疾控中心恒温恒湿实验室及暖通空调设计案例分析

本节以昆虫饲养室以及环境模拟试验舱为例介绍疾控中心的恒温恒湿实验室及相关的暖通空调系统设计。

1.昆虫饲养室

图5-8所示为昆虫饲养室实例。昆虫的人工饲养为在特定时间和特定龄期下的生物测定、昆虫毒理学、昆虫生物学等科研研究提供了大量高质量的实验虫源，其重要性不言而喻。疾病预防控制中心一般会饲养蚊虫、家蝇、蟑螂等有害虫种，用于卫生杀虫药剂的试验评价。以蚊虫为例，致倦库蚊和白纹伊蚊是我国重要的病媒生物，在蚊媒传染病传播中占据重要地位，同时也是科学研究、卫生杀虫剂药效试验评价常用的实验蚊种，国家标准将其规定为驱蚊药物药效评价的基本试验素材。根据《农药登记用卫生杀虫剂室内药效试验及评价第10部分:模拟现场》(GB/T 13917.10—2009)及相关文献要求，致倦库蚊和白纹伊蚊的养殖条件是:温度26±2℃，湿度75±10%，光照14∶10。蚊虫的饲养环境对温度和湿度的控制精度要求均不高，温度控制上与常规空调基本无异，关键点在于维持饲养室保持较高的湿度范围，因此需要有效的加湿系统保障其正常运行。本节现针对此类实验室对空调系统中的加湿器作系统性介绍，其他实验室空调系统中的加湿器选择也可参考本节内容。

图5-8　昆虫饲养室

根据其处理过程不同，空调加湿系统通常可分为等温加湿、等焓加湿、加热加湿和冷却加湿等，其中加热加湿和冷却加湿通过喷水室实现，而喷水室主要应用在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等工程上，故本书不赘述。本节主要针对等温加湿与等焓加湿两种方法进行介绍。等温加湿和等焓加湿如表5-13所示。

表5-13　空气加湿方法比较

常见的加湿器中，电极式加湿器与电热式加湿器是典型的等温加湿，而湿膜加湿器与高压微雾加湿器是典型的等焓加湿。这几类加湿器的特点如下。

(1)电极式加湿器

电极式加湿器是电流通过直接插入水中的电极产生蒸汽的空气加湿器。电极式加湿器是将电极置于充水容器中，以水作为电阻，通电后，电流从水中通过，水被加热而产生蒸汽，通过蒸汽管送至需要加湿的空间。蒸汽产量可以线性地在最大蒸汽量20%~100%之间调节。其特点有:

1)加湿迅速、均匀、稳定，控制方便;

2)不带水滴，不带细菌;

3)耗电量大，运行费用高;

4)不使用软化水，内部容易结垢，清洗困难;

5)最高可以满足室内相对湿度波动范围小于等于±3%。

(2)电热式加湿器

电热式加湿器是电流通过放置在水中的电阻元件使水加热产生蒸汽的加湿器。电热式加湿器是利用电热管作为加热器件，把水箱中的水加热至沸腾，产生无菌洁净的蒸汽，对空气进行加湿。蒸汽产量可以线性地在最大蒸汽量10%~100%之间调节。

电热式加湿器的特点与电极式加湿器相同，不再赘述。

(3)湿膜加湿器

湿膜加湿器是指空气与被水湿润的多孔材料表面的水进行热湿交换而被加湿的加湿设备。湿膜加湿器是将水通过给水管送至湿膜顶部的水分配器，水在重力作用下对湿膜淋水润湿，将穿过湿膜的空气进行加湿，未被空气带走的水流到集水盘或集水箱。

湿膜加湿器有如下特点:

1)饱和效率高，即使在低温、高湿的条件下，仍能保持可靠的加湿性能;

2)节电，省水;

3)初投资和运行费用均低;

4)加湿吸收距离较短，不需设置挡水板;

5)容易产生微生物污染，加湿后需升温。(www.xing528.com)

(4)高压微雾加湿器

高压微雾加湿系统集中设置高压微雾主机柜，把软化处理后的自来水通过高压柱塞泵加压至3~7MPa，再经高压无缝不锈钢管路输送到空调机组内的超微细喷嘴雾化。喷嘴高速旋转，把0.5~15μm的超微雾粒子喷射到空气中，超微雾粒子在空气中吸收热量后迅速汽化，达到加湿的目的。

与常规的几种加湿系统相比，高压微雾加湿系统有如下特点:

1)雾细。高压超微雾化喷嘴每秒产生50亿个雾滴，雾滴的直径仅为0.5~1.5μm，加湿效率在90%以上，远高于湿膜加湿的效率。

2)节能。雾化1kg水仅消耗6W功率，是传统电热加湿器的1%。

3)卫生。高压微雾系统的水是密封非循环使用的，不会导致细菌的繁殖。

4)加湿量调节灵活。高压微雾的加湿量大，可任意调节，且加湿器主机不变，超高压微雾系统泵站的输出流量可进行无级调节，变频器根据压力信号调节水泵的转速，对喷嘴的压力和流量进行精确的恒压调节。在流量范围内可任意配置喷嘴，还可以对喷嘴进行任意组合来调整加湿精度，但其加湿精度不高。

5)由于高压微雾的喷嘴细小，比较容易被水垢、铁锈等堵塞，所以对加湿用水水质要求很高，不但要软化处理，输送管路也要求使用高压无缝不锈钢管、高压无缝紫铜管等管材，造价偏高。

根据以上总结的各加湿器的特点，并综合考虑加湿效果、控制精度、卫生污染、系统初投资等因素，昆虫饲养室可选用电热式加湿器对饲养室进行加湿处理，其加湿迅速且均匀稳定，投资适中，不带细菌，不带水滴，最高可满足室内相对湿度波动范围小于等于5%的要求。电热式加湿器的加湿处理过程如图5-9所示。

图5-9　一次回风等温加湿(新风不预热)

图中:W d为室外空气状态点;Nd为室内空气状态点;Cd为一次回风混合状态点;Od为送风状态点;Cd′为一次回风混合加热后状态点。

加湿量计算可采用下式:

式中:W为加湿量，kg/h;Q为通过加湿器的风量，m3/h;1.2为空气密度，kg/m3;d 2为加湿后空气含湿量，kg/(kg·干空气);d1为加湿前空气含湿量，kg/(kg·干空气)。

电热加湿器主机可以挂装、吊装或者立装，加湿器主机应尽量靠近空调机组，空调机组内的加湿段应在空气加热盘管的后面安装，安装净距≥200mm，吸收距离≥600mm，喷管距离空调机组顶板≥200mm，具体可参考图集16K310《空调系统用加湿装置选用与安装》。

除了上述提到的温湿度控制，昆虫饲养室还需要保证饲养过程中的新风需求以及避免异味外逸，因此，一般设置全新风直流空调系统，以保持室内负压。而且昆虫饲养室的空调通风系统需要24小时不间断运行，当饲养昆虫种类不同时，房间的温湿度环境也不同，故需要设置独立于疾控中心大楼系统的独立空调设备。

当昆虫饲养用房采用带有温湿度调节功能的昆虫饲养箱时，房间可按照人员舒适性要求进行暖通空调设计，此时也可将几间饲养不同昆虫的用房进行系统合并，为避免异味外逸，建议仍使用全新风直流空调系统。

2.环境模拟试验舱

疾控中心还设置有可模拟各种环境因子的环境模拟试验舱，如图5-10所示。这种模拟试验舱是一种局部设施，通常设置于房间内，与房间形成“盒中盒”的结构，房间可按照舒适性空调进行设计。实验人员可以进行与试验物质非接触舱外操作实验，这种试验舱不仅可实现恒温恒湿，还可以对光照、气压、气密性环境因素进行相对精确的控制，可以进行净化产品、消毒产品的性能检测，动态观察暴露于一种或多种环境因素中的受试生命体，还可进行化学或生物因子在空气中的挥发性特性研究。

图5-10　环境模拟试验舱示意

空气检测类试验的温湿度范围一般为18~40℃，相对湿度范围一般为30%~85%，主要区别在温湿度精度及气流形式上。有文献总结了不同空气检测的温湿度精度等要求。对于空气净化器检测来说，要求温度为(21±2.5)℃，相对湿度为40%±5%，空气交换率为0次/h(密封)，舱体的密闭性要求空气泄漏量≤0.05m3/h。对于家居板材甲醛检测来说，要求温度为(23±0.5)℃，相对湿度为40%±3%，空气交换率为(1±0.05)次/h。

这类模拟试验舱在设计时首先要进行精确的负荷计算和热工计算。环境模拟试验舱的围护结构防止结露的热工验算应按照环境模拟试验舱内外最不利的温度条件进行，在计算时应充分考虑系统的内扰及外扰，这是空调设备选型与结构设计合理的前提。自控系统的正确设计是保障空气处理系统能实现其各项功能的关键性环节。目前采用温湿度独立调节的控制方式可有效提高模拟试验舱的控制性能。控制系统还需要选用稳定性高、测量范围合适的温湿度传感器。

在进行空气净化器和空气杀毒剂等空气清洁产品的净化、杀毒效果实验时，在实验过程中应能隔绝与仓外的气体交换，通过仓壁通风空调的办法来维持实验室内温湿度环境的稳定，待实验过程结束后通过排风系统排除仓内空气。