影響Ⅱ級B2 型生物安全柜排風的關鍵因素

蘇建程，王會如

北京市醫療器械檢驗所 （北京 101111）

Ⅱ級B2型生物安全柜流入氣流的狀態直接影響其運行狀態，而排風系統是流入氣流狀態修正的唯一技術保障。但由于安裝Ⅱ級B2型生物安全柜的場地條件復雜多樣，工況可重現性低，所以建造Ⅱ級B2型生物安全柜的排風系統時無統一的施工方案。本研究鑒于排風系統的設計參數與生物安全柜的性能良好兼容是保證Ⅱ級B2型生物安全柜安全運行的基礎，綜合思考工業通風的設計理論與安全柜的設備特性，提出具有實踐意義的觀點。

1 Ⅱ級B2 型生物安全柜排風系統的排風量

Ⅱ級B2型生物安全柜排風系統重要的輸入參數之一是排風量，排風量計算公式如下：

式中，Q為排風量，Qd為下降氣流流量，Qi為流入氣流流量[1]。

1.1 下降氣流流量

下降氣流流量計算公式如下：

式中，Qd為下降氣流流量，v為下降氣流平均流速，A為送風面截面積。

根據Ⅱ級B2型生物安全柜的下降氣流平均流速應在下降氣流標稱值±0.025 m/s 之間的要求，推導出公式如下：

式中，QdMAX為下降氣流流量最大值，QdMIN為下降氣流流量最小值，v標為下降氣流標稱值，A為送風面截面積。

1.2 流入氣流流量

流入氣流流量計算公式如下：

式中，Qi為流入氣流流量，v為流入氣流平均流速，h為前窗操作口高度，w為前窗操作口寬度。

根據Ⅱ級B2型生物安全柜的流入氣流平均流速應在流入氣流標稱值±0.025 m/s 之間的要求，推導出公式如下：

式中，QiMAX為流入氣流流量最大值，QiMIN為流入氣流流量最小值，v標為流入氣流標稱值，h為前窗操作口高度，w為前窗操作口寬度。

1.3 排風量

根據下降氣流流量、流入氣流流量的最大值和最小值，推導出Ⅱ級B2型生物安全柜的排風量應滿足正常運行狀態下的工作參數Q，QiMAX+QdMAX≥Q≥QiMIN+QdMIN。

2 Ⅱ級B2 型生物安全柜排風系統的構成

Ⅱ級B2型生物安全柜排風系統主要由風機和管路組成，風機為流體提供動能，管路為流體提供導流。流體在管路導流過程中會產生阻力，風機動能除需克服管路導流過程中產生的阻力外，還需克服生物安全柜排風過濾器的阻力。排風過濾器雖然被安裝在生物安全柜內部，但不應被忽視，其阻力會隨著生物安全柜運行時間的增加而增加。相比于排風過濾器的阻力，管路導流過程中產生的阻力才是排風系統設計工作的核心，其專業性和復雜性直接關乎排風系統設計的成敗。

管路導流過程中產生的阻力主要由沿程阻力和局部阻力疊加而成[2]，根據達西公式分析影響管路導流過程中產生的阻力的主要因素，達西公式如下：

式中，H為管路導流過程中產生的阻力，λ為沿程阻力系數，l為管路長度，d為管路直徑，υ為管路內平均流速，g為重力加速度

2.1 沿程阻力

沿程阻力是指流體流過管路時由于流體內摩擦力而產生的阻力[3]。由于沿程阻力與沿程阻力系數呈線性關系，且沿程阻力系數隨管路內壁粗糙度的增加而增大[4]，因此，控制管路內壁粗糙度可降低管路導流過程中產生的阻力；同時，由于沿程阻力與管路長度呈線性關系，因此，控制管路長度可降低管路導流過程中產生的阻力。

2.2 局部阻力

局部阻力是流體通過管路中的局部障礙時導致邊界層分離產生旋渦而造成的能量損失。在排風系統中，局部障礙主要是管路的變向和變徑，其中，彎頭是主要的變向構件，90°接頭造成的局部阻力遠高于直管段或其他管件[5]，其原因為，管路的過渡不夠通暢，流體在慣性的作用下會直接沖擊外壁面，部分動壓轉變為靜壓，導致在局部區域內的壓力場失衡，形成的旋渦消耗能量[6]；工程中應用的管件或閥門會導致局部管徑變化，控制管徑變化的正偏差，有利于降低局部阻力，此外，管路的通風阻力與截面積的三次冪成反比，管徑變大可降低阻力，當截面積增加10%時，阻力至少可降低25%[7]，且管路的通風阻力與流速的平方成正比[8]，管徑變小可增加阻力，相同的風量通過的截面越小流速越高。

3 Ⅱ級B2 型生物安全柜排風系統的性能

3.1 安全性

為保證生物安全柜的安全運行，排風系統的風量必須在QMAX≥Q≥QMIN范圍內，但隨著排風系統的性能老化，風量必會降低，而增加冗余風量可以平衡由于性能衰減導致的流入氣流異常。確認排風系統的風量可采用畢托靜壓橫動法，在生物安全柜外排風口的2倍管徑處選擇監測截面[1]，將測量的截面壓差輸入到如下公式計算風量：

式中，α 為修正系數，ε 為膨脹系數，D為截面直徑，ρ 為空氣密度，?p為截面差壓

3.2 經濟性

評價排風系統工程的經濟性，可參考安全柜排風口風量與排風系統額定風量的比值，比值越大，在用階段系統的經濟性越好，系統的運行成本越低。確認排風口風量可采用風管法，當測量截面位于局部管件前，距離應≥3倍管徑處，位于局部管件后，距離應≥5倍管徑處[9]，將測量的截面風速輸入如下公式計算風量：

式中，v截為截面風速，A為截面面積

4 結論

排風系統的性能與Ⅱ級B2型生物安全柜的兼容性直接影響生物安全柜在用期間的安全。排風系統的設計參數與建造工藝是決定排風系統性能的關鍵因素，準確的設計參數是決定排風系統與生物安全柜兼容性的基礎，適宜的建造工藝是影響排風系統與生物安全柜兼容性的細節。