實驗室暖通空調系統的設計要點分析

張 煒，譚 瑩，符躍明，師 冰

（云南省藥物研究所，云南 昆明 650111）

0 引言

生物實驗室，是進行與生命科學相關的生物實驗場所，由于生物科學相關實驗往往對質量控制具有嚴格的要求，因此對恒溫恒濕負壓的實驗需求也越來越大，這無疑給生物實驗實驗室暖通空調系統的設計提出了更高要求[1]?；谏飳嶒瀸嶒炇冶旧淼挠猛?，在其日常運作的過程中難免會有危害性物質的產生，在平時暖通空調系統正常運作之時這些危害性物質一般不會產生危害，但一旦暖通空調系統出現故障，輕則因危害性物質導致生物實驗實驗室的內部控制參數無法實現，重則更可能發生危害性物質外泄，對實驗室內從業者及實驗室周邊居民的健康乃至生命安全造成危害。為了避免這種情況的發生，保障暖通空調系統的良好運轉正是在對空調系統進行設計時的要點所在。

1 實驗室暖通空調系統常見問題闡述

暖通空調系統是具有控溫、控濕通風以及空氣調節幾大功能，一般而言，暖通空調系統會由三大部分構成：①送風系統，即通過新風機凈化室外空氣并引入室內的系統；②壓差系統，主要負責對室內的壓力進行感應并對系統的氣流組織行為作出合理調度；③排風系統，即室內空氣排出的系統[2]。由于生物實驗實驗室往往要求恒溫、恒濕、負壓，以此大多暖通空調系統是采用常年運作模式，而隨著使用時間的增長，系統本身產生故障是不可避免的事情。通過對國內幾處生物實驗實驗室的暖通空調系統進行調查，導致系統出現故障的原因主要包括以下兩個方面。

1.1 送風系統與排風系統問題

在暖通空調系統中，送風系統與排風系統一般合成“風系統”，在生物實驗實驗室內，送風系統與排風系統都發揮著至關重要的作用，其中，送風系統是確保整個暖通空調系統正常運作的根本，而排風系統則是通過排風機進行變頻排風的一類系統，這二者的正常運作都能夠為維持生物實驗室內定向氣流（負壓）[3]。一旦送風機發生故障，則可能導致實驗室內負壓不穩，對工作人員的健康及生命安全帶來危害；而一旦排風機發生障礙，則會出現停機問題，則整個系統出現故障，一旦故障發生，使用方需要確保暖通空調系統仍然能夠正常運作，這一點比較難實現，導致其難以實現的問題主要包括以下3 個方面：①送排風系統結構設計不合理，死角相對較大，生物實驗實驗室要求氣流從清潔區流向污染區，一旦結構設計有失合理，該過程將無法實現；②排風系統設計不合規范，許多生物實驗實驗室所采用的是高空排放，并不增設高效過濾器，這無疑會對環境帶來一定傷害，同時許多生物實驗實驗室排風管的風速達不到規范，排風阻力較大，室內的負壓難以得到保障；③備用排風機不到位，為保證實驗室在任何情況下都能夠保持負壓，生物實驗實驗室的排風系統要設置備用排風機，一旦故障發生則緊急啟用備用排風機以保持負壓，但目前很多使用單位都沒有設置[4]。

1.2 壓差系統問題

壓差傳感器在實驗室空調系統當中主要承擔的是傳遞信號的功能，一旦傳感器失靈，則會導致傳遞的信號出現錯誤。這樣系統在運行的過程當中，就會與系統本身設計的程序相背離[5]。但在實驗室的實際設計中，傳感器的響應特性是很容易被忽略的，這種響應特性一旦被忽略，直接會導致其調試結果的設計值出現問題，信號傳輸出現錯誤，就會導致更加嚴重的事故。通過對實驗室的實際故障案例進行分析發現，在該類實驗室所應用的系統中，傳感器所發生的故障大多是由電氣故障引發，還有小部分故障是由于機械故障以及管路、開關故障引發，而在電氣故障中，有超過80%的故障是由于控制主板損壞引發。傳感器實際發生的故障主要包括三類：①沒有信號。②產生高頻噪聲。③發生慢漂移。

通過對問題進行闡述分析，可以針對相關問題做出相應的設計，以此增強暖通空調系統的穩定性。

2 實驗室的暖通空調系統設計要點

實驗室的設計需要以實驗室本身的實際需求為主，不可一概而論，但是對一定的生物實驗室類型進行討論仍然可為相應的實驗室的暖通空調系統提供借鑒。為了對暖通空調系統的設計要點進行研究，本文將選擇P3 級生物實驗室中的PLC 暖通空調控制系統為研究對象，一方面針對暖通空調系統的各類故障提出相應的解決方案，一方面優化暖通空調系統設計、避免復雜布局。經過統籌分析，生物實驗室的暖通空調系統設計要點主要包括以下幾個方面。

2.1 排風系統停機故障防范設計

在實驗室的所有故障中，最“致命”的故障當屬排風機停機，一旦排風機停機，實驗室內的負壓難以維持。針對排風機停機的問題，目前生物實驗室中比較常見的問題主要包括在排風機停機或停機前暖通空調系統內并不存在正壓或者補救的措施，同時問題發生的同時也沒有向系統中央控制中心發出故障信號，系統往往難以對故障做出及時反應。針對這種狀況，一方面設計方可以利用局域網設備與排風系統進行串聯，時時監測排風系統的運作狀況，一旦停機故障發生，若排風系統無法向中央控制系統發出故障信號，局域網系統也能夠及時發出信號，為排風系統提供雙重保障。

2.1.1 風量傳感器優化

風量傳感器即對排風系統運行狀況進行檢測的一類傳感器設備，它的靈敏度與停機故障的檢測與報告速度存有直接關聯，因此對風量傳感器進行優化、增強其靈敏度正是對排風系統停機故障進行防范的最有效措施。為了實現這一目的，設計方在生物實驗室的設計可以適當調高排風系統停機故障的排風量并將風量傳感器設置在排風總管上等。

2.1.2 電動蝶閥的優化

電動蝶閥設計的目的在于實現“完全關斷”，也就是在排風系統出現停機故障后對系統送風實施切斷，延緩正壓的發生時間，為后續的防范補救措施提供可能性。為了確保電動蝶閥的有效性，蝶閥本身的響應速度應該嚴格控制在2s 之內。

2.2 針對停機故障發生后暖通空調系統能夠正常運作的設計

一般而言，可秉承以下設計原則：①為確保氣流能夠從清潔區流向污染區，必須降低送風系統與排風系統的設計死角，設計室內送風口、排風口的位置氣流停止空間降至最低，且室內排風口應當設置于最危險的區域，采取單側布置形式，排除一切障礙。②確保排風系統的設計合乎規范，在排風系統中增設高效過濾器，選擇合適的排風系統，一方面保證排放量達到要求數值，另一方面有效降低暖通空調系統的能耗以及噪音。③在生物實驗室內設置備用排風機及UPS 電源，一旦停機故障發生，立刻切換至備用排風機及UPS 電源，嚴格控制負壓。④控制壓差，按照《生物實驗室建設技術規范》，將生物實驗主實驗室與相鄰外間的壓力控制在-10～20Pa 區域內，確保相對大氣的最小負壓大于等于-30Pa。

2.3 傳感器故障防范設計

前文已對傳感器發生故障多是因為電氣故障引發，還有小部分故障是由于機械故障以及管路、開關故障引發，而針對該類傳感器故障問題，解決方案相對簡單，設計方可以在生物實驗室內同時加裝幾個傳感器。相比起其余方面的故障，傳感器發生故障的概率相對較低，而幾個傳感器同時發生故障的概率更幾近為零。針對傳感器發生的三類故障——沒有信號、產生高頻噪聲以及發生慢漂移，沒有信號故障一般依靠傳感器的值進行檢測；產生高頻噪聲故障一般通過過濾器方法進行檢測；發生慢漂移故障則比較復雜，這種故障比較難發現，在故障發生后傳感器的輸出特征與無障礙發生時的輸出特征幾乎毫無差別，因此需要借助SCOM方法。SCOM 方法可以通過數學方式進行表達，舉例而言，可以設想生物實驗實驗室的暖通空調系統內有n個傳感器，而x1，x2，x3，…，xn分別為此n 個傳感器的參數，根據暖通空調系統的特征，可以確定這些參數的關系如式（1）所示。

此公式因為要對系統中的每一個傳感器進行檢測，所以它就必須具備完整性，也就是在公式中，每一個參數都必須在其中出現一次或兩次，如果達不到這個要求，那么這個傳感器就確定有故障發生。在生物實驗實驗室的暖通空調系統中，測量之間的關系式決定著SCOM 方法是否可靠，以此全面地描述測量變量之間的關系就十分重要。通過實際研究可以得知，損壞傳感器的具體位置是決定SCOM 的是否可靠的關鍵依據。舉例來說，假如傳感器的確出現了慢漂移，而漂移量在5Pa 左右，傳感器故障發現率則不足35%；如果漂移量為8Pa，那么傳感器故障的發現率就能夠達到100%。因此，通過這種方法能夠更為迅速、準確地發現暖通空調系統中傳感器存在的故障，從而及時對其采取更換措施。

2.4 其他設計

2.4.1 室內溫度、濕度

在對暖通空調系統進行設計時，應當確保該系統能夠實現對實驗室內的溫度實現自動化控制，實驗室室內可以設置溫、濕度信號傳感器，以溫度信號為優先對冷熱水的電動雙通閥以及加濕電動雙通閥的開度做出控制，以此確保整個實驗室的濕度能夠控制在一個合理的區間之內并保持在相對穩定狀態。

2.4.2 防火閥的關閉

災害類問題也是暖通空調系統需要統籌考慮的重點，可以在主風道內對溫度進行檢測，當主風道內溫度達到70℃，則確保防火閥能夠自動關閉，同時會將火災信號自動發送給消防部門與消防中心。與此同時，在信號自動發出后，送風機以及排風機等系統應當自動關閉。

2.4.3 送風系統其余設計

在送風系統的空氣凈化系統中，應當至少設計三級過濾，即粗、中、高三級過濾，且這三級過濾應當符合以下規定：①一級過濾為初過濾器，一般設置在空調箱；②二級為中效過濾器，一般設置在空氣處理機組的正壓段中；③三級為高過濾器，切忌設置在空調箱內，而應當設置在系統末段；④表冷器前需要設置中效過濾器以作保護。除此之外，送風系統的新風口也需要嚴格依照規范設置，其原則包括但并不僅僅限于在新風口處實施防雨措施、加裝保護網等。

2.4.4 排風系統其余設計

生物實驗實驗室的排風系統需要符合以下規范：①排風與送風兩大系統需連鎖，在系統啟動時排風系統需要在送風系統前啟動，在關閉時則需要在送風系統后關閉，以此確保負壓穩定；②主實驗室內需要設置室內排風口；③針對存有可能產生污染物外泄設備的實驗室應當在實驗室內加設載有高效過濾器的負壓排風裝置；四，動物隔離設備與排風系統連接需采取密閉連接或設置局部排風罩；五，風機應設平衡基座并采取減振降噪措施。

2.4.5 氣流組織設計

針對三級與四級生物實驗實驗室，在對氣流組織方面進行設計時應當確保氣流通過輔助工作區向防護區流動，并在輔助工作區與室外之間設置正壓緩沖室，同時根據氣流組織設計對實驗室內的各類設備做出合理安排，降低空氣流動。同時，生物實驗實驗室氣流組織宜采用上送下排方式，送風口和排風口布置應有利于室內可能被污染空氣排出，避免在生物實驗柜操作面以及其余有氣溶膠產生地點上方設置送風口等。

3 結語

綜上所述，生物實驗實驗室是當代社會必不可少的科學實驗設施建筑，其運作對于人類生存以及發展具有積極的深遠意義，確保其能夠安全運作正是目前設計的重中之重。受生物實驗實驗室本身特征影響，暖通空調系統是維持生物實驗實驗室內恒溫、負壓的最關鍵部分所在，為了確保暖通空調系統能夠切實地發揮其功效，設計應當首先對生物實驗實驗室內暖通空調系統的常見問題進行分析，在嚴格按照生物實驗實驗室的設計規范對排風系統、送風系統、傳感器以及氣流組織進行設計后，再根據常見問題制定相應的防范措施，如通過局域網的應用、電動蝶閥乃至風量傳感器的優化解決排風系統停機故障問題等。設計者還需以實際狀況為出發點，不斷對設計進行革新、改善，如此方可確保生物實驗實驗室的安全、有效運作。