機動偵檢平臺的研制（二）
——通風系統(tǒng)及環(huán)境控制技術研究

趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城

機動偵檢平臺的研制（二）
——通風系統(tǒng)及環(huán)境控制技術研究

趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城

目的：開展負壓型生物安全二級實驗室氣流組織、環(huán)境及控制技術研究，進行污染控制，防止有害生物因子向外界擴散。方法：采用實驗室階梯壓力和氣流上送下排的設計方法，利用Fluent軟件對實驗間內(nèi)的氣流組織進行數(shù)值模擬，采用定送變排的風量設定及控制方法，進行環(huán)境及控制技術研究，保證實驗室外排空氣潔凈。結果：該技術可使實驗室空氣由清潔區(qū)域流向污染區(qū)域，保證了實驗室環(huán)境參數(shù)及外排空氣潔凈，對外部不造成污染，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的穩(wěn)定控制。結論：通過通風系統(tǒng)設計、環(huán)境及控制技術研究建立的負壓型生物安全二級實驗室通風系統(tǒng)可進行有效的污染控制，可滿足病原微生物實驗室生物安全防護要求。

機動偵檢平臺；通風；環(huán)境控制；生物安全二級實驗室；凈化；負壓

0 引言

機動偵檢平臺是國家“十二五”傳染病防治重大專項課題“新發(fā)突發(fā)傳染病現(xiàn)場應急防控系列機動裝備研發(fā)技術平臺”的一項核心裝備，是負壓型生物安全二級實驗室，是從事病原微生物檢測和科學研究的平臺，其核心目的是控制室內(nèi)生物污染，確保實驗人員不受感染，保證外界環(huán)境不受污染，同時為實驗過程提供清潔的環(huán)境，從而達到相應的生物安全防護水平，因此防止有害病原體向外界擴散是確保實驗室生物安全的關鍵。

GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》對不同等級實驗室的生物安全有非常明確的要求[1]。生物安全防護水平為二級的實驗室操作對象適用于危害程度較低，但能夠引起人和動物疾病，且主要通過接觸傳播，感染后可進行有效治療和預防措施的生物因子，其建設、使用和管理較為寬松；生物安全防護水平為三級的實驗室適用于操作能夠引起人類或動物嚴重疾病，比較容易通過直接接觸或媒介途徑傳播的微生物，其建設、使用和管理等有著非常嚴格的限制。因此本文研制的機動偵檢平臺的防護能力介于二級與三級之間，使用靈活方便，保障要求相對低，代表了移動式生物安全實驗室的發(fā)展方向。本文從生物安全角度出發(fā)，對機動偵檢平臺的氣流組織、空氣凈化、壓力控制等方面開展環(huán)境控制及生物安全防護技術研究，以滿足病原微生物實驗室安全防護的要求，為今后移動實驗室環(huán)境及控制技術研究提供技術借鑒。

1 氣流組織研究

氣流組織是指通過科學地設置送（排）風口位置、規(guī)格、數(shù)量、分配風量以及選用適當?shù)娘L口形式[2]，以便形成從污染概率小區(qū)域流向污染概率大區(qū)域的受控制的氣流。合理的氣流組織形式可以大大降低工作人員被感染的概率，同時可以保證病原體不外泄。為此，GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》中6.3.3.2部分明確要求三級生物實驗室防護區(qū)房間內(nèi)送風口和排風口的布置應符合定向氣流的原則，有利于減少房間內(nèi)的渦流和氣流死角[1]，但對于二級生物實驗室并未作出具體要求。機動偵檢平臺為負壓型生物安全二級實驗室，主要完成危害等級較高的病原體操作，因此本研究依據(jù)三級實驗室的定向氣流要求開展設計。

1.1 氣流組織設計

就實驗室區(qū)域間氣流流向而言，本研究利用階梯壓力來實現(xiàn)實驗室氣流組織單向性，即通過壓力遞減的方式來進行污染控制，具體來說是緩沖間工作壓力高于實驗間工作壓力。因此，氣流由緩沖間流向實驗間形成單向氣流。就區(qū)域內(nèi)氣流組織而言，氣流組織形式多樣，有上送上排、上送下排、對角送排等多種樣式，其根本取決于送風口的形式和布置形式。本研究生物安全實驗室防護區(qū)內(nèi)風口位置設定應符合定向氣流的原則，即由清潔區(qū)域流向污染區(qū)域，房間內(nèi)由污染概率小區(qū)域流向污染概率大區(qū)域，避免渦流和氣流死角，且送排風應不影響其他設備（如生物安全柜）的正常使用[3]。

核心工作間是進行危害實驗操作的區(qū)域，因此實驗間的氣流組織也應符合低風險區(qū)向高風險區(qū)定向流動的原則。采用上送下排和對角送風的氣流控制方式，潔凈空氣由送風管道從清潔側送入，從污染一側排出[4]。在實驗室右側頂部設置送風風道，風道上設置4個送風口，中間位置不設置風口（如圖1所示），其目的是為在實驗臺上避免直吹的實驗操作預留空間，保證實驗環(huán)境的多樣性需求。將核酸檢測系統(tǒng)、免疫檢測系統(tǒng)等相關需人員操作的設備設置在風口側，生物隔離器等容易產(chǎn)生污染氣溶膠的設備設置在污染側（左側）。

實驗間與準備間之間的隔板上設置排風口。準備間內(nèi)空氣經(jīng)由排風口進入實驗間內(nèi)，再經(jīng)由實驗間排風口集中排出，如圖2、3所示。

1.2 氣流組織模擬

實驗間的氣流組織形式為上送下排，即實驗間送、排風口對面布置，實驗間一側設置送風口，另一側下部底角位置處布置一排風口，從理論上形成低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向氣流。送風口風速過高會直接射流至工作臺面從而引起較強的渦流。因此，最終在上部共布置4個上送送風口，以降低風口出風風速。為了驗證設計的合理性，使用Fluent軟件對實驗間內(nèi)的氣流組織進行了數(shù)值模擬。圖4為送風口下方的XY平面的氣流組織，可以看到只在第二和第三風口之間形成了微弱渦流，其他位置渦流并不明顯，說明送風口數(shù)量的增加有效減少了渦流的發(fā)生。圖5為實驗室中間位置XY平面的氣流組織，從氣流流向可以看出實驗間內(nèi)形成了明顯的低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向趨勢流，說明實驗間的送排風設置科學合理。

圖1 實驗室右側風口布置圖

圖2 實驗室左側風口布置圖

圖3 實驗室氣流組織原理圖

圖4 送風口下方XY平面氣流組織

圖5 實驗室中間位置XY平面氣流組織

2 環(huán)境及控制技術研究

污染控制是高等級生物安全實驗室的核心內(nèi)容，其關鍵技術是將實驗室內(nèi)因實驗操作產(chǎn)生的有害生物氣溶膠通過通風換氣、過濾凈化和消毒滅菌等方式進行無害化處理，保證實驗室外排空氣潔凈，對外部不造成污染。機動偵檢平臺是負壓型P2實驗室，其生物安全防護系統(tǒng)接近于BSL-3級實驗室中對通風空調系統(tǒng)的技術要求，因此機動平臺通風及其控制系統(tǒng)涉及生物安全防護關鍵要素，符合GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規(guī)范》中有關BSL-3實驗室要求的強制性條文規(guī)定要求[5]。

參照GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》，機動偵檢平臺實驗室環(huán)境參數(shù)設計見表1。

表1 機動偵檢平臺環(huán)境參數(shù)

2.1 凈化系統(tǒng)設計

本研究設定實驗間與室外負壓差為-40 Pa，正常運行時潔凈度為8級，實驗室外部氣溶膠可隨氣流通過車廂門窗、開孔和縫隙等進入實驗室內(nèi)，因此需要通過送風凈化的方式保證實驗室內(nèi)的潔凈度。

2.1.1 送風系統(tǒng)設計

送風系統(tǒng)流程如圖6所示。實驗室外新風通過初效過濾器濾除掉揚塵、蚊蟲、花粉等大顆粒物質，經(jīng)由空調機組進行冷熱處理，達到預期溫濕度后，通過風機動力作用經(jīng)中效過濾器進一步濾除較大氣溶膠顆粒，在氣流分配箱內(nèi)分成2路，一路送入實驗間內(nèi)，另一路送入準備間內(nèi)。送入實驗間內(nèi)空氣通過定風量閥的自動調節(jié)作用保證送入實驗間內(nèi)氣量恒定，保證換氣次數(shù)穩(wěn)定。設置生物密閉閥，其作用是實驗室在消毒時可關閉閥門，保證實驗室密閉。在實驗室送風口內(nèi)設置4個高效過濾器進行最終凈化處理，保證實驗間內(nèi)空氣潔凈度為8級。送入準備間內(nèi)的氣路中間設置手動風量調節(jié)閥和高效過濾器，以進行壓力調整和保證凈化效果。

2.1.2 排風系統(tǒng)設計

排風系統(tǒng)流程如圖7所示。實驗室排風共有2個部分，一部分是實驗間內(nèi)空氣，經(jīng)過高效過濾裝置凈化處理，通過風量調節(jié)閥門和排風機排出車外，保證外排空氣無污染；另一部分是準備間內(nèi)空氣，準備間內(nèi)常規(guī)運行為正壓環(huán)境，屬于清潔區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)生物污染風險小，將其內(nèi)空氣通過高效過濾后直接排入實驗間內(nèi)，隨實驗間內(nèi)空氣一起處理后排放。

圖6 送風流程圖

圖7 排風流程圖

2.2 壓力及控制系統(tǒng)設計

生物安全實驗室通常采用負壓防護措施[6-7]，防止實驗室內(nèi)污染氣溶膠顆粒通過密封不嚴的門窗、孔口、縫隙等泄漏點逸散。負壓防護是通過控制進出實驗室的風量的方式，使排風量大于送風量，實驗室內(nèi)呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，則實驗室內(nèi)氣溶膠顆粒不會通過泄漏點擴散至外部環(huán)境構成生物危害。

機動偵檢平臺采用定送變排的方式保證實驗室壓力的恒定[8-9]。具體來說，實驗室送風通過風機定頻運行保證實驗室系統(tǒng)總體送風量恒定，通過風量分配器將新風分成2路，一路送入實驗室，另一路送入準備間。送入實驗間內(nèi)的空氣經(jīng)過定風量閥設定調節(jié)，保證送入的風量恒定，即保證實驗室換氣次數(shù)的穩(wěn)定性；排風則通過變風量閥控制外排風量來調整實驗室壓力，由過程控制器采集壓力傳感器的壓差信號，與設定壓力進行比較運算后，控制器根據(jù)壓力偏差控制算法調節(jié)閥門開度進行排風量調整，從而達到所設定的壓力[10]。

準備間內(nèi)的空氣排入實驗間內(nèi)，2個區(qū)域間壓差值為55 Pa，靠自然逸散，則準備間內(nèi)空氣流量很小，且其內(nèi)設備發(fā)熱量較大，難以滿足實驗溫度要求。因此采用動力通風的方式增大緩沖間的排風量，再通過增大風機總送風量，進而增加送入準備間送風量的方式，使得緩沖間換氣次數(shù)大大增加，進而滿足溫濕度要求。

機動平臺的另一項重要功能是進行病原體采樣，即進入污染區(qū)內(nèi)進行樣本采集。車輛進入污染區(qū)后，外部空氣、粉塵、粉末等懸浮氣溶膠顆粒受到生物污染的可能性大大提高，因此有必要對實驗室內(nèi)部進行生物安全防護。常用的污染區(qū)防護方式是采用正壓防護的方式保證實驗室不受外部環(huán)境污染，即在車廂內(nèi)部建立正壓環(huán)境。機動平臺正壓的建立，是在負壓控制的基礎上，采用固定送風，減少排風的方式保證實驗室正壓。通過控制變風量閥的壓力設定，減小閥門開度進而減少閥門通風量，經(jīng)控制器比較運算后實時對壓力進行調整，保證正壓環(huán)境。

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3 結語

通風系統(tǒng)及環(huán)境控制是高等級生物安全實驗室的核心。本文進行通風系統(tǒng)設計，通過分區(qū)設置及風口布置保證氣流組織由清潔區(qū)流向污染區(qū)的單向性，建立負壓型生物安全實驗室，采用環(huán)境及負壓控制技術，開展?jié)崈舳瓤刂坪臀廴究諝馀欧盘幹醚芯?，使實驗室保持一定的負壓及壓力梯度，防止污染物擴散，并采取有效的高效過濾措施，保證外排空氣潔凈，對外部環(huán)境不構成污染，滿足病原微生物實驗室安全防護要求，為生物安全實驗室環(huán)境及其控制技術研究提供了良好的技術參考。

[1]GB 19489—2008 實驗室 生物安全通用要求[S].

[2]袁秋霞.移動式生物安全實驗艙室內(nèi)人機環(huán)境的研究[D].天津：天津大學環(huán)境學院，2006.

[3]謝景欣，王歡，王建鋒，等.負壓二級生物安全實驗室設計關鍵控制點分析[J].暖通空調，2013，43（5）：38-42.

[4]李艷菊，吳金輝，張金明，等.CFD在生物安全實驗室氣流組織研究中的應用[J].潔凈與空調技術，2007（1）：15-17.

[5]GB 50346—2011 生物安全實驗室建筑技術規(guī)范[S].

[6]Word Health Organization.Laboratory biosafety manual[M].3rd ed. Malta：Publications of the World Health Organization，2004.

[7]Johnathan Y.Biosafety in microbiological and biomedical laboratories[M].4th ed.Washington：U S Government Printing Office，1999.

[8]許鐘麟，張益昭，張彥國，等.關于生物安全實驗室送、回風口上下位置問題的討論[J].潔凈與空調技術，2005（4）：15-20.

[9]張宗興，李艷菊，祁建城，等.氣密性高等級生物安全實驗室的負壓控制[J].中國安全科學學報，2010，20（6）：116-124.

[10]張宗興，趙明，衣穎，等.生物安全實驗室效率檢漏型高效空氣過濾裝置的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（7）：18-20.

（收稿：2015-05-01 修回：2015-08-12）

Development of mobile detection platform:research on ventilation system and environmental control technology

ZHAO Ming1,2,ZHANG Zong-xing1,2,YI Ying1,2,WU Jin-hui1,2,HAO Li-mei1,2,LIN Song1,2,QI Jian-cheng1,2
（1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.National Bio-protection Engineering Center,Tianjin 300161,China）

Objective To research the airflow,environment and control technology for negative BSL-2 laboratory to prevent harmful biological agents from spreading to the outside.Methods The laboratory had pressure gradient formed and air blown in from the above and out from the below.Fluent software was used for the numerical simulation of the air flow in the laboratory.With the supply air volume kept constant and exhaust one changed,the environment and control technology were researched to have the exhausted air being clean.Results The air in the laboratory flew from the clean area to the contaminated area,and then the environmental parameters and the cleaning of the exhausted air could be ensured so that the stable control of the laboratory could be realized.Conclusion The research on ventilation system and environmental control technology makes BSL-2 laboratory able to perform contamination control and to meet the requirements of the pathogenic microorganism laboratory for bio safety.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：30-32，35]

mobile detection platform;ventilation;environment control;BSL-2 laboratory;decontamination;negative pressure

R318；Q-338

A

1003-8868（2015）11-0030-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.030

國家科技重大專項課題（2012ZX10004801002）；863計劃課題（SS2014AA021405）

趙 明（1981—），男，副主任，助理研究員，主要從事移動實驗室防護關鍵技術與裝備方面的研究工作，E-mail：zhaom@npec.org.cn。

300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城）；300161 天津，國家生物防護裝備工程技術研究中心（趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城）

祁建城，E-mail：qijc@npec.org.cn