生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)室冬季溫度過(guò)高的原因分析與對(duì)策探討*

谷 鑫 李雪柏 高連勝 王衍海 韓 俊 譚吉賓 呂 陽(yáng)*

中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)病毒病所)為國(guó)家新發(fā)、突發(fā)病毒性傳染病提供全面的技術(shù)支持。病毒病所建立有完善的醫(yī)學(xué)病毒檢測(cè)和研究的實(shí)驗(yàn)室，成功地進(jìn)行了多種病毒的分離鑒定，能夠開(kāi)展病毒病原學(xué)、免疫學(xué)、病毒結(jié)構(gòu)與功能及病毒宿主細(xì)胞相互作用等研究，有效應(yīng)對(duì)了多起病毒病疫情的發(fā)生[1]。病毒病所建立有生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室(biosafety level Ⅲ laboratory，BSL-3)和多個(gè)生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)室(bio-safety level Ⅱ laboratory，BSL-2)。BSL-2的穩(wěn)定運(yùn)行，是相應(yīng)類(lèi)型病毒檢測(cè)鑒定實(shí)驗(yàn)正常開(kāi)展的基礎(chǔ)[2]。

病毒病所BSL-2由自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)直接數(shù)字控制(direct digital control DDC)控制空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥及水閥等設(shè)備工作以保證相應(yīng)的各項(xiàng)空氣和環(huán)境指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，BSL-2存在冬季溫度過(guò)高的問(wèn)題，已不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》(GB19489-2008)規(guī)定，為實(shí)驗(yàn)室規(guī)范運(yùn)行帶來(lái)不利影響。本研究從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱媒、冬季防凍及運(yùn)行管理等方面分析產(chǎn)生溫度過(guò)高現(xiàn)象的原因，提出對(duì)應(yīng)的解決方案，為今后生物安全實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和管理提供參考依據(jù)。

1 溫度過(guò)高對(duì)BSL-2的影響

BSL-2的運(yùn)行要符合《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》(GB19489-2008)中明確規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室溫度宜控制在18～26 ℃范圍內(nèi)[3]。BSL-2溫度過(guò)高會(huì)對(duì)病毒學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大干擾，直接影響實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正常運(yùn)行。

(1)二氧化碳(CO2)培養(yǎng)箱是病毒學(xué)實(shí)驗(yàn)室的核心設(shè)備，病毒敏感細(xì)胞的培養(yǎng)依賴(lài)于此設(shè)備，BSL-2溫度一旦高于國(guó)標(biāo)要求，CO2培養(yǎng)箱將異常工作或停止工作，導(dǎo)致病毒敏感細(xì)胞不能生長(zhǎng)，病毒分離、培養(yǎng)及擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展[4]。

(2)冰箱用于保存各類(lèi)樣本、試劑，BSL-2溫度高于國(guó)標(biāo)要求，將影響冰箱正常散熱，導(dǎo)致樣本失去活性、試劑損壞。

(3)BSL-2溫度過(guò)高還會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室DDC控制器運(yùn)行，無(wú)法保證正常的負(fù)壓梯度、換氣次數(shù)以及定向氣流控制，嚴(yán)重時(shí)可造成核心工作間空氣逆流至緩沖間而出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室周?chē)h(huán)境污染，增加實(shí)驗(yàn)人員暴露的可能性和實(shí)驗(yàn)室感染事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

2 BSL-2供暖原理

BSL-2采用空調(diào)全新風(fēng)機(jī)組熱水方式供暖，供暖鍋爐產(chǎn)生的高溫一次熱媒(70～90 ℃熱水)，由循環(huán)水泵通過(guò)供暖管道將熱媒輸送至板式換熱機(jī)組，經(jīng)板式換熱機(jī)組將降溫后的二次熱媒(50～60 ℃熱水)輸送至各新風(fēng)機(jī)組，室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機(jī)組二次熱媒升溫后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，達(dá)到供暖效果。新風(fēng)機(jī)組通過(guò)水閥、風(fēng)閥的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度控制。供暖原理如圖1所示。

圖1 BSL-2供暖原理圖

2.1 送風(fēng)方式

BSL-2空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣送風(fēng)方式，聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR)實(shí)驗(yàn)室、病原實(shí)驗(yàn)室和血清學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用上送側(cè)下回的方式滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室溫度、壓力和潔凈度的要求[8]。

全空氣送風(fēng)利用負(fù)壓按照一定比例將新風(fēng)吸入風(fēng)道，經(jīng)初效過(guò)濾器完成一次過(guò)濾，過(guò)濾后的新風(fēng)與回風(fēng)混合，經(jīng)表冷段完成冷熱交換，由除濕段或加濕段進(jìn)行除濕或加濕，再經(jīng)中效過(guò)濾器完成二次過(guò)濾，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)，按一定比例送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其送風(fēng)原理如圖2所示。

圖2 BSL-2送風(fēng)原理圖

2.2 排風(fēng)方式

BSL-2排風(fēng)系統(tǒng)為全送直排式，采用全排型生物安全柜和公共排風(fēng)相結(jié)合的方式，將污染區(qū)和半污染區(qū)內(nèi)氣流死角和渦流降至最小程度。首先開(kāi)啟公共排風(fēng)機(jī)，將空氣吸入公共排風(fēng)管道，經(jīng)妥思調(diào)節(jié)閥進(jìn)行風(fēng)量控制，按一定比例送出實(shí)驗(yàn)室外。其次PCR實(shí)驗(yàn)室、病原實(shí)驗(yàn)室配有生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)，開(kāi)啟生物安全柜雙速排風(fēng)機(jī)，將空氣吸入生物安全柜風(fēng)道，經(jīng)妥思調(diào)節(jié)閥進(jìn)行風(fēng)量控制，按一定比例送出實(shí)驗(yàn)室外，并使實(shí)驗(yàn)室壓力達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》(GB19489-2008)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，其排風(fēng)原理如圖3所示。

圖3 BSL-2排風(fēng)原理圖

3 溫度過(guò)高現(xiàn)象原因分析

3.1 設(shè)計(jì)原因

BSL-2冬季供暖和夏季制冷由熱媒(冷媒)、空調(diào)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和末端設(shè)施組成。冬季供暖由供暖鍋爐提供熱媒，夏季制冷由制冷機(jī)組提供冷媒，共同一套供水管道、回水管道和風(fēng)道。其換熱計(jì)算見(jiàn)公式1；

Q=KA△t (1)

式中Q為總換熱量， K為總換熱系數(shù)，A為換熱面積，△t進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差

夏季制冷運(yùn)行中換熱流體水與空氣之間的平均溫差相對(duì)較小，冬季供暖運(yùn)行中換熱流體水與空氣之間的平均溫差相對(duì)較大，空調(diào)機(jī)組在設(shè)計(jì)階段為確保盤(pán)管的性能，以夏季制冷的參數(shù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以冬季供暖的換熱量較大，造成BSL-2冬季供暖溫度較高。

3.2 過(guò)渡季室外溫度不穩(wěn)定

由于冬季供暖夏季制冷共同使用一套供水管道、回水管道和風(fēng)道，所以空調(diào)供應(yīng)分為制冷季、過(guò)渡季和供暖季，每年5-9月為制冷季，10月為過(guò)渡季，11-12月和1-3月為供暖季，4月為過(guò)渡季，過(guò)渡季用于保養(yǎng)和檢修空調(diào)設(shè)備設(shè)施[9]。過(guò)渡季期間空調(diào)系統(tǒng)停止供暖和制冷，利用負(fù)壓按照一定比例將室外新風(fēng)吸入風(fēng)道，經(jīng)初效過(guò)濾器和中效過(guò)濾器完成空氣過(guò)濾，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)，按一定比例送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。由于過(guò)渡季室外環(huán)境溫度較高，造成BSL-2溫度較高。

3.3 冬季防凍

(1)當(dāng)冬季室外溫度較低時(shí)，空調(diào)機(jī)組表冷器存在凍裂的安全隱患，凍裂的主要原因是：①室外新風(fēng)溫度低于熱媒溫度，熱媒溫度過(guò)低，導(dǎo)致管道內(nèi)熱媒因整體溫度低而凍結(jié)，表冷器整體出現(xiàn)凍裂情況；②系統(tǒng)中水流速過(guò)低，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)水結(jié)冰，表冷器基管局部出現(xiàn)凍裂[10]。

(2)為防止冬季表冷器凍裂的情況發(fā)生，在實(shí)際運(yùn)行中將二次熱媒溫度保持在50～60 ℃，以減少表冷器整體凍裂情況的發(fā)生，但50～60 ℃的二次熱媒也造成BSL-2溫度過(guò)高。

(3)為提高系統(tǒng)中的水流速，所有空調(diào)機(jī)組在開(kāi)啟狀態(tài)下水閥開(kāi)度設(shè)定為30%，關(guān)機(jī)狀態(tài)下水閥開(kāi)度設(shè)定為100%，這樣設(shè)定雖然降低了表冷器基管局部?jī)隽训娘L(fēng)險(xiǎn)，但水流速提高也造成BSL-2溫度過(guò)高。

3.4 溫室效應(yīng)

病毒病所各類(lèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室分置于樓體東、西兩側(cè)，冬季依靠空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供暖。東區(qū)BSL-2由9個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組成，西區(qū)BSL-2由4個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組成，每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元由血清學(xué)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)室、病原實(shí)驗(yàn)室和PCR實(shí)驗(yàn)室組成。

BSL-2是全封閉狀態(tài)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元有生物安全柜、-80 ℃超低溫冰箱、-40 ℃低溫冰箱、高壓蒸汽滅菌器和二氧化碳培養(yǎng)箱等常用儀器，部分實(shí)驗(yàn)單元放置大量設(shè)備，已經(jīng)超出實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)計(jì)的散熱能力，導(dǎo)致部分BSL-2溫度較高。另外受日照條件影響，南向?qū)嶒?yàn)室比北向?qū)嶒?yàn)室溫度高。

針對(duì)病毒病所冬季溫度波動(dòng)問(wèn)題，按樓層和朝向選定了溫度波動(dòng)顯著的5間BSL-2，具體實(shí)驗(yàn)室的朝向、設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量、功率及散熱量等見(jiàn)表1和表2。

表1 BSL-2溫室效應(yīng)基本情況

4 過(guò)渡季溫度控制對(duì)策

4.1 設(shè)計(jì)區(qū)分夏季和冬季模式

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別夏季制冷和冬季供暖模式。夏季制冷模式使用面積較小的多排基管，確保盤(pán)管性能，冬季供暖模式采用小溫差、大流量的設(shè)計(jì)，減小盤(pán)管供回水溫差，保證水溫[11]。這樣可以減小換熱流體水與空氣之間的平均溫差，以減小冬季供暖的換熱量，減少BSL-2冬季溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

4.2 設(shè)計(jì)過(guò)渡季風(fēng)冷熱泵機(jī)組

過(guò)渡季期間停止中央空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷，用于保養(yǎng)和檢修中央空調(diào)設(shè)備。BSL-2溫度隨著室外環(huán)境溫度波動(dòng)相應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)，應(yīng)加裝一套風(fēng)冷熱泵機(jī)組，根據(jù)室外溫度變化，提供制冷或供暖，以穩(wěn)定過(guò)渡季BSL-2溫度指標(biāo)。

風(fēng)冷熱泵的基本原理是基于壓縮式制冷循環(huán)，利用冷媒作為載體，通過(guò)風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制換熱，從大氣中吸取熱量或者排放熱量，以達(dá)到制冷或者制熱的需求[12]。

表2 BSL-2散熱設(shè)備基本情況(臺(tái))

4.3 設(shè)計(jì)冬季防凍

將防凍傳感器安裝在新風(fēng)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)段前側(cè)，即迎風(fēng)面才能起到相應(yīng)的預(yù)警作用。當(dāng)室外溫度在0～-5 ℃時(shí)，及時(shí)減少新風(fēng)閥開(kāi)度，以減少新風(fēng)量，加大回風(fēng)閥開(kāi)度，以增加回風(fēng)比例，提高混合風(fēng)溫度。通過(guò)減少溫差，提高水流速，防止凍裂[13]。當(dāng)室外溫度在-5～-15 ℃時(shí)，可以關(guān)閉新風(fēng)閥，停止送風(fēng)機(jī)組，打開(kāi)旁通，將水閥開(kāi)至100%，保持水系統(tǒng)的正常循環(huán)，水溫在50～60 ℃。當(dāng)室外溫度低于-15 ℃時(shí)，關(guān)閉空調(diào)機(jī)組，機(jī)組徹底排水。

表3 BSL-2室內(nèi)溫度基本情況(℃)

4.4 溫室效應(yīng)

配置實(shí)驗(yàn)室設(shè)備時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的散熱能力，符合《疾病預(yù)防控制中心建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50881-2013)[14]和《疾病預(yù)防控制中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)127-2009)的要求，如超出原有設(shè)計(jì)散熱能力，應(yīng)增加單獨(dú)的設(shè)備排風(fēng)系統(tǒng)，有效降低由設(shè)備散熱增加的溫度[15]。

對(duì)南向?qū)嶒?yàn)室的窗戶(hù)進(jìn)行隔熱處理：①選擇對(duì)光和熱有吸收能力的隔熱玻璃，常見(jiàn)隔熱玻璃有吸熱玻璃、鍍膜玻璃和中空玻璃；②玻璃增加防曬隔熱貼膜，以減少日照產(chǎn)生的溫度；③增加窗簾隔熱，使用具有一定隔熱效果帶有隔熱涂層的金屬百葉簾及PVC材質(zhì)的卷簾。

4.5 科學(xué)有效的管理

(1)根據(jù)室外溫度及時(shí)調(diào)整熱媒溫度，當(dāng)室外溫度在0～-5 ℃時(shí)，將板式換熱機(jī)組降溫后的二次熱媒由40～50 ℃降低到30～40 ℃，并減小風(fēng)閥開(kāi)度。通過(guò)降低空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度，以降低BSL-2內(nèi)的溫度。當(dāng)室外溫度低于-5 ℃時(shí)，板式換熱機(jī)組降溫后的二次熱媒保持在40～50 ℃，實(shí)時(shí)減少風(fēng)閥開(kāi)度，以減少新風(fēng)量，降低BSL-2內(nèi)的溫度。

(2)對(duì)每個(gè)位置、朝向和散熱設(shè)備數(shù)量不同的BSL-2對(duì)風(fēng)閥及水閥進(jìn)行有針對(duì)性的逐一調(diào)節(jié)，降低南向?qū)嶒?yàn)室水閥和風(fēng)閥的開(kāi)度，在保持壓力標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的情況下，降低散熱設(shè)備較多實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)閥開(kāi)度，提高排風(fēng)閥開(kāi)度，降低BSL-2溫度。

(3)選定5間BSL-2在10-12月每日9：00、14：00和17：00時(shí)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)出最低溫度、最高溫度及平均溫度(見(jiàn)表3)。

5 結(jié)論

BSL-2冬季溫度過(guò)高的原因是由空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)、過(guò)渡季室外溫度較高、冬季防凍二次熱媒溫度較高、室內(nèi)散熱設(shè)備超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及南向?qū)嶒?yàn)室日照強(qiáng)度等多因素造成，需要采用分夏季制冷和冬季供暖模式設(shè)計(jì)空調(diào)參數(shù)、過(guò)渡季使用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)、冬季防凍采用減少風(fēng)閥開(kāi)度并增加旁通閥門(mén)和南向?qū)嶒?yàn)室使用隔熱玻璃等不同方法逐步解決。因此，管理人員需加強(qiáng)日常監(jiān)控，根據(jù)室外溫度及時(shí)調(diào)節(jié)熱媒溫度，確定風(fēng)冷熱泵啟停時(shí)間；針對(duì)不同季節(jié)，及時(shí)調(diào)整風(fēng)閥及水閥等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以保證生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。