某負(fù)壓二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)探討

龍洋波 房電偉 邢哲理

某負(fù)壓二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)探討

龍洋波 房電偉 邢哲理

（軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100036）

生物安全實(shí)驗(yàn)室在新冠病毒肺炎防治中起著舉足輕重的作用，其建設(shè)也越來越受到社會(huì)重視。本文以北京市某二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室工程為例，分析了項(xiàng)目的工藝布局，對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、壓力梯度、氣流組織、凈化消毒設(shè)計(jì)以及自動(dòng)控制措施等進(jìn)行了原理性闡釋。認(rèn)為負(fù)壓生物安全實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)以控制污染物擴(kuò)散和減少對(duì)操作人員的危害為根本出發(fā)點(diǎn)，以確保房間壓力梯度和氣流流向正確為主要任務(wù)。期望能增進(jìn)工程建設(shè)、設(shè)計(jì)以及管理人員對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的理解，更好地為實(shí)驗(yàn)室安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

生物安全實(shí)驗(yàn)室；空調(diào)通風(fēng)；氣流組織；壓力梯度；自動(dòng)控制

0 引言

2020年初，一場(chǎng)突如其來的新冠病毒肺炎疫情在我國爆發(fā)，并迅速席卷全球。在黨中央的正確領(lǐng)導(dǎo)下，全國人民勠力同心，共同抗擊疫情。目前，我國防控形勢(shì)持續(xù)向好，疫苗研究工作正有序展開。作為抗擊疫情的排頭兵，生物安全技術(shù)在病毒分析、病患篩選、疫苗研發(fā)等過程中起到了舉足輕重的作用。生物安全實(shí)驗(yàn)室作為生物安全技術(shù)重要組成部分，其建設(shè)的目的就是要控制室內(nèi)生物污染、確保試驗(yàn)人員不受傷害、環(huán)境不受污染，同時(shí)為試驗(yàn)提供清潔的環(huán)境，從而達(dá)到一定的生物安全防護(hù)水平[1]。本文中筆者選取一項(xiàng)實(shí)際工程，對(duì)二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)分析，期待能為類似工程建設(shè)提供幫助。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目屬于改造工程，建設(shè)地點(diǎn)位于北京某實(shí)驗(yàn)樓一層，實(shí)驗(yàn)室上部有設(shè)備夾層，便于通風(fēng)空調(diào)設(shè)備及管道布置。項(xiàng)目內(nèi)容主要包括兩個(gè)生物安全實(shí)驗(yàn)室以及相關(guān)配套用房。前期論證時(shí)，從建設(shè)需求、資金投入出發(fā)，同時(shí)考慮將來業(yè)務(wù)拓展，將本項(xiàng)目界定為負(fù)壓二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室。

2 實(shí)驗(yàn)室工藝平面

建筑平面的合理布置、工藝流程的科學(xué)劃分直接關(guān)系到生物安全實(shí)驗(yàn)室的安全使用。本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)室操作流程要求，從安全使用，科學(xué)管理二方面著手，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置核心工作間、緩沖、更衣室、高壓滅菌室等。每個(gè)實(shí)驗(yàn)核心區(qū)靠外墻處設(shè)置一臺(tái)Ⅱ級(jí)A2型生物安全柜、培養(yǎng)箱等實(shí)驗(yàn)儀器，在輔助功能區(qū)設(shè)置有高壓滅菌器和傳遞窗。實(shí)驗(yàn)室工藝布局如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室平面圖

3 空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選取，是實(shí)驗(yàn)室建成后能正常運(yùn)行的重要保證，也是建設(shè)投資與運(yùn)行費(fèi)用的重要影響因素。根據(jù)文獻(xiàn)[2,3]，結(jié)合業(yè)主的使用要求，主要房間設(shè)計(jì)指標(biāo)確定如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室房間設(shè)計(jì)參數(shù)

注：本工程Ⅱ級(jí)A2型生物安全柜為全內(nèi)排。

3.2 壓力梯度

合理的壓力梯度有利于實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)轉(zhuǎn)，壓差越大，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性要求越高，初投資和運(yùn)行費(fèi)用增加，反之，壓差越小，控制越難以實(shí)現(xiàn)[4]。本實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓梯度從更衣間向主實(shí)驗(yàn)室依次遞增，保證空氣的有序流向，保障運(yùn)行安全可靠。

3.3 風(fēng)量計(jì)算[5]

生物安全實(shí)驗(yàn)室送、排風(fēng)量的確定，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)陌踩裢瑫r(shí)使用系統(tǒng)，既要滿足實(shí)驗(yàn)室最大運(yùn)行風(fēng)量要求，也不要盲目加大風(fēng)量，造成設(shè)備選型過大，投資增加。

房間送風(fēng)量：

=1+2

式中，為房間送風(fēng)量，m3/h；1為按換氣次數(shù)計(jì)算得出的風(fēng)量，m3/h；2為局部排風(fēng)量，m3/h。

房間排風(fēng)量：

=+1+2+3

劉麗芳急于將這一結(jié)果告訴丈夫彭偉民，一遍接一遍地?fù)艽蛩氖謾C(jī)號(hào)碼。彭偉民始終不接。無奈之下的劉麗芳只能給他編發(fā)了一條短信。

式中，為房間排風(fēng)量，m3/h；為房間送風(fēng)量，m3/h；1為縫隙滲透風(fēng)量，m3/h；2為開關(guān)門引起的滲入風(fēng)量，m3/h；3為開關(guān)傳遞窗引起的滲入風(fēng)量，m3/h。

主要房間風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表1。

3.4 通風(fēng)空調(diào)方式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室使用要求，本項(xiàng)目冷熱源平時(shí)采用大樓集中冷熱源，并備用空氣源熱泵機(jī)組，供與大樓冷熱不同步時(shí)使用。空調(diào)方式采用全空氣直流系統(tǒng)，送風(fēng)機(jī)組采用帶冷熱水盤管的直膨式組合空調(diào)機(jī)組，機(jī)組由進(jìn)風(fēng)段、初中效過濾段、預(yù)熱段、表冷/加熱段、再熱段、蒸汽加濕段以及出風(fēng)段組成。排風(fēng)機(jī)組由進(jìn)風(fēng)段、活性炭過濾段、排風(fēng)機(jī)段及出風(fēng)段組成。空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。按文獻(xiàn)[2,3]的要求，二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)機(jī)可不備用，本項(xiàng)目根據(jù)使用要求，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中，為降低污染風(fēng)險(xiǎn)，排風(fēng)不允許中斷，因此排風(fēng)系統(tǒng)配置2臺(tái)排風(fēng)機(jī)組，互為備用。

圖2 空調(diào)通風(fēng)原理圖

房間每個(gè)送、排風(fēng)支管上設(shè)不銹鋼變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，保證每個(gè)送、排風(fēng)口風(fēng)量均勻。變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥根據(jù)房間壓力傳感器信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)送、排風(fēng)量。系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)先確定送風(fēng)量，以送風(fēng)量為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)排風(fēng)量來適應(yīng)送風(fēng)量，以保證房間的換氣次數(shù)及相鄰房間的壓差。同時(shí)反饋信號(hào)給送排風(fēng)機(jī)組，調(diào)節(jié)送排風(fēng)機(jī)組風(fēng)量與末端風(fēng)量相匹配。

當(dāng)房間風(fēng)量較大時(shí)，也可將房間送、排風(fēng)均調(diào)整為定風(fēng)量加變風(fēng)量的模式，一般將定風(fēng)量閥風(fēng)量設(shè)定為總風(fēng)量的90%，變風(fēng)量閥風(fēng)量允許調(diào)整范圍為10%，定風(fēng)量閥維持房間定量送排風(fēng)，維持室內(nèi)的換氣次數(shù)及人員新風(fēng)量，通過變風(fēng)量閥的調(diào)整維持室內(nèi)壓力梯度。這種方式可選用小規(guī)格變風(fēng)量閥，不僅降低了投資，也能增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.5 氣流組織

氣流組織設(shè)計(jì)是降低空氣污染隱患的重要舉措，合理的氣流組織可以有效地控制污染物擴(kuò)散和減少對(duì)操作人員的危害[6]。

根據(jù)室內(nèi)污染源位置，合理設(shè)置送風(fēng)口和排風(fēng)口。排風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在室內(nèi)被污染風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域，因此排風(fēng)口靠近生物安全柜設(shè)置，送風(fēng)口位于生物安全柜對(duì)面的房間入口處，使得新鮮空氣由清潔側(cè)流向相對(duì)污染側(cè)，保證試驗(yàn)人員處于上風(fēng)向，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的正常工作不受排風(fēng)口和送風(fēng)口的氣流影響[7]。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)室而言，生物安全柜是最大的污染隱患，因此將其布置于遠(yuǎn)離入口的相對(duì)污染側(cè)，其余實(shí)驗(yàn)儀器布置于清潔側(cè)。氣流組織采用上送下排方式，確保污染空氣經(jīng)室內(nèi)空間排出的距離最短，減少回流與渦流，送排風(fēng)口布置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室風(fēng)口布置圖

3.6 凈化消毒

室外新風(fēng)送至室內(nèi)時(shí)，經(jīng)過三道過濾器，在空調(diào)送風(fēng)機(jī)組內(nèi)設(shè)置第一、二道過濾器，末端風(fēng)口設(shè)置第三道過濾器。空調(diào)送風(fēng)機(jī)組采用G4+F7，送風(fēng)末端采用高效過濾器H14，高效過濾器采用耐高溫、高濕、金屬框型，高效過濾器箱上安裝壓力表，持續(xù)監(jiān)測(cè)阻力變化。排風(fēng)高效過濾器具備原位檢漏和消毒條件。

生物安全型密閉閥與防護(hù)區(qū)相通的送風(fēng)管道及所有排風(fēng)管道使用304不銹鋼焊接（氬弧焊滿焊連接）。實(shí)驗(yàn)室送、排風(fēng)管道支管安裝耐腐蝕的生物安全型電動(dòng)密閉閥，消毒過程時(shí)關(guān)閉。消毒完畢后，重新開啟電動(dòng)密閉閥及送排風(fēng)機(jī)組，將殘留室內(nèi)的消毒氣體排出室外。

實(shí)驗(yàn)室冬季加濕采用干蒸汽加濕器，有效避免微生物滋生。

4 自動(dòng)控制

自控系統(tǒng)對(duì)于生物安全實(shí)驗(yàn)室而言，主要有兩點(diǎn)要求：第一是保證實(shí)驗(yàn)室舒適的溫濕度；第二是時(shí)刻保證實(shí)驗(yàn)室所要求的負(fù)壓值及壓力梯度。要實(shí)現(xiàn)以上兩點(diǎn)，離不開先進(jìn)的變風(fēng)量技術(shù)，而變風(fēng)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，也需要自動(dòng)控制系統(tǒng)的保障[8]。本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室自控系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)讀系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至監(jiān)控室。

（1）溫濕度控制。根據(jù)室內(nèi)設(shè)定的溫濕度傳感器實(shí)測(cè)值和系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)控制空調(diào)機(jī)組的制冷、加熱、加濕等環(huán)節(jié)。

（2）壓力控制。排風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組可靠連鎖，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行時(shí)，排風(fēng)機(jī)組先于空調(diào)機(jī)組開啟，后于空調(diào)機(jī)組關(guān)閉。2臺(tái)排風(fēng)機(jī)組互為備用，運(yùn)行機(jī)組故障時(shí)可在60秒內(nèi)自動(dòng)切換至備用機(jī)組，平時(shí)兩臺(tái)機(jī)組可輪流運(yùn)行，延長使用壽命。為保證壓力梯度，在相關(guān)房間設(shè)置微壓計(jì)，當(dāng)房間壓力破壞時(shí)，自控系統(tǒng)能迅速做出反應(yīng)，自動(dòng)調(diào)整變風(fēng)量閥的狀態(tài)，調(diào)整送排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)房間風(fēng)量平衡[4]。

（3）監(jiān)控及門禁。門禁系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室自控系統(tǒng)連鎖，可實(shí)現(xiàn)門禁互鎖機(jī)制，只有獲得授權(quán)的人才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

5 結(jié)論

生物安全實(shí)驗(yàn)室建設(shè)越來越引起社會(huì)重視，肩負(fù)的責(zé)任也越來越重大，必須對(duì)其進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，才能保證實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

（1）各實(shí)驗(yàn)室情況千差萬別，通風(fēng)空調(diào)方案也必須根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合房間功能、投資需求、使用要求等確定。

（2）氣流組織設(shè)計(jì)要特別注意送風(fēng)口的形式、位置以及送風(fēng)速度，減少渦流和亂流，避免氣流影響實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于負(fù)壓運(yùn)行的生物安全實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)口布置應(yīng)保證實(shí)驗(yàn)室形成定向氣流，提高防護(hù)效果。

（3）為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須設(shè)置可靠的自控程序，確保送、排風(fēng)系統(tǒng)啟停順序正確。保證實(shí)驗(yàn)室溫濕度、壓力梯度等滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

[1] 謝景欣,王歡,王建鋒,等.負(fù)壓二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)關(guān)鍵控制點(diǎn)分析[J].暖通空調(diào),2013,(5):38-42.

[2] GB 50346-2011,生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] GB 19489-2008,實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4] 龍洋波,邢哲理,溫旭怡,等.可正負(fù)壓切換隔離病房通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)探析[J].制冷與空調(diào),2019,33(1):44-48.

[5] 楊鵬,趙兵.P3生物安全實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].發(fā)電與空調(diào),2013,34(3):64-67.

[6] 謝景欣,王建鋒,楊杰等.負(fù)壓二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室防護(hù)措施設(shè)計(jì)分析與評(píng)價(jià)[J].環(huán)境與職業(yè)衛(wèi)生,2011,28(9): 561-563.

[7] 袁勝鴻,肖晶.P3生物安全實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)分析[J].城市建筑,2019,332(16):126-129.

[8] 云婷,魏一,邢國華,等.高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)控制方法[J].暖通空調(diào),2020,50(1):25-30.

HVAC Design of Negative Pressure Biosafety Level-2 Laboratory

Long Yangbo Fang Dianwei Xing Zheli

( Research Institute for Nation Defense Engineering of Academy of Military Science PLA, Beijing, 100036 )

Biosafety laboratory plays an important role in the prevention and control of COVID-19, and its construction has been paid more and more attention. Taking a negative Pressure Biosafety Level-2 laboratory project in Beijing as an example, this paper analyzes the process layout of the project, and explains the design parameters, pressure gradient, air distribution, purification and disinfection design, automatic control measures of the air conditioning and ventilation system in principle. The air conditioning and ventilation design of the negative pressure biosafety laboratory should be based on controlling the diffusion of pollutants and reducing the harm to the operators, and the main task is to ensure the correct pressure gradient and air flow direction in the room. It is hoped that this paper can enhance the understanding of the HVAC system of the biosafety laboratory for the engineering construction, design and management personnel, and better guarantee the safe and stable operation of the laboratory.

biosafety laboratory; air condition and ventilation; air distribution; pressure gradient; automatic control

TU246.1+1

A

1671-6612（2021）01-111-04

龍洋波（1982.04-），男，碩士，工程師，E-mail：lybisok@163.com

房電偉（1990.10-），男，本科，工程師，E-mail：fangdianwei@126.com

2020-04-24