引言在现代医学和生物科学研究中，SPF级实验动物房被广泛应用于动物的培育和研究。为了确保实验环境的稳定性和动物的舒适性，净化空调系统的设计和运行至关重要。与常规民用建筑不同，动物房的主要服务对象是动物，要求室内环境符合动物的生长条件，《实验动物环境及设施》（GB 14925—2010）[1]中对SPF级实验动物环境指标有明确的规定：温度为20~26 ℃；相对湿度为40%~70%；氨气浓度≤14 mg/m3；相邻区域最小静压差为10 Pa；空气洁净度为7级。为了防止各房间实验动物出现交叉感染的现象，常采用直流式全新风空调系统，设置顶送下排式气流组织形式，能耗远高于其他民用建筑空调系统。SPF级实验动物房一般采用方形送风系统，从而保持空气流动和温度分布的均匀性。朱明明[2]等分别对上送侧回、侧送侧回（同侧）、侧送侧回（对侧）进行了模拟研究，发现上送侧回的空气分布特征明显优于其他形式。解茜[3]等分别对两侧底回风与四角回风两种工况进行对比分析，发现相同换气次数下，四角回风工况室内氨气浓度明显高于两侧底回风。钟加晨[4]等对不同回风口数量和位置进行了分析研究，发现适当增加排风口的数量可以使气流分布更加均匀，且笼具沿宽度方向布置比沿长度方向布置的空气龄更低，新风可以更快地送达实验动物处。上述学者在方形送风口的基础上对排风口的位置和数量进行了气流组织研究，送风的形式无大的变化。文中提出了一种新型送风形式——空气幕送风。空气幕送风是通过送风形成气幕，用于阻隔笼具与周边空气的气流交换，可以有效改善室内空气质量和维持稳定的温湿度环境。文中对比研究空气幕送风与常规方形送风的气流组织形式，通过建立物理模型和数学模型，利用CFD软件模拟室内温度分布、气流速度和氨气浓度等气流组织特征，为实验动物房设计及工程建设提供参考。1空气幕的应用潜力1.1气流分区和空间隔离空气幕可以将实验动物房分隔成不同区域，不同区域设置不同的气候环境和空气质量。在关键位置安装空气幕可以形成气流屏障，隔离不同的气流区域，有助于防止不同区域之间的空气交叉和污染物传播，能够改善空气质量。在实验动物房中，空气幕可以将动物区域、操作区域和设备区域进行隔离，以减少气流干扰和交叉感染的风险。1.2控制气流分布和风速梯度空气幕还可以调节和控制实验动物房内的气流分布和风速梯度。通过调整空气幕的位置、风速和方向改变气流的路径和分布，可以实现更均匀的气流分布和较小的风速梯度，有助于提供更舒适的气候条件和稳定的环境，减少动物受到高速气流的不适和干扰。1.3控制污染物扩散和排除空气幕的应用还可以帮助控制污染物的扩散，保持实验动物房内的洁净环境。通过合理布置空气幕，可以阻止污染物的传播和积聚在特定区域。空气幕的气流屏障作用可以减少局部污染物的累积，并促进室内空气的循环和排放，对控制气味、减少交叉感染和维护空气质有明显作用。1.4节能和环保优势空气幕的应用还具有节能和环保优势。相比传统的通风系统，空气幕可以更精确地控制空气流动和分布，减少不必要的能耗。通过优化气流组织，空气幕可以帮助实验动物房实现更高效的能源利用，降低能源消耗和运行成本。1.5空气幕研究现状韩悦[5]等对空气幕的应用与分类进行了概述，空气幕主要分为吹吸式风幕和单吹式风幕。早在1998年，沈晋明[6]研究了气幕应用于洁净棚的效果。魏学孟[7]等、梁辰博[8]等均对手术区内气幕的流场进行了数值模拟分析，给出了推荐设计参数。沈彦利[9]等提出了一种手术区全新的异温异速气幕形式，探求了三层不同风速、不同温度、不同尺寸形成的流场下，维持最佳手术环境的气幕配置。将空气幕应用到实验动物房工程中，从而实现气流分区和空间隔离、控制气流分布和风速梯度、控制污染物扩散和排除以及节能和环保等，揭示空气幕在解决实验动物房气流组织问题中的有效性和可行性，为实验动物房的气流组织优化提供更可靠的解决方案。2物理模型和数学模型2.1物理模型以SPF级小鼠饲养间为研究对象，基本几何形状为长方体，房间尺寸为6.0 m×3.0 m×2.5 m，房间两侧沿长度方向分别布置两个笼架。每个笼架分为5层，每层有7个笼盒，每个笼盒内饲养2~3只小鼠。房间四角处设置底排风口，风口尺寸为480 mm×200 mm，分别拟定两种送风形式：方案一为空气幕条形送风口（送风口尺寸为4 000 mm×100 mm），方案二为方形送风口（送风口尺寸为540 mm×540 mm）。空气幕送风饲养间和方形送风饲养间如图1和图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F001图1空气幕送风饲养间10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F002图2方形送风饲养间2.2数学模型为了对实验动物房内气流组织进行数学建模，采用Navier-Stokes方程和热传导方程描述气流的运动和温度的分布。2.2.1Navier-Stokes方程Navier-Stokes方程是描述流体运动的基本方程之一，基于质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，考虑了惯性力、压力梯度和黏性力等因素，可以描述流体的速度、压力和密度之间的关系。∇ρv=0 (1)ρdvdt+v∇v=-∇P+μ∇2v+F (2)式中：ρ——空气密度，kg/m3；v——速度矢量；P——压力，N；μ——动力黏度，(N·s)/m2；F——外力和表面力的合力，N。2.2.2热传导方程热传导方程描述了热量在流体中的传导和扩散。研究使用三维热传导方程描述实验动物房内空气的温度分布，该方程考虑了热传导和热源项。ρCdTdt+μ∇T=k∇2T+Q (3)式中：C——比热容，kJ/(kg·K)；T——温度，K；k——热传导系数，W/(m·K)；Q——热源项。2.2.3边界条件为了求解上述方程，需要定义适当的边界条件。工程中实验动物房与相关配套用房，如清洗消毒、洁净走道以及前室等辅助房间形成一个完整的洁净区。动物房大多在内区，因此外墙、吊顶及地面可以近似考虑为绝热条件2.2.4离散化方法为了数值求解Navier-Stokes方程和热传导方程，采用适当的数值离散化方法，如有限差分法或有限元法，并结合计算流体力学(CFD)软件进行模拟分析。通过划分网格和时间步长，并采用迭代求解的方法，获得高精度和稳定的模拟结果。2.3室内热湿负荷及污染源本次模拟一共有420只小鼠，每只小鼠的散热量为0.828 W，房间总散热量为347.8 W。因为灯具的散热较低，本次模拟忽略灯具的散热。实验动物房内主要的污染物为氨气。氨气主要是由于笼盒内动物粪便和尿液的分解和蒸发过程，与细菌相互作用产生的。氨气具有刺激性和毒性，长期暴露在高浓度氨气环境下，易引起头疼、头晕等症状，导致呼吸系统疾病的发生，因此氨浓度是动物房内主要指标之一。周斌[10]等对室内氨气浓度进行反复模拟计算，并与毕波与张鑫的实测值进行对比，得出每个笼具氨气释放质量浓度为0.55 mg/(m3·s)，在此数据基础上进行模拟研究。2.4特殊点设置分别在不同送风状态下设置4个特殊点，为Point1、Point2、Point3、Point4。特殊点布置位置如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.T001表1特殊点布置位置特殊点坐标/mm位置Point11 800，650，2 750笼具上侧Point2330，550，2 900回风口处Point33 000，1 500，1 500走道中心1.5 m高度人员呼吸区Point4房间平均值笼具上侧位置可以代表性反应实验动物身边的空气状态参数；回风口处空气参数体现室内污染物总量上的变化；走道中心1.5 m高度处是人员进出房间呼吸区的主要位置；房间各参数的平均值可以体现房间总体的空气状态，并与规范所要求的参数进行对比。3模拟结果与分析3.1温度场房间送风换气次数分别为10次/h、12次/h、15次/h和18次/h时，两种方案下不同点位室内温度数据如图3所示。换气次数相同时，空气幕送风的室内温度均比方形送风低。这表示空气幕送风的气流组织更加均匀，可以更有效率地将小鼠的热负荷排出。图3两种方案下不同点位室内温度数据10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F3a1（a）point110.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F3a2（b）point210.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F3a3（c）point310.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F3a4（d）point4方形送风和空气幕送风形式下笼具侧温度云图如图4和图5所示。方形送风形式下，笼具内小鼠散热更易积聚于笼架间，无法被气流带走，不利于小鼠的新陈代谢。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F004图4方形送风形式下笼具侧温度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F005图5空气幕送风形式下笼具侧温度云图3.2速度场相比于方形送风，空气幕送风的风口面积更大，因此同样换气次数下的送风速度更低。方形送风和空气幕送风形式下笼具侧速度云图如图6和图7所示。受初始速度影响，方形风口中心气流横向流经笼具上方、地面等区域，速度均明显高于空气幕送风方式。受限于气流组织形式，局部低风速空腔区的面积比空气幕送风方式大。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F006图6方形送风形式下笼具侧速度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F007图7空气幕送风形式下笼具侧速度云图两种送风形式下，笼具上方风速均远小于0.2 m/s，满足《实验动物 环境及设施》（GB 14925—2010）中对于速度的要求。3.3氨气浓度场唐飚[11]等通过理论探讨不同换气次数下室内氨气浓度的数值，发现即使在2次/h换气次数下，室内氨气浓度已小于国家标准中氨浓度上限14 mg/m3。本次模拟结果与唐飚的研究结果相符，在15次/h换气次数下，方形送风和空气幕送风形式下笼具侧氨气浓度云图如图8和图9所示。两种气流组织形式下，室内氨气浓度均远远低于国家标准。由于氨气浓度较空气轻，氨气会向室内顶部流动，造成顶部氨气浓度大于底部。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F008图8方形送风形式下笼具侧氨气浓度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F009图9空气幕送风形式下笼具侧氨气浓度云图空气幕送风具有气流阻断的优势，可以更有效地扼制笼具散发的氨气扩散。在10次/h换气次数下，方形送风和空气幕送风形式下距地1.5 m处氨气浓度云图如图10和图11所示。方形送风形式下，除了风口处氨气浓度较低，其他区域氨气浓度基本一致，氨气扩散更均匀。空气幕送风气流在两侧笼具间制造了一条低污染区“走道”。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F010图10方形送风形式下距地1.5 m处氨气浓度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.002.F011图11空气幕送风形式下距地1.5 m处氨气浓度云图4结语为了解决SPF级实验动物房的高能耗问题，有必要研究不同气流组织形式以及室内环境的参数。文中旨在探究SPF级实验动物房在空气幕送风和传统方形送风下的气流组织，并通过物理模型、数学模型和数值模拟的方法进行了研究。通过模拟结果和分析，得出了以下结论：第一，空气幕送风可以显著改善SPF级实验动物房内部的气流组织，有效地控制气流的传输和分布，防止不同区域的空气交叉和污染物传播，改善空气质量。第二，相同换气次数下，空气幕送风的室内温度比方形送风更低。如需维持相同室温环境，空气幕送风所需新风量更低，拥有更大的节能潜力。第三，笼具位于墙边，风口位于房间中央。因此，两种气流组织形式下笼具处的风速均很低，可以满足国家标准中对屏障区动物附近的风速要求。第四，屏障区在国家标准要求的换气次数下，室内的氨气浓度可以达到14 mg/m3以下，但空气幕送风对动物散发氨气的控制更有针对性，房间内氨气浓度更低。在笼具侧形成风幕，通过角边的底排风口排出，为实验人员清理出一条“洁净”的走道。