ABSL-2實驗室相對濕度波動原因的分析與對策

谷 鑫，呂 陽，盧選成，李雪柏，王曉雪，高連勝

(中國疾病預防控制中心，北京 102206)

中國疾病預防控制中心實驗動物中心ABSL-2實驗室(以下簡稱ABSL-2實驗室)近年來為H7N9、HIV、EV71等新發、再發傳染病的病毒和細菌致病性研究、疫苗研究及抗體制備等相關動物實驗提供實驗平臺[1]。目前ABSL-2實驗室存在相對濕度波動的問題，已不滿足《實驗動物環境與設施》(GB14925-2010)規定的標準，為實驗室規范運行帶來不利的影響[2]。本文通過分析可能造成相對濕度波動的原因，提出解決對策，為今后ABSL-2實驗室的設計和管理提供借鑒和參考。

1 ABSL-2實驗室相對濕度控制系統

圖1 ABSL-2實驗室加濕蒸汽原理圖Figure.1 Humidification steam at ABSL-2 laboratory

ABSL-2實驗室相對濕度控制系統以空調系統為基礎，通過組合式空調機組實現除濕、加濕、送風的功能；自控控制系統由監控系統監測相對濕度，通過現場直接數字控制器(DDC)、末端設備調節相對濕度。ABSL-2實驗室使用凈化空調，凈化級別萬級(7級)，系統為負壓全新風直流系統。每年11月至次年3月使用加濕系統，5月至9月使用除濕系統，4月、10月過渡季節根據天氣情況，使用加濕或除濕系統[3-4]。自動控制系統根據各實驗區濕度傳感器的監測情況，采用溫度和濕度調節相結合的方式控制相應送風閥。根據各實驗區溫度控制表冷段送風閥，以調節送風溫度；根據各實驗區濕度控制加濕、除濕段送風閥，以調節送風濕度[5-6]；使ABSL-2實驗室的溫度、相對濕度均符合《實驗動物環境與設施》(GB14925-2010)要求。

1.1 ABSL-2實驗室加濕原理

冬季室外空氣含濕量低，ABSL-2實驗室因供暖溫度較高，相對濕度超出40%～70%范圍，組合式空調機組將開啟加濕段進行加濕。首先室外空氣經表冷段的盤管進行升溫；之后進入加濕段的蒸汽加濕器進行加濕；最后經加濕閥調整加濕量，送風溫度濕度達到要求，進入ABSL-2實驗室。加濕蒸汽來自鍋爐房的兩臺蒸汽鍋爐(4 t/h)，每天早8時至晚22時，供應加濕蒸汽(壓力不低于0.2 MPa)。(圖1)

1.2 ABSL-2實驗室除濕原理

夏季室外空氣含濕量高，ABSL-2實驗室因制冷溫度較低，相對濕度超出40%～70%范圍，組合式空調機組將開啟除濕段進行除濕，這種方式叫直接蒸發抽濕再熱。首先室外空氣經表冷段的冷水盤管進行降溫；之后進入除濕段的蒸發器進行除濕；最后經除濕段的冷凝器進行等濕升溫，送風溫度濕度達到要求，進入ABSL-2實驗室。冷源來自實驗動物中心的三臺風冷熱泵機組。(圖2)

1.3 送風方式

組合式空調機組主要由初效過濾器、表冷器、除濕段、加濕段、風機、中效過濾器、高效過濾器組成，以冷水、熱水、蒸汽為媒介，完成對空氣的過濾、加熱、冷卻、加濕、除濕等功能[7]。(圖3)

ABSL-2實驗室采用全空氣的送風,其原理如圖4所示，首先利用負壓按照一定比例將新風吸入風道，經初效過濾器完成一次過濾；過濾后的新風與回風混合，經表冷器完成冷熱交換；再經加濕段或除濕段完成濕度調節；最后經風機，由中效、高效過濾器完成二次、三次過濾后，按一定比例送入ABSL-2實驗室內。同時，組合式空調機組的加濕蒸汽管道、除濕段均設置電動兩通閥，根據濕度傳感器測量值和設定值的偏差調節加濕、除濕量，以滿足ABSL-2實驗室的相對濕度要求[8-9]。

圖2 ABSL-2實驗室除濕蒸汽原理圖Figure.2 Dehumidification steam at ABSL-2 laboratory

圖3 組合式空調機組原理圖Figure.3 The principles of the combined air conditioning unit

1.4 濕度傳感器

相對濕度的穩定控制通過設在實驗動物中心一層監控室的自動控制系統來完成。自動控制系統由中央監控系統、現場直接數字控制器(DDC)、末端設備和各實驗區濕度傳感器組成。濕度傳感器是將濕度的物理信號直接轉化為電信號的裝置，由濕敏電容和轉換電路組成。當環境濕度發生變化時，濕敏元件的電容量隨之發生改變，即當相對濕度增大時，濕敏電容量隨之增大，反之減小(電容量通常在48～56 pf)。轉換電路把濕敏電容變化量轉換成電壓量變化，對應于相對濕度0～100 RH的變化，傳感器的輸出呈0～1 v的線性變化。

2 相對濕度波動對ABSL-2實驗室的影響

ABSL-2實驗室的運行要符合《實驗動物環境與設施》(GB14925-2010)，GB14925明確規定相對濕度應控制在40%～70%之內[10]。 ABSL-2實驗室相對濕度過低，會產生靜電故障、塵 埃附著等情況；相對濕度過高，會產生儀器氧化、水蒸氣擴散等情況，容易引起精密儀器誤差，實驗樣本保存時間縮短，進而影響動物實驗數據的可靠性[11-14]。相對濕度過高或過低，也影響實驗動物的福利倫理，過高的相對濕度通常會引起大鼠的環尾病。

3 濕度波動較大的原因分析

3.1 各實驗區域送風不一致

ABSL-2實驗室按房間布局、動物類型劃分為四個區域，分別為:一層西側實驗區(K1)、一層東側實驗區(K2)、二層西側實驗區(K3)、二層東側實驗區(K4)，四個實驗區域均設置送、排風機。為滿足送、排風機組故障或檢修時實驗室壓差和潔凈度的要求，一層和二層西側實驗區共同一套備用機組，一層和二層東側實驗區共同一套備用機組[15]。(圖5)

以實驗動物中心一層東側實驗區為例，加濕蒸汽經組合式空調機組處理，達到一定的送風濕度，通過風道以并聯形式依次進入各實驗室。進入送風主管道的濕度是一致的，由于送風有先后之分，管道有濕度損失，濕度由高到低傳遞，各實驗室相對濕度必然有所不同。

圖4 ABSL-2實驗室送風原理圖Figure.4 Air-conditioning air supply at ABSL-2 laboratory

圖5 ABSL-2實驗室區域送風原理圖Figure.5 Air flow at ABSL-2 laboratory

3.2 加濕蒸汽供應不持續

冬季供暖期為每年11月1日至次年3月31日， ABSL-2實驗室因供暖溫度較高，導致實驗室內相對濕度較低，所以室外空氣進入組合式空調機組需進行加濕處理。目前蒸汽鍋爐維修、年檢時存在停爐情況，蒸汽管道泄漏、維修存在停止供氣情況。在蒸汽停供期間，由于沒有加濕蒸汽供應，各實驗室相對濕度較低。

3.3 除濕時間過長

夏季制冷期為每年5月1日至9月30日，因為室外空氣含濕量高，導致實驗室內濕度較高，所以室外空氣進入組合式空調機組需進行除濕處理。處理后送風溫度一般小于23℃，濕度一般小于50%，在室外濕度大(80%以上)的情況下，空調機組的除濕段會延長除濕時間以增加除濕量。雖然送風濕度可以控制在50%內，但由于增加了蒸發器除濕時間，冷凝器的等濕升溫時間也會相應增加，冷凝器產生大量的副加熱，實驗室內溫度升高，濕度也相應升高。另外冷凝器產生的副加熱使空調機組局部溫度過高，引發電氣事故無法正常除濕，造成送風濕度過高。

3.4 濕度傳感器監測誤差

ABSL-2實驗室通過濕度傳感器的濕敏電容監測相對濕度。當檢測濕度低于設定濕度范圍，自動控制系統輸出加濕蒸汽的ON/OFF接點信號，自動打開蒸汽閥門，開啟加濕段；當檢測濕度高于設定濕度范圍，自動控制系統輸出蒸發器的ON/OFF接點信號，開啟除濕段。濕度傳感器是準確測量實驗室內濕度的重要設備，當濕敏電容靈敏度下降時，濕度控制會出現誤差，造成實驗室相對濕度波動現象。

4 對策探討

4.1 實時調節風閥

以實驗動物中心一層東側實驗區為例，加濕后的空氣進入送風主管道，送風的第一個實驗室至最后一個實驗室，濕度呈由高至低的變化趨勢，應將每間實驗室的風閥開度按送風順序依次由低到高調節，解決濕度不均問題；除濕后的空氣進入送風主管道，送風的第一個實驗室至最后一個實驗室，濕度呈由低至高的變化趨勢，應將每間實驗室的風閥開度按送風順序依次由高到低調節，解決濕度不均問題。風閥是ABSL-2實驗室溫度、濕度、壓力等空氣控制的關鍵設備，調節風閥時還應綜合考慮送風應符合實驗室溫度(20℃～25℃)、壓力(20～30 Pa)、換氣次數(﹥16次)的標準[16-17]。(圖6)

圖6 ABSL-2實驗室氣流原理圖Figure.6 Air flow at ABSL-2 laboratory

4.2 持續穩定的蒸汽供應

持續穩定的蒸汽供應，是ABSL-2實驗室加濕系統正常運轉的前提，應保證蒸汽鍋爐24 h不間斷供應。為防止因蒸汽鍋爐維修、年檢造成的停爐情況，蒸汽鍋爐采用1用1備；為防止因蒸汽管道維修造成的停止供氣情況，在實驗動物中心增加一套電子蒸汽輔助設備，避免由于蒸汽停供，引起的各實驗室相對濕度較低現象，確保蒸汽供應的穩定性、持續性。

4.3 設置二級表冷器

空氣經表冷段降溫后，由蒸發器進行除濕處理，再經冷凝器等濕升溫，這樣既可以將送風濕度降到設計范圍，也可以使送風溫度不會太低[18]。空調機組可在冷凝器后增加二級冷凍水表冷器，減小冷凝器產生大量的副加熱效應，即如果冷凝器后的送風溫度高于設計溫度，自動啟動二級表冷器水閥，降低送風溫度；如果冷凝器后的送風溫度低于設計溫度，增加回風量，提高送風溫度。

4.4 定期保養更新濕度傳感器

避免將傳感器安裝在離墻壁太近或空氣不流通的位置。定期清掃風道灰塵，防止濕度傳感器的保護濾膜罩被灰塵污染，每月拆開傳感器的網罩用毛刷對其清潔或更換過濾罩。此外每日16時應將中央監控系統測量值和手持儀器測量值進行對比，若相對濕度相差在5%以內，可視濕度傳感器正常；若相對濕度相差超過5%，則視為濕度傳感器超差，應及時進行維護。

4.5 科學合理的管理

使用自控系統、濕度監測儀實時監測濕度，手持濕度檢測儀每日定期監測濕度，當三類監測濕度超過標準濕度范圍，可以及時調節加濕、除濕程序。建立完善的設備檢修保養制度，對三臺風冷熱泵機組、三臺循環泵每月進行一次保養，風閥、水閥、濕度傳感器、自控控制系統每季度進行一次檢修，每月對組合式空調機組進行一次保養。

5 ABSL-2實驗室使用情況

ABSL-2實驗室使用實時調節風閥、穩定持續的蒸汽供應、設置二級表冷器、定期更新傳感器及科學合同的管理等方法進行運行。經一年的監測，ABSL-2實驗室在啟動使用過程中室內相對濕度在40.5%～63.4%之間，保持在《實驗動物環境與設施》(GB14925-2010)規定的范圍之內。測試濕度的方法有三種，一是直接在實驗室內的濕度表上監測，二是由自動控制系統通過濕度傳感器監測，三是使用手持電阻型濕度檢測儀監測。另外，合理安排各實驗區的實驗動物品種及相應的技術操作，使同一區域在較長時間內飼養的動物品種及數量基本達到動態一致。通過控制各區域實驗動物品種和數量，也可以有效控制區域內的人員、物品流動方向和頻率，減少由于人員和物品出入屏障系統、同一區域內各個實驗間流通所導致的對濕度的影響。

通過上面的分析可以看出，ABSL-2實驗室相對濕度波動較大的原因有實驗區域送風不一致、加濕蒸汽供應不持續、除濕時間過長、濕度傳感器監測有誤差，需要采用不同方法逐步解決。根據長期運行管理的經驗，僅靠自動控制系統來確保濕度穩定是不現實的，因此管理人員需加強對空調機組的日常維護保養，按月按季度進行檢修。使用多種測濕儀器共同監測的方法，針對不同環境因素，及時調整設備運行參數，如調節風閥、機組交替啟動等。定期對濕度傳感器進行保養更新，確保ABSL-2實驗室空氣環境指標的穩定性，進一步提高ABSL-2實驗數據的可靠性[19-20]。