動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過(guò)程的模擬研究

龔光彩 熊照雪 鄧曉瑞 劉激揚(yáng) 安珂慧

摘? ?要：動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室在啟用前需要進(jìn)行熏蒸徹底滅菌消毒以保證室內(nèi)潔凈. 通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸是在送風(fēng)管與排風(fēng)管之間加入熏蒸氣體發(fā)生設(shè)備，通過(guò)室內(nèi)空氣循環(huán)來(lái)促進(jìn)熏蒸氣體擴(kuò)散. 為了研究通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸過(guò)程氣體濃度分布的影響因素，用icem建模以及fluent軟件對(duì)該過(guò)程的不同的時(shí)間、換氣次數(shù)、送風(fēng)形式及溫度分布狀態(tài)下多工況的氣流組織進(jìn)行瞬態(tài)模擬，預(yù)測(cè)并分析熏蒸氣體濃度和濕度的分布規(guī)律. 得出使熏蒸氣體快速達(dá)到滅菌程度的最小換氣次數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，改變送風(fēng)形式可以減少實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的渦流，室內(nèi)溫度隨高度降低有利于熏蒸氣體快速擴(kuò)散的結(jié)論，以便對(duì)熏蒸滅菌進(jìn)行更有效的控制，對(duì)于指導(dǎo)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行有重要意義.

關(guān)鍵詞：動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室;熏蒸;氣流組織;數(shù)值模擬;空氣穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU834.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Simulation Study of Ventilation Fumigation Process in Animal Laboratory

GONG Guangcai?，XIONG Zhaoxue，DENG Xiaorui，LIU Jiyang，AN Kehui

（College of Civil Engineering ，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：The animal laboratory needs to be fumigated and disinfected thoroughly before starting using in order to ensure the cleanness of the room. Ventilation system fumigation provides the fumigation gas generating equipment between air supply pipe and air discharge pipe to promote the fumigation gas diffusion through indoor air circulation. In order to study the influencing factors of gas concentration distribution in the fumigation process of the ventilation system， icem modeling and fluent software were used to carry out the transient simulation of air distribution in different conditions under different times，ventilation times，air supply modes and temperature distribution conditions， and to predict and analyze the distribution law of fumigation gas concentration and humidity. It is concluded that the minimum ventilation rate to quickly reach the sterilization degree decreases with time， the change of the air supply mode can reduce the vortex near the test bench， and the indoor temperature decreases with the height to facilitate the rapid diffusion of fumigation gas， so as to control the fumigation more effectively， which is of great significance to guide the safety of animal experiment.

Key words：animal lab;fumigation;air distribution;simulation;air stability

在制藥和化工方面，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)、三致實(shí)驗(yàn)、以及藥效藥代實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，其在生物制品、食品工業(yè)和輕工業(yè)等方面也發(fā)揮著重要作用. 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室啟用前一般要進(jìn)行甲醛熏蒸殺菌消毒，消毒后落下菌數(shù)量應(yīng)為0～3個(gè)/皿. 在進(jìn)行甲醛熏蒸之后，菌落數(shù)水平總是立即降低[1]. 甲醛熏蒸消毒的本質(zhì)在于使病原體蛋白質(zhì)凝固，蛋白質(zhì)分子烷基化，從而達(dá)到殺菌的目的. 其成本低廉、殺菌徹底，是最傳統(tǒng)廣泛的熏蒸氣體. 熏蒸滅菌分為密閉式熏蒸和通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸. 密閉式熏蒸是將門(mén)窗封閉，用高錳酸鉀和福爾馬林溶液按一定比例配置后加熱蒸發(fā). 通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸是把甲醛熏蒸滅菌儀器安裝于送風(fēng)管和排風(fēng)管之間，需要進(jìn)行甲醛熏蒸時(shí)，將甲醛倒入熏蒸氣體發(fā)生器，打開(kāi)送回風(fēng)管關(guān)閉系統(tǒng)新風(fēng)和排風(fēng)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，氣體擴(kuò)散30 min后，停止送回風(fēng)系統(tǒng). 甲醛熏蒸應(yīng)當(dāng)在室溫不低于21 ℃且相對(duì)濕度為70%的條件下進(jìn)行[2]. 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)中，在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)總管處應(yīng)安裝氣密型調(diào)節(jié)閥門(mén)，必要時(shí)可完全關(guān)閉閥門(mén)以進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)熏蒸消毒. 實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)風(fēng)應(yīng)經(jīng)初、中、高效三級(jí)過(guò)濾.? 實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)必須經(jīng)高效過(guò)濾或加其他方法處理后向空中排放[3]. 消毒時(shí)不能留死角，且保證消毒藥的濃度和消毒時(shí)間.

許多學(xué)者對(duì)生物實(shí)驗(yàn)室的氣流組織進(jìn)行了模擬，但尚未有對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過(guò)程的模擬. 耿文清等[4]對(duì)BSL-3主實(shí)驗(yàn)室2種通風(fēng)方式的氣流運(yùn)動(dòng)和氣溶膠顆粒濃度分布與排除進(jìn)行數(shù)值研究. 李艷菊等[5]利用CFD技術(shù)研究了生物安全實(shí)驗(yàn)室兩種不同氣流組織下室內(nèi)流場(chǎng)的分布.許鐘麟等[6]認(rèn)為用于生物安全實(shí)驗(yàn)室的氣流組織中上送下回能把污染物迅速排出. 李江龍等[7]對(duì)三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室兩種排風(fēng)方式進(jìn)行了研究. 宋黎等[8]對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流和生物顆粒物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬. 高立江等[9]利用 AIRPAK2.1 對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室的細(xì)菌、灰塵濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬. 李在秋等[10]研究潔凈室環(huán)境中空氣速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)潔凈室功效的影響. 蔣新波等[11]對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物籠架擺放幾種方式下的氣流組織進(jìn)行了模擬. 曹?chē)?guó)慶等[12]分析了密閉熏蒸消毒、通風(fēng)大系統(tǒng)消毒2種消毒模式的原理和優(yōu)缺點(diǎn). 本文用CFD方法模擬研究了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過(guò)程不同工況下氣體濃度的瞬態(tài)分布規(guī)律及其影響因素.

1? ?研究對(duì)象

以湖南省長(zhǎng)沙某動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室為模型進(jìn)行模擬研究. 實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)4 m，寬1.8 m，高2.4 m. 室內(nèi)有一個(gè)靠墻的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，長(zhǎng)3 m，寬0.6 m，高0.85 m. 房間頂部中間為一個(gè)邊長(zhǎng)0.5 m的正方形送風(fēng)口，4個(gè)墻角設(shè)置長(zhǎng)0.3 m，寬0.2 m的排風(fēng)口. 熏蒸過(guò)程中實(shí)驗(yàn)室為空態(tài)，無(wú)動(dòng)物、人員、內(nèi)熱源. 換氣次數(shù)為25次/h，循環(huán)風(fēng)量為432 m3/h，送風(fēng)溫度為27 ℃，送風(fēng)風(fēng)速為0.48 m/s. 當(dāng)甲醛濃度為8～16 mg/L，相對(duì)濕度為70%～75%時(shí)熏蒸的消毒殺菌效果良好[13]. 當(dāng)室內(nèi)的濕度大于65%，溫度為24～40 ℃時(shí)，熏蒸的殺菌消毒效果最好[14]. 且當(dāng)甲醛濃度為10.6 mg/L，相對(duì)濕度為70%時(shí)能殺滅朊病毒外所有的微生物及芽孢[15]. 送風(fēng)入口處甲醛濃度為9 mg/L，通過(guò)化學(xué)質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.006 97，入口濕度為75%，通過(guò)查焓濕圖換算成水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.016 7. 圖1為實(shí)驗(yàn)室平面圖. 圖2為icem模型圖. 其中用數(shù)字標(biāo)出代表不同的型號(hào)和功能的風(fēng)口，1為1個(gè)0.5 mx 0.5 m方形送風(fēng)口，2為2個(gè)0.5 m × 0.25 m條形送風(fēng)口，3為4個(gè)0.25 m × 0.25 m方形送風(fēng)口，4為4個(gè)排風(fēng)口. 圖3為熏蒸系統(tǒng)圖. 圖4為熏蒸流程圖. 熏蒸時(shí)只關(guān)閉新風(fēng)閥和排風(fēng)閥，打開(kāi)送風(fēng)閥和回風(fēng)閥，開(kāi)啟風(fēng)管中的風(fēng)機(jī)，控制風(fēng)量和風(fēng)速使空氣循環(huán). 圖5為網(wǎng)格質(zhì)量圖.

2? ?研究方法

2.1? ?數(shù)學(xué)方程

模擬熏蒸過(guò)程使用的數(shù)學(xué)模型有能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程、組分質(zhì)量守恒方程. 式（1）中為T(mén)時(shí)代表能量方程，為U時(shí)代表動(dòng)量方程，為1時(shí)代表連續(xù)性方程，為C時(shí)代表組分輸運(yùn)方程[16]. 其中連續(xù)性方程的Γ與S均為0. 熏蒸氣體假設(shè)為粘性不可壓牛頓流體，其通用控制方程可表示為：

= Sφ - [Δ][（ρUφ） - Γφ[Δ]φ]? ?（1）

2.2? ?邊界條件

通過(guò)在動(dòng)物房取點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到室內(nèi)運(yùn)行后換氣次數(shù)為15次/h的房間中心平均溫度為25.8 ℃，濕度為58.4%，實(shí)驗(yàn)臺(tái)中點(diǎn)的平均溫度為24.2 ℃，濕度為62.1%. 室內(nèi)熏蒸的初始狀態(tài)即實(shí)驗(yàn)前的無(wú)內(nèi)熱源、無(wú)熏蒸氣體狀態(tài). 模型和網(wǎng)格用icem軟件建立形成，選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，經(jīng)檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量發(fā)現(xiàn)無(wú)負(fù)體積網(wǎng)格、質(zhì)量良好. 送風(fēng)口為velocity速度入口，排風(fēng)口為outflow自由出口，墻壁與實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面貼保溫層和不銹鋼鋼板，傳熱影響不明顯，故使用絕熱壁面邊界條件. 熏蒸的溫度、濕度均要高于運(yùn)行時(shí)的溫度、濕度，故初始邊界條件的溫度為27 ℃，即300 K，濕度為75%，室內(nèi)甲醛為0 mg/L，計(jì)算時(shí)用simple速度壓力耦合算法，二階迎風(fēng)格式，低雷諾數(shù)湍流模型以及組分輸運(yùn)模型. 先用穩(wěn)態(tài)模擬室內(nèi)流場(chǎng)，fluent軟件計(jì)算10 000收斂后再用瞬態(tài)模擬計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，總共迭代2 000步，每步迭代20次，每200步記錄一次數(shù)據(jù).

3? ?結(jié)果分析

3.1? ?時(shí)間對(duì)熏蒸氣體濃度的影響

先用fluent軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)室布置一個(gè)送風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)風(fēng)速為0.48 m/s，換氣次數(shù)為25次/h的室內(nèi)27 ℃恒溫工況，再用tecplot軟件后處理，得到瞬態(tài)模擬結(jié)果. 從中分別選取了不同時(shí)刻的X =0.9截面和Y = 2截面上的甲醛氣體濃度分布的等值線(xiàn)云圖進(jìn)行對(duì)比分析如下. 由圖6～圖9可知擴(kuò)散800 s時(shí)X平面上氣體濃度在中部氣流中較大，左側(cè)角落里濃度偏高，右側(cè)濃度較低. Y平面上氣體由送風(fēng)氣流帶動(dòng)下向周?chē)饾u擴(kuò)散，濃度從中間向周?chē)饾u減小，左上角和右上角的濃度較低. 擴(kuò)散1 200 s時(shí)最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006 966，最低濃度為8.995 11 mg/L. 最小濕度為76.1%. X平面左側(cè)和右側(cè)的低濃度區(qū)域進(jìn)一步縮小，下側(cè)氣體濃度增加. Y平面上氣體最低濃度增大，右側(cè)氣體濃度差異減小. 隨時(shí)間延長(zhǎng)，氣體擴(kuò)散范圍越大，室內(nèi)最低氣體濃度越高，空間整體氣體濃度越均勻.

3.2? ?換氣次數(shù)對(duì)氣體濃度和濕度的影響

為比較換氣次數(shù)對(duì)熏蒸氣體擴(kuò)散的影響，改變風(fēng)量和風(fēng)速，計(jì)算了換氣次數(shù)為20 次/h和/30 次/h的工況，分別將入口風(fēng)速改為0.384 m/s、0.576 m/s，以原模型先用穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后再用瞬態(tài)計(jì)算. 各取其1 200 s.結(jié)果如下：換氣次數(shù)為20 次/h的最低氣體濃度為8.995 1 mg/L，超過(guò)了滅菌的閾值，最低濕度為76.1%. 換氣次數(shù)為30 次/h的最低濃度為8.999 17 mg/L，最低濕度為76.2%. 由圖10～圖13可知當(dāng)換氣次數(shù)增大時(shí)，相同時(shí)間的氣體濃度分布范圍更大，濃度梯度更小. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方角落的氣體濃度越高，越能避免產(chǎn)生熏蒸氣體不足和不充分殺菌消毒的死角. 通過(guò)模擬10個(gè)典型工況對(duì)換氣次數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，圖14表示當(dāng)氣體擴(kuò)散400 s達(dá)到

8 mg/L，最低換氣次數(shù)為15 次/h，而當(dāng)氣體擴(kuò)散800 s時(shí)濃度達(dá)到8 mg/L，最低換氣次數(shù)為7 次/h. 而當(dāng)氣體擴(kuò)散時(shí)間大于1 200 s時(shí)換氣次數(shù)為5次/h也能達(dá)到濃度要求. 圖15表示濕度達(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù). 當(dāng)氣體擴(kuò)散400 s時(shí)為14 次/h，當(dāng)氣體擴(kuò)散800 s時(shí)最低換氣次數(shù)為7 次/h. 因此換氣次數(shù)越小，氣體濃度和濕度達(dá)到要求的擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng).

3.3? ?送風(fēng)形式對(duì)氣體濃度和濕度的影響

將一個(gè)送風(fēng)口改為如圖1所示的2個(gè)長(zhǎng)0.5 m，寬0.25 m的送風(fēng)口和4個(gè)邊長(zhǎng)為0.25 m的送風(fēng)口后模擬了0.48 m/s風(fēng)速的1 200 s時(shí)氣體濃度分布. 2個(gè)條形送風(fēng)口的最小濃度為8.984 04 mg/L，最低濕度為76.1%. 布置4個(gè)正方形送風(fēng)口的最小濃度為8.993 24 mg/L，最低濕度為76.2%. 由圖16～圖19可知，當(dāng)布置2個(gè)矩形送風(fēng)口時(shí)氣體濃度只在房間中央上方部分濃度較低，而在房間靠墻部分的濃度相對(duì)較高，比一個(gè)送風(fēng)口對(duì)氣體擴(kuò)散的促進(jìn)作用更大. 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方仍存在濃度較低的區(qū)域，不利于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)快速殺菌消毒. 當(dāng)布置4個(gè)正方形送風(fēng)口時(shí)，房間中央的氣體濃度比一個(gè)送風(fēng)口和兩個(gè)送風(fēng)口時(shí)高，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方可以直接受到氣流的吹送而減少渦流的影響，濃度迅速上升，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面熏蒸的效果最好. 房間的頂角部分區(qū)域有可能產(chǎn)生氣體最低濃度. 圖20為3種工況下氣體最低濃度隨時(shí)間變化圖，圖21為最低濕度隨時(shí)間變化圖. 可知?dú)怏w擴(kuò)散相同時(shí)間時(shí)，2個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃度和濕度最低，4個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃和濕度度居中，一個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃度和濕度最高.

3.4? ?溫度分布對(duì)氣體濃度和濕度的影響

為比較不同室內(nèi)溫度分布對(duì)熏蒸氣體擴(kuò)散時(shí)濃度的影響，以0.48 m/s時(shí)房間溫度恒定27 ℃為基礎(chǔ)，模擬了4個(gè)不同溫度分布的工況與之對(duì)比，分別是地面為25 ℃，天花板為29 ℃;地面為29 ℃，天花板為25 ℃;地面為22 ℃，天花板為32 ℃;地面為32 ℃，天花板為22 ℃. 由圖22～圖27可知當(dāng)?shù)孛鏈囟雀?，天花板溫度低時(shí)，為不穩(wěn)定性工況，氣體擴(kuò)散程度劇烈，湍流增強(qiáng)，促進(jìn)了氣體最低濃度的升高，反之則為穩(wěn)定性工況.因此溫度梯度隨高度降低有利于氣體擴(kuò)散. 圖26為5種工況下氣體最低濃度隨時(shí)間變化圖，圖27為最低濕度隨時(shí)間變化圖. 當(dāng)溫度恒定為27 ℃時(shí)濕度變化幅度最小且能達(dá)到熏蒸要求濕度60%以上，而當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?9 ℃，天花板溫度為25 ℃時(shí)濕度會(huì)降低到60%以下，熏蒸滅菌效果減弱. 當(dāng)房間底部溫度為25 ℃，頂部溫度為29 ℃時(shí)的濕度和氣體濃度最低，不利于氣體均勻分布. 增大溫差后氣體最低濕度明顯下降. 室內(nèi)溫差10 ℃的最低濕度遠(yuǎn)低于室內(nèi)溫差5 ℃的最低濕度.

3.5? ?模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取了實(shí)際大小與模型一致的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室用溫濕度測(cè)量?jī)x進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖28為實(shí)驗(yàn)室照片，圖29為溫度濕度測(cè)量?jī)x照片，圖30為實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖.

各個(gè)測(cè)點(diǎn)濕度模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖31所示，模擬熏蒸氣體擴(kuò)散過(guò)程的濕度高于運(yùn)行過(guò)程中的濕度，誤差在合理的范圍內(nèi).

甲醛熏蒸的殺菌效果由多種因素共同影響，主要包括溫度、濕度、甲醛濃度、作用時(shí)間. 文獻(xiàn)[17]中提出檢驗(yàn)甲醛熏蒸殺菌效果的殺菌指數(shù)達(dá)到6～8可以徹底消毒，可知當(dāng)濕度為70%，溫度為27 °C，甲醛濃度為9 mg/L，作用時(shí)間為4.41h，殺菌指數(shù)大于6，達(dá)到消毒條件.

4? ?結(jié)? ?論

通過(guò)對(duì)以上多種工況的模擬得到如下結(jié)論：

1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氣體擴(kuò)散范圍更大，濃度分布更均勻，熏蒸的效果更好. 熏蒸氣體在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方的濃度較低與角落處的渦流有關(guān)，角落處的渦流會(huì)減弱氣體擴(kuò)散的速率，抑制熏蒸氣體濃度上升.

2）增大換氣次數(shù)使氣體濃度和濕度快速上升，減小墻角處的渦流區(qū)域，促進(jìn)消毒滅菌. 熏蒸需要的換氣次數(shù)臨界值隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小. 氣體擴(kuò)散400 s時(shí)達(dá)到8 mg/L的最低換氣次數(shù)為15次/h，而當(dāng)氣體擴(kuò)散800 s時(shí)達(dá)到8 mg/L的最低換氣次數(shù)為7次/h. 當(dāng)氣體擴(kuò)散400 s時(shí)使?jié)穸冗_(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù)為14次/h，當(dāng)氣體擴(kuò)散800 s時(shí)使?jié)穸冗_(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù)為7次/h.

3）地面溫度高于天花板的溫度使氣體最低濃

度增大，最低濕度降低，反之使氣體最低濃度和濕度都降低. 即不穩(wěn)定性工況有利于氣體濃度上升. 穩(wěn)定性工況的氣體湍流受到抑制，濃度擴(kuò)散速度更慢. 室內(nèi)溫差縮小有利于濕度增大. 溫度恒定熏蒸時(shí)的濕度最高.

4）改變送風(fēng)形式，增加送風(fēng)口并分散布置可促進(jìn)氣流的快速擴(kuò)散，減少實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的渦流，但不一定會(huì)迅速提高室內(nèi)氣體最低濃度. 1個(gè)送風(fēng)口時(shí)最低氣體濃度和濕度最高，4個(gè)送風(fēng)口時(shí)最低氣體濃度和濕度居中，2個(gè)送風(fēng)口時(shí)最低氣體濃度和濕度最低.

通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸比傳統(tǒng)的密閉室內(nèi)熏蒸的方法更快速便捷，在送風(fēng)和排風(fēng)管道之間加入熏蒸氣體發(fā)生裝置，避免人員直接接觸消毒藥物以保證操作人員安全，且可以對(duì)風(fēng)管內(nèi)部殺菌，作用范圍更廣，消毒更徹底. 通過(guò)模擬通風(fēng)熏蒸過(guò)程，確定合理的消毒時(shí)間和熏蒸氣體濃度，改變影響氣體分布的因素，從而使之達(dá)到良好的消毒效果.

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