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试论我国早期SPF动物房自动化节能升级
2011-06-07 15:38:58 来源: 作者: 【 】 浏览:2624次 评论:0
试论我国早期SPF动物房自动化节能升级
 庄万英1 冯青1秦东梅1曾勇1鄢秀芬1刘树昌1  钟浩2
(成都达硕生物科技有限公司实验动物工程技术部1)   
             (通讯作者:E-mail:zh663@163.com 四川省医学科学院实验动物研究所2
 
摘要:SPF动物房的净化质量和节能指标一直是困扰实验动物界的老大难问题,国内许多中大型科研院所上世纪90年代至本世纪初投入运行的屏障设施,以上矛盾更加突出;本文通过剖析成都达硕生物科技有限公司对四川省某医学院已经运行8年的实验动物屏障设施,进行自动化改装和优化升级的技术思路,探讨其升级后如何达到良好的运行状态,以期能抛砖引玉,供国内同行在早期SPF动物设施的节能减排改造过程中拓展思路。
关键词:SPF动物  最优化  净化指标  自动化改装
虽然我国的经济得到迅猛发展,但是科学技术和先进国家还有差距。无特定病原(SPF)动物在我国已经有20多年的历史,然而SPF动物净化技术的发展较为缓慢。作为高新技术产业的支撑,各实验动物单位如能将自动化控制领域的先进技术,进行充分吸收并融会贯通,必将促进我国SPF动物科研和开发的持续发展,赶超国际水平。
 成都达硕生物科技有限公司是国内SPF实验动物生产的先行单位之一,为推动国内实验动物产业的稳步发展,该公司先后组建了暖通净化技术研发团队及专业的施工队伍,近几年该公司努力跟踪国内国际先进技术,积极投入新型实验动物设施研究与开发,获得了业内的一致好评。
 屏障净化环境是SPF实验动物的重要硬件支撑。在生物净化领域,一直有两个大家追求的目标,同时也是业内面临的两大难题,一是如何提高屏障环境设施的净化质量和工作性能,使屏障净化房间达到优化的运行状态,保证实验动物种群高质批量生产;二是SPF实验动物的维系成本相当高昂,只有积极响应中央“节能减排”的重大国策,才能千方百计降低其运行成本,提高实验动物饲养的经济效益。
2010年成都达硕生物科技有限公司给四川省某医学院量身施工的《屏障设施优化运行和自动化节能改装项目》,就使这两项梦寐以求的理想成为现实,以上方案提高了国内旧式SPF动物设施的利用率,是我国早期SPF动物净化设施旧貌换新颜的一次跨越式提高。
 
 
 
 
 
一、SPF实验动物自动化设计的理论依据
1、净化设施实现服务器自动控制的原理
所谓自动控制就是在无人值守的情况下,利用自动化控制系统,将调节对象的调节参数,按照预先设定的数值,自动维持在一定允许范围之内。集中式净化空调设施,必须具备服务器控制的完整自动化控制系统,使净化设施准确、可靠、安全地运行在实验动物设施所要求的各项技术指标(技术参数)范围内,并保持各子系统7×24小时连续不间断运行。
对于SPF动物房来讲,目前技术能达到的主要设计指标为:一、利用传感器采集净化房间内的净化指标信号,通过服务器插值运算,通过控制变频器来调节风机、电机及电源的交流频率,利用频率的变化来调整电机转速,从而控制引风机的输出风压和风量(换气次数),使各净化房间的正向压差和换气次数实时达到实验动物洁净标准所要求的范围内;二、自动控制制冷机组、加热器和加湿器,同时控制温度和湿度,使各净化房间保持恒温恒湿,给室内人员和被养动物提供舒适的空气环境,该环境有利于室内净化和被养动物种群的健康。至于室内含尘浓度和含菌浓度等其它技术指标,按目前的技术水平还不能自动控制,只能定期仪器监测,人工控制。在此只介绍净化指标控制系统。
该系统对各种净化技术参数监测、控制的基本模式如图一所示:

其中调节对象——指在净化设施中,需要调节或控制的对象,如净化房间或设备等;被调参数——指调节对象需要保持的在允许范围内变动的参数,如动物房各净化房间的风量、风压、温度和湿度等;给定值——也可称为整定值,它是设备运行所要求达到的基数值,也就是被调参数的具体数值,比如某净化房间的风压要求高于大气压30Pa,那么30Pa即为其给定值;偏差——被调参数的实际值与给定值之间的差值叫做偏差,例如给定值为30Pa,经自动调节后,参数可能偏低或偏高,假如实际正压为31Pa,则偏差即为1Pa。
 
该自动控制系统是闭环控制回路,其工作流程为:首先由操作人员向服务器输入给定值,服务器和智能调节仪经过测量、比较和计算得出一个控制信号(指令)发送给执行机构(包括继电器、电磁阀、阀门、变频器、电动机、净化空调机组的风机、制冷机和加热器等),这些执行机构就开始工作,直到把调节对象的各个被调参数调节到给定值,当然这个给定值必然有偏差,敏感元件(包括风速、风压、温度和湿度等各类传感器)把各种被调参数的给定值和偏差的信息反馈给服务器,服务器对上述信息进行测量、计算和比较以后,得出调整后的指令再发送给执行机构,最终将净化设施控制在一个相当精确的动态净化指标区间。同时除机房有数显功能以外,服务器设置在控制室,实时显示系统被调参数的实测数值,便于随时观察和调控。
2.智能化控制净化设施的技术要点
众所周知,SPF实验动物生产是高要求、高风险的领域,因此任何项目的实施,都要考虑在保证技术指标的前提下进行,否则即是无的放矢,有极大的风险,得不偿失。而我们用自动化控制不但可保证达到稳定、可靠的运行指标,且能科学而合理地调整送排风系统,使之达到最佳性能,大大地节省电能,降低运行成本。
支撑SPF动物实验动物饲养的净化系统的各项技术参数:如风压、风量、含尘浓度、含菌浓度以及温湿度中,最基本最关键的指标就是风压和风量,一定的风压和换气次数,是保证合格的含尘浓度、含菌浓度的先决条件。本项目以净化房间内的正向压差和风速来智能化控制空调主风机,使其输出符合规范的风压和风量,来保证净化房间达到合格、精确、恒定的风压和换气次数。
根据国标要求和多年的实践经验,结合自动化控制装置所能达到的技术条件,该公司计算出四川省某医学院净化房间控制的正压差区间达到20~50Pa,换气次数区间为20~25次/h最为适宜。以上控制参数加上使用单位在日常工作中,科学严谨地运行管理,完全可以保证室内尘浓、菌浓等其它净化指标,使SPF动物种群的各项饲养要求得以实现。
二、自动化改装的实施
1.方案的确定
 通过可行性研究,凭借多年的技术积累,成都达硕生物对使用单位的净化要求进行了深入的了解,结合新国标要求,与详尽的市场调研,确定了对使用单位SPF实验动物设施进行自动化控制升级改造的实施方案。
2.项目实施的工艺流程
设计团队首先确定了新设施的运行参数根据新国标要求,对升级后设施的各项运行动态指标从理论上进行了分析计算,同过对旧设施运行过程中的动态参数的实测结果,经比较分析二者数据的差值,确定了自动化设施的具体工作参数,完成设计定值。(设计、安装、调试和检测验收等工作程序不再赘述)。
 
三、效果的分析与研究
1.自动控制SPF实验动物屏障设施动态指标的效果分析
该设施进行该造后,效果非常明显。机房控制柜和监控服务器中,均能正确反映出整个实验动物房的各项运行参数,实现了SPF实验动物的智能化、数字化管理。这些参数既可在控制柜上,也可在远程服务器上操纵、控制,整个净化设施做到了实时监控屏障设施的各项指标,保证了实验动物房安全、稳定、可靠、精确地运行。
通过分析在某一运行条件下,该设施内与大气的静压差(Pr)和通风量(Q)、变频器输出频率(f)、电源电流(I)三者之间的关系,如图二所示。


 由显示的参数表明,该自动控制系统风压调控的精确度相当高(在微压单位Pa的数量级上) ,风量控制精度在102m3/h的数量级上,且控制得非常稳定。由上所述,此时的风压和风量应分别运行在20Pa~50Pa和20次/h~25次/h的区间内,是最佳状态。而由图二可见,随着风压的提高,变频器供给风机电机的频率也随之上升,当然通风量也随频率同步增加,而且两条曲线相当接近,这一点由电机转速n与频率f的关系公式n=60f/p(r/min,p为电机极数)也可以理解,证明转速与风量呈正相关。然而在其它条件不变的情况下,如果一味地提高风压,提高到一定高度,就导致风量(即换气次数)过高,比如在风压达到25Pa时,通风量已经达到38472m3/h,而此时换气次数已达27.5次/h。这样就造成高效过滤器(HEPA)降低使用寿命和能源的浪费(由图二可知频率上升,电流也即电功率随之上升的斜率要大)。考虑到各方面的影响因素,我们将风压设定在21Pa,该工况的变频器频率34.1Hz,消耗电源电流12.57A,系统的通风量为34632m3/h,根据换气次数n=Q/V(V——净化设施容积),此时换气次数为24.7次/h。
 
 
 
 
 
 
 
此时变频器输出频率(f)和电源电流(I)、系统风量(Q)的关系如图三。


必须指出,不同的运行环境(如系统阻力、气候和电源等条件的变化)下机器的运行状态不同,其各项运行参数都将改变,而运行环境是动态的,因此需要管理人员随时调整运行指标,才能使得屏障设施达到最优化运转效果。
2.自动化对SPF实验动物设施节能效果的分析
由图二和图三可以看出,随着风压的提高,变频器输出频率和系统通风量是线性关系,而电源电流与频率呈指数关系,其曲线比风量上升要快得多,也就是说,风压在20Pa以上、频率在30Hz以上时,调节的风压越大,耗能越多,且工作效率不高,同时也越不划算。
由图三可见,净化空调工作频率在0Hz~42Hz的区间内时,电流曲线在风量曲线的下方,也是比较合理与节能的区域;且其工作在26Hz左右时,两条曲线的距离最远,即空调的工作效率最高,同时也最为节能。因此力争把空调的工作状态向该点靠近,是我们以后努力的方向。
根据电功率公式Pw=31/2UIcosφ,在此可以粗略计算实施自动化改装前后用电量的对比及节省的电能,式中U——电源电压(Vt),市电U=380V;I——电源电流(A);cosφ——电机的功率因数,暂取0.8。
 
 
⑴ 自动化以前工频运行状态空调引风机的实际输入功率
①该系统实验动物生产设施消耗电能总量由实地测量得到市电工频(50Hz)远行状态时,30kw风机电机实际运行电流为44A,而该设施设有两个净化单元,此时工况需要的电功率Pwg,计算可得Pwg=46.33kw。
②该系统动物实验使用设施耗电量风机电机15kw,实测电流23A,该空调风机电功率为:Pcg=12.11kw。
⑵ 实施智能化自动控制变频运行以后空调引风机的输入功率
①该系统实验动物生产设施实施自动化,优化工作性能以后,净化房间风压设定在25Pa,此时实地测量变频器输入电流为11.6A。该状态下两个净化单元的输入总功率为PWB=12.22kw。
②该系统动物实验使用设施调整后净化房间静压差设定在23Pa,实测电流7.45A,空调输入功率为:Pcb=3.92kw。
⑶本项目年节约电能和电费
  • 工频运行时该设施的空调引风机耗电量 输入总功率为:Pwg+Pcg=58.44kw,日耗电量:58.44×24=1402.56(kwh),年耗电量:1402.56×365=511934.40(kwh)。
② 自动化变频后的空调引风机耗电量 输入总功率Pwb+Pcb=16.14kw,年耗电:141386.40(kwh)
③  共节省电量和电费所有空调引风机节省电量:511934.4-141386.40=370548(kwh)。
通过实测和计算,得出自动化以后排风机系统年节省用电量:15kw×24h×365d=131400kwh。
若按每0.8元/kwh计,该项目年共节约电费:(370548+131400)×0.8=401558.4元。
 
3.本方案对我国早期SPF实验动物设施升级改造意义探讨
 
首先,我们知道SPF动物设施维持运行,需要屏障设施的净化系统通过送入室内的空气,流经初效、中效和高效(HEPA)三级空气过滤器层层过滤,用阻隔的方式来清除空气中的尘埃和生物微粒,使室内得以净化;同时,室内还要始终保持正压(高于室外大气压的静压差),以防室外污染空气渗透到室内。而且必须达到相应净化指标(国标),这些参数中的关键指标就是风压和风量。在净化设备运行过程中,由于三级空气过滤器沉积的微粒逐渐增多,其阻力也随之不断增加,因而导致系统内的风压和风量缓慢下降,因为该净化设施是微压系统,日常管理中稍不注意就不能保证洁净室的正压和风量指标,甚至造成零压或负压,恶化了屏障环境的净化状态,直接威胁SPF动物种群;而一旦清洗或更换了过滤器,又使风压和风量过大,造成能源浪费,HEPA也容易损坏,给维持净化状态增加了风险。
 
 
通过以上数据分析可知,该设施的自动化改装是通过闭环控制回路,以压差和风速作用于屏障设施的核心设备,精确控制SPF动物屏障系统达到所需净化指标,并且可以在机房和远程服务器屏幕上显示整个系统的相关指标,实现了SPF实验动物的智能化、数字化管理,从根本上保证了系统的正压值和换气次数,实时保障该设施稳定、可靠、安全地运行,给SPF动物标准化生产创造了一个高质量洁净环境,杜绝了由于净化设施达不到净化指标和运转性能不良造成的污染威胁。在净化管理过程中掌控自如。同时,净化空调启动、运行或变速平稳,延长了机器设备的运行寿命。
前面提到,SPF实验动物的运行成本高昂,而旧式实验动物房由于自动化程度低,风量设计余值往往过大。如果调整阀门节流,又增加了风道阻尼,节能效果甚微;如果找普通净化公司实现自动化改造,至少需要投资100万余元,且国内大多数净化公司(除北京、上海等专业实验动物净化公司外),主要发起于手术室(半新风系统)、净化封装车间(半新风系统),往往不完全适用于SPF实验动物性质的净化设施(全新风系统);而成都达硕生物科技有限公司升级改造的上述项目,使该单位仅投资不到60万元,通过优化运行状态后,2台30kw风机电机加上排风系统,年节省电费40余万元。以极低的投资实现了高效益良性运转。
同时,该项目还解决了SPF实验动物生产中的噪音问题。上述设施的主风机改由变频工况启动后,运行柔和,排风系统性能得到彻底改善,净化系统噪音降低,整个净化设施内几乎听不到人耳感知噪音。对于设施中的实验动物种群而言,降低了噪音的干扰,动物应激反应率相应降低;生物节律的规律性也大为改善;同时设施外的外机噪音问题得到彻底解决,消除了城市扰民问题,改善了市区的人居环境。
参考文献
1.GB 50447-2008 实验动物设施建筑技术规范中国建筑工业出版社2008.10
2.王馨 陈康宁.机械工程控制基础【M】.西安交通大学出版社,1992.12:29-64
3.许钟麟。空气洁净技术原理【M】,科学出版社,2003.6:82-119
⑶ 节省电费的计算
改装以后节省的功率72.336-13.237=59.1(kw)
每天节省用电量59.1×24=1418.37(kwh)
每天节省电费(以全天0.6元/kwh计)1418.37×0.6=851(元)
年节省电费851元×365=310623元=31.06万元
⒊总结
SPF鸡舍的建立和维持是专业性强、风险很大的工程,虽然看似净化级别不是太高,但鸡舍的技术要求却很高。因为她不仅控制洁净室内的含尘浓度,最主要的是控制含菌浓度即病原微生物。所以长期维持SPF鸡舍安全成功运行并不容易。由于在运行中净化空调系统的阻力不是恒定的,其屏障系统的技术指标也在变化之中,因此应该时刻监督这些动态参数,一旦不达标就必须及时调整。但是在实际操作中往往由于监控设备不完善,或者管理人员专业性不强,技术不过关(这种情况不在少数),以及日常管理过程中麻痹疏忽,而使屏障设施运行参数不达标也不能及时发现,并在此状态下长期运转,致使屏障环境日趋恶化,进而引起SPF鸡群生理指标恶化,严重的导致SPF鸡舍维持失败。我国长期以来SPF鸡群维持困难,SPF鸡群净化技术发展缓慢,我们认为在很大程度上与上述因素有关,也即SPF鸡舍支撑条件——屏障系统技术管理问题。
而本课题安装的智能化自动控制装置不但数字化实时监督,而且能够智能化地自动调整净化空调,使之达到我们所要求的动态指标,使SPF鸡舍的屏障系统始终运行在高质量的净化状态下,再加上饲养过程中严格的标准化管理,就能确保SPF鸡群的净化质量,保证SPF鸡群的微生物控制指标。我们希望该课题能够使我国SPF鸡屏障系统技术水平上升到一个新的平台,得到长足的发展,赶超世界水平。
在节能方面。无论SPF鸡舍的建立,还是以生产、节能为目的的改造,都应该有一个原则,就是必须以保证SPF鸡屏障系统所要求的运行指标的前提下进行。本课题进行的改装,首先制定鸡舍各个运行参数,工程实施时,在实时数显诸数据的现场,调整定制符合净化要求的指标区间,在该区间内就可以胸有成竹地、大胆地调节运转参数,使净化空调系统达到最节能的工作状态。结果显示,节能的效果非常显著,改装以后用电只有改装前的18.2%。
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