實驗動物SPF環境下空調系統設計的技術探討

王孝邦

摘 要：對實驗動物等級和環境分類進行了解釋，并對相關規范中關于空調通風設計的重要條文進行了對比歸納，最后以某實驗動物房為例，分析了建筑工藝布局，詳細剖析了空調系統在動物房設計方面的重點，包括室內設計參數、冷熱源配置、系統劃分、壓差梯度以及節能措施等，并總結了設計中的技術要點，旨在供類似項目的暖通設計人員參考。

關鍵詞：實驗動物；屏障環境；空調設計；節能

中圖分類號：TU831.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0152-03

Abstract： In this paper， the grade of experimental animals and the classification of environment are explained， and the important provisions of air conditioning and ventilation design in relevant codes are compared and summarized. Finally， taking an experimental animal room as an example， the layout of building technology is analyzed. The key points of air conditioning system in animal room design are analyzed in detail， including indoor design parameters， cold and heat source configuration， system division， pressure gradient and energy saving measures， etc.， and the technical key points in the design are summarized. The purpose of this paper is to provide reference for HVAC designers in similar projects.

Keywords： laboratory animal； barrier environment； air conditioning design； energy saving

隨著生命科學領域技術日新月異的發展，實驗動物已經被廣泛用于解剖學、生理學、制藥以及生物工程等研究和應用領域，特別是近年來，與人類疾病和健康密切相關的免疫、腫瘤等領域，新藥或新技術必須用特定的動物進行反復試驗，以其結論為基本依據。因此，為保證數據的準確性和藥物的可靠性，必須保證測試的結果具有反應的重現性（即無論不同的操作人員，在不同的時間，用同一品系的動物按規定的實驗規程所做的實驗，都能獲得幾乎相同的結果），這就對實驗動物房的環境提出了非常高的要求，試驗環境的好壞直接影響著試驗的成果。而空調系統設計是動物房設計中極為重要的組成部分，空調系統設計的合理與否直接影響動物房的室內環境，進而影響試驗結果的準確性和可靠性。本文針對實驗動物所處的獨特環境，通過對相關規范相關內容的對比歸納以及案例分析，探討動物房SPF環境下暖通設計的要點，以期達到空調高效運行的目的，為項目的正常運行提供保障，為同行業設計人員提供一定參考。

1 實驗動物等級和環境分類

1.1 實驗動物等級

根據實驗動物微生物控制標準，我國對實驗動物等級實行四級標準，即一級普通動物（CV）、二級清潔動物（CL）、三級無特定病原體動物（SPF）和四級無菌動物（GF）或悉生動物（GN）。有些國家的實驗動物等級與我國略有不同，但差別不大。

一級普通動物：系指微生物不受特殊控制的一般動物。要求排除人獸共患病的病原體和少數的實驗動物烈性傳染病的病原體。

二級清潔動物：要求排除人獸共患病及動物主要傳染病的病原體。

三級SPF動物：要求到二級外，還要排除一些規定的病原體。

四級無菌動物或悉生動物：無菌動物要求不帶有任何用現有方法可檢出的微生物。悉生動物要求在無菌動物體上植入一種或數種已知的微生物。

1.2 環境分類

根據《實驗動物環境及設施》（GB14925-2010）[1]的要求，實驗動物的環境共分為三類，即普通環境、屏障環境和隔離環境。

普通環境適用于飼育基礎級實驗動物。

屏障環境適用于飼育清潔級實驗動物和無特定病原體實驗動物。

隔離環境采用無菌隔離裝置以保持無菌狀態或無外源污染物，適用于飼育無特定病原體、悉生及無菌實驗動物。

無特定病原體實驗動物可以在屏障環境或隔離環境中飼養，一般采用屏障環境較多。根據實驗動物的等級而不是根據實驗動物的種類來確定實驗動物飼育環境是比較科學的，因為同一種動物可以有從普通級到無菌級不同的等級。在設計實踐中，對于一般動物房而言，通常將犬、猴、兔歸于普通環境，將大鼠、小鼠歸于屏障環境。

2 相關規范中暖通相關重要條文歸納

2.1 藥品生產質量管理規范（2010年修訂）

GMP-第六十七條 實驗動物房應當與其他區域嚴格分開，其設計、建造應當符合國家有關規定，并設有獨立的空氣處理設施以及動物的專用通道[2]。

2.2 GB50447-2008實驗動物設施建筑技術規范[3]

5.1.1 空調系統的劃分和空調方式選擇應經濟合理，并應有利于實驗動物設施的消毒、自動控制、節能運行，同時應避免交叉污染。

5.1.3 送、排風系統的設計應滿足所用動物飼養設備、生物安全柜等設備的使用條件。隔離器、動物解剖臺、獨立通風籠具等不應向室內排風。

5.1.4 實驗動物設施的房間或區域需單獨消毒時，其送、回（排）風支管應安裝氣密閥門。

5.1.6 屏障環境設施和隔離環境設施的動物生產區（動物實驗區），應設置備用的送風機和排風機。當風機發生故障時，系統應能保證實驗動物設施所需最小換氣次數及溫濕度要求。

5.2.1 使用開放式籠架具的屏障環境設施動物生產區（動物實驗區）的送風系統宜采用全新風系統。采用回風系統時，對可能產生交叉污染的不同區域，回風經處理后可在本區域內自循環，但不應與其他實驗動物區域的回風混合。

5.3.4 實驗動物設施的排風不應影響周圍環境的空氣質量。當不能滿足要求時，排風系統應設置消除污染的裝置，且該裝置應設在排風機的負壓段。

5.4.1 屏障環境設施凈化區的氣流組織宜采用上送下回（排）方式。

7.1.1 屏障環境設施的動物生產區（動物實驗區）的用電負荷不宜低于2級。當供電負荷達不到要求時，宜設置備用電源。

2.3 GB14925-2010實驗動物環境及設施

4.4.3 飼養間應合理組織氣流和布置送、排風口的位置，宜避免死角、斷流、短路。

4.4.5 屏障環境和隔離環境應采用不低于二級電力負荷供電。

2.4 GB19489-2008實驗室生物安全通用要求[4]

對于ABSL-1實驗室有兩條相關規范：

6.5.1.7不得循環使用動物實驗室排出的空氣。

6.5.1.9宜將動物飼養間的室內氣壓控制為負壓。

對于ABSL-2實驗室有三條相關規范：

6.5.2.1適用時，應符合6.5.1的要求。

6.5.2.6應將動物飼養間的室內氣壓控制為負壓，氣體應直接排放到其所在的建筑物外。

6.5.2.7應根據風險評估的結果，確定是否需要使用HEPA過濾器過濾動物飼養間排出的氣體。

3 案例分析

3.1 工程概況

為長三角地區某大樓第三層動物房改造項目，面積約2400m2，由SPF飼養區域、ABSL-2實驗區域以及相關配套輔助區域組成，其中空調機房設置在二層。廠區不提供空調冷熱源，壓力0.6MPa的工藝蒸汽減壓后可用于空調加濕。

3.2 建筑及工藝布局

SPF飼養區域和ABSL-2實驗區域為屏障環境，根據建筑物的實際情況，均采用雙走廊布置，用以確保動物飼養室和實驗室的潔凈度。雙走廊的布置消除了干凈籠子和污染籠子的混合，以及供給和垃圾混合可能性，減少了交叉污染的危險。根據GB50447-2008，屏障環境凈化區的人員入口應設置二次更衣室，實驗動物入口應設置檢疫間，輔助區應設置用于儲藏動物飼料、動物墊料等物品的用房。最后確定建筑平面如圖1所示，SPF飼養區域包括檢疫、緩沖、洗消后室、飼料、男女更衣、清潔走廊、操作間、飼養間、污走廊等房間；ABSL-2實驗區域包括檢疫、緩沖、男女更衣、內準備、清潔走廊、飼養間、操作間、污走廊等房間；相關配套輔助區域包括解剖間、污物處理、尸體存放、墊料、飼料、冰箱、液氮等房間。

3.3 空調設計

3.3.1 室內設計參數

3.3.2 冷熱源

空調冷源：采用冷凍水，供水溫度7℃，回水溫度12℃，由設置在屋頂的風冷熱泵模塊機組提供。

空調熱源：采用熱水，供水溫度60℃，回水溫度50℃，由設置在二層空調機房的汽水熱交換機組提供。

空調加濕用蒸汽由壓力為0.6MPa的工藝蒸汽減壓后接入空調機組加濕器。

3.3.3 空調系統分區

如圖2所示，SPF飼養區域設置1套凈化空調系統，設備編號AHU-3-1，全排風； ABSL-2區域設置1套凈化空調系統，設備編號AHU-3-2，全排風；解剖間單獨設置1套全空氣空調系統，設備編號AHU-3-3，全排風，不使用時可直接關閉系統；洗消前室等舒適性空調區域設置1套全空氣空調系統，設備編號AHU-3-4，全排風；污物處理、冰箱等房間采用FCU+排風的處理方式。

3.3.4 壓差梯度

普通環境：無壓差梯度要求，但考慮到有的區域為有毒區，如解剖間、污物處理間等，需要將該區域設置為絕對負壓。

屏障環境：雙走廊布置的特點決定了壓差梯度為清潔走廊>操作間>飼養室>污物走廊，這樣的梯度控制可以保證清潔走廊的潔凈，從而不會受到運行中的其他飼養室空氣的影響。當某一飼養室的空氣因各種原因被污染后，污染空氣泄至污物走廊而被排出，進入該飼養室的人員也應遵循單向的原則，在處理工作完成后從污走廊走出，從而將污染控制在最小范圍內。SPF及ABSL-2區房間壓力梯度及氣流走向示意圖如圖3所示。ABSL-2區域的室內氣壓控制為負壓。

3.3.5 設計要點

室內氣流組織采用上送下側排的形式。在動物飼養室的四角設置排風口，控制動物籠具處的氣流速度≤0.20m/s，噪聲≤60Db（A）。

屏障環境空調要求24h連續運行，因此，空調機組的送風機和排風機均采用一用一備， 供電須納入系統應急電源內，一旦發生故障，備用風機即可投入運行。

每個房間的送排風支管上均設置變風量閥（VAV）。送風VAV控制器，必須能直接接入房間溫度/濕度的傳感器信號，并且以此結合換氣次數的要求控制送風風量數值。排風VAV控制器必須能直接接入房間壓差傳感器的信號，并以此控制排風風量，調節房間壓差的數值。

在冷凍水管、熱水管、蒸汽管上設置電動二通閥，根據送風露點溫度的設定值以及房間溫度的平均值，自動調節閥門開度，從而控制房間的溫濕度。

為達到恒定溫度的要求，動物房間送風管上均安裝電加熱器并設無風斷電保護。

在動物房間的送風管及排風管上設置電動氣密閥，用于單獨消毒。

屏障環境空調送、排風機組之間設置乙二醇熱回收，用來轉移排風的冷量或熱量用以預冷或預熱新風，從而降低能耗。

4 結束語

（1）屏障環境動物房建成后，可根據房間實際運行情況，在滿足房間的各項指標的前提下（監測控制），降低送風量，降低換氣次數，從而降低運行能耗。（2）目前沒有規范說明不可以采取回風措施，因此在設計中可嘗試采取回風系統以節能。（3）從有毒有害的排風空氣中回收能量，既要做到提高回收效率，又要避免新風、排風交叉污染。（4）屏障環境空調系統可采用熱管技術，設置于表冷器的前后，用于預冷與再熱的能量回收。

參考文獻：

[1]GB14925-2010.實驗動物環境及設施規范[S].

[2]藥品生產質量管理規范[S].

[3]GB50447-2008.實驗動物設施建筑技術規范[S].

[4]GB19489-2008.實驗室生物安全通用要求規范[S].