的成活率及科研的顺利进行，此建筑物室内的温湿度需要常年保持恒定，即此项目属于高耗能的建筑物。由于此项目的特殊性，对于此建筑物的空调系统选型尤其重要。

一、国内动物房常用的空调形式

据了解，目前实验动物房所用的空调形式有五种：

1.风冷热泵形式。此种形式的空调机组一般适用于建筑面积较小的动物实验中心，能解决四季冷热源问题，机组设置于建筑物的屋面，不占用室内空间。但此种空调机组能效比较低（COP为3.0），但耗电量最高（会给学校的用电负荷造成很大的负担），后期运行费用较高。

2.直燃机形式，能解决四季冷热源问题，需要占用室内空间或者室外场地，此种空调机组能效比最低（COP为1.4），且耗天然气量较高，后期运行费用最高。

3.水冷螺杆机组+热交换器（市政热源）。此种空调机组和市政热源组合形式适用于大型建筑物，夏天采用水冷螺杆机组供冷，水冷螺杆机组的能效比较高（COP为5.0），耗电量低，冬季采用市政热源提供的热量供暖，过渡季节采用空调机组的余热或者蒸汽发生器提供的能量达到室内的温湿度要求。此种空调形式的组合需要占用一定的室内空间，一般机组设置于地下室，冷却塔设置于屋面。后期运行费用相对较低。

4.水源热泵形式，能解决四季冷热源问题。此种形式的空调机组需要占用一定的室内空间，一般机组设置于地下室，水源热泵的能效比最高（COP为6.0），利用地下水的恒温经热交换给建筑物提供冷热源，后期运行费用理论上最低。

5.溶液空调。该空调形式是利用不同浓度的盐溶液吸收或者释放水蒸气的方式对空气进行除湿或者加湿处理。理论上该空调具有高强的控湿能力、高效的杀菌效果、显著的节能减排效益和超强的净化能力。但该空调形式在动物房设计中使用的并不多。

二、项目概况

（一）建设目标

建设一个综合性、多功能、现代化的医药动物实验中心，以满足学校各教学、科研单位需要，并推动学校生物医学学科群的快速发展，为学校的“双一流”建设提供保障。

（二）建设内容

该项目占地面积约2.01亩，地上四层，地下一层，总建筑面积约6634m2，其中地上建筑面积约5676m2，地下建筑面积约958m2，采用钢筋混凝土结构。

地上一层分为两个功能区，功能分区一为办公室、会议室、监控室等用房，布置一层平面右侧的南北向四跨。功能分区二为功能试验室、笼具笼盒存放室、储藏室等动物实验辅助用房，布置在平面左侧南北向四跨；两个功能分区分别在一层设置两个直通室外的安全出口连通室外，且分别设置楼梯、电梯各一部连接地上各层。

地上二层为大动物饲养实验室，主要功能用途为“犬、小猪、猴动物实验室”“家兔、豚鼠动物实验室”，平面功能采用洁、污分流的布局方式，洁净流线从右侧楼、电梯间进入中间两排独立的清洁走廊；污物流线从左侧楼、电梯间进入南、北两侧东、西向的污物走廊。

地上三、四层功能为屏障环境小动物实验室。

地下一层为电力、热力、泵房等设备用房。

三、方案比选

由于动物实验中心要求全年不间断开启空调，空调冷热源选择成为首要问题。因此在空调系统选型上要求控制灵活、运行节能、管理方便的空调系统。我们就四种冷热源方案进行对比。

（一）空调系统冷热源设计参数

1.气象参数

开封属暖温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足，气候温和，雨量适中。年平均气温14℃，年均降雨量670mm，林木覆盖率高于全国平均水平。下图为河南开封地区全年逐时干湿球温度曲线和相对湿度曲线，夏季空调设计温度为35.2℃，相对湿度64%，冬季空调设计温度-5.5℃，采暖设计温度-3.2℃。

2.室内外设计计算参数

见表1、表2

表1 空调室内设计参数

表2 空调室外设计参数

（二）空调系统设计

1.项目主要冷热负荷：

见表3

表3 本建筑主要冷热负荷

2.运行时间，根据全年的制冷供暖期计算：

见表4

表4 建筑制冷供暖时间

3.运行费用计算公式

计算公式按照：

运行费用=系统总功率×运行天数×每天运行时间×电费

系统总功率=主机总功率+水泵总功率+其他功率

（三）项目能耗方案对比

1.以风冷热泵机组-水冷机组-地下水源热泵为例。（见表5-7）

表5 夏季风冷热泵机组与水冷机组消耗对比

表6 冬季风冷热泵机组和市政供暖消耗费用对比

表7 电热蒸汽发生器和燃气蒸汽发生器年消耗费用对比

（四）结果分析：

1.冷热源：

（1）电驱动地下水源热泵最为经济，稳定，但其手续是关键，需提前进行政策咨询。

（2）电驱动水冷机组运行费用与电驱动地下水源热泵相当，这两种方式都需要机房面积较大，建议在地下室。

（3）电驱动风冷热泵机组效率较低，运行费用高，小型动物设施常用，大型动物设施应用经济性价差，不需要室内大面积机房，但需室外较大面积摆放设备。

（4）三种冷机形式的设备费用基本相当，风冷的稍贵，水冷稍便宜。（风冷机组大约700元/kw，水冷机组大约500元/kw，水冷机组还需单独配置水冷系统，或者地下水源系统，综合算起来，设备费用差不太多）

2.蒸汽源：

（1）蒸汽的使用主要在消杀和加湿。

（2）在有天然气的情况下建议设置天然气蒸汽发生器（可以提前咨询当时安监部门政策，尽量避免称之为锅炉），节省电能和运行费用。

（五）推荐组合方式：

1.方案一：地下水源热泵机组+天然气蒸汽发生器

全年的冷热源均由地下水源热泵机组提供，天然气蒸汽发生器提供蒸汽，最节能，最稳定。

2.方案二：电驱动水冷机组+市政热源+天然气蒸汽发生器

冷源采用电驱动水冷机组，热源采用市政热源，天然气蒸汽发生器提供蒸汽源，运行经济性上夏季与方案一相当，冬季虽比不上方案一的节能程度，但充分利用市政热源是常规方案选择时的最佳选择。

3.方案三：电驱动风冷热泵机组+天然气蒸汽发生器

电驱动风冷热泵机组可提供全年冷热源，天然气蒸汽发生器提供蒸汽，此方案的便利程度和方案一基本相当，但是其运行能耗远远大于方案一和方案二，在较大冷热负荷，需全年24小时运行的动物设施，运行费用很高。

基本上确定方案一、方案二为备选方案。

四、实地考察

为确保动物实验中心投入使用后空调机组能高效、稳定地运行及最大保证节约能源，项目考察组赴北京进行实地考察。考察情况见表8。

表8 北京考察情况汇总表

北京考察结束后，小组成员对考察情况进行了讨论，并结合设计院设计人员的空调形式选型对比及建议。考察组意见如下：1.风冷式空调适用于面积较小的实验动物用房，且耗电量太高，而我校拟建设的动物实验中心面积较大，因此并不适用；2.直燃机空调运行费用太高，也可以排除；3.水冷螺杆机组+热交换器（市政热源）。此种空调形式，由于技术非常成熟且能源供应相对较为稳定，后期运行费用又较低，因此，是一种较为合适的空调形式；4.水源热泵空调。该空调形式由于需要采用地下水源，受政策、地质环境等影响较大，实验动物用房鲜有使用，因此需要进一步论证。后咨询当地水利局，又因受场地面积小，地热水井打井数目受限，项目不适合采用水源热泵型式；5.溶液空调。据了解该空调形式因为采用氯化钙溶液作为热交换媒介，而动物实验用房会产生大量氨气，时间长会造成溶液结块失效。因此，初步判断我校动物实验中心的空调形式为：水冷螺杆机组+市政热源形式，配合燃气蒸发器进行春秋过渡季节的温湿度补充。

五、结论

综上所述，通过对以上空调形式的调研和考察论证，对前期投资、后期运营和维护、空调的稳定性以及基建管理等方面通盘考虑，我校建议选用前期投资和后期运营适中、维护方便、空调运行稳定的“水冷螺杆机组+热交换器（市政热源）+燃气蒸发器”的冷热源及空调形式。