某疾控中心大樓生物安全柜及通風(fēng)柜空調(diào)設(shè)計

李婕

上海市衛(wèi)生建筑設(shè)計研究院有限公司

某CDC 疾控中心標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)項目的實驗辦公綜合樓面積18370 m2，地上10 層，地下1 層，建筑高度48.7 m。地下1 層汽車庫，1～4 層業(yè)務(wù)診室、行政會議中心，5～RF 總面積7000 m2為微生物、理化實驗室，設(shè)備層690 m2在7～8 層之間。本文主要介紹5 層以上實驗室的通風(fēng)空調(diào)方案的選擇及設(shè)計。

1 實驗室設(shè)計方案比選

1.1 實驗室安全設(shè)備簡介

生物、理化實驗室內(nèi)根據(jù)實驗要求，設(shè)置相應(yīng)的生物安全柜、通風(fēng)柜、萬向罩、高溫排氣罩等隔離生物學(xué)危險的一系列安全操作設(shè)備。生物安全柜是為了實驗人員的安全，把處理病原體時有可能感染的污染氣溶膠隔離在可控制的操作區(qū)內(nèi)，它是保護人員、環(huán)境、受試樣本的第一道防御裝置。生物安全柜[1]根據(jù)防護對象及排風(fēng)方式分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級別，如表1 所示。

表1 生物安全柜型號分類

通風(fēng)柜又稱柜式排風(fēng)罩，化學(xué)實驗通過管道排出實驗操作的揮發(fā)性有害氣體、氣溶膠、微粒，按照氣流運動特點分為吹吸式及吸氣式，有效隔斷室內(nèi)氣流干擾并控制污染源。根據(jù)實驗冷熱性質(zhì)的不同，排風(fēng)口隨柜內(nèi)實驗發(fā)熱量的比例變化，調(diào)節(jié)上下部排風(fēng)比例，使有害氣體高效快速排出。本工程通風(fēng)量取1500 m3/(h·臺)，補風(fēng)量60%。

萬向抽氣罩主要應(yīng)用于食品檢測實驗室、藥品檢測實驗室、生物實驗室等，專用于實驗中廢氣、熱氣、揮發(fā)性氣體等小顆粒狀浮旋物的抽取，減少實驗中與易燃易爆、腐蝕性、毒性氣體的接觸時間。耐酸堿腐蝕，使用壽命長，結(jié)構(gòu)靈活，連接設(shè)計方便、輕巧，能輕松完全收集實驗氣體。本工程抽風(fēng)量取350 m3/(h·臺)。

高溫排氣罩是實驗室中集中快速排放熱量的設(shè)備，使高溫設(shè)備對室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷影響降到最低，一般用于熱室、原子熒光室、原子吸收室、ICP/ICPMS 室等。本工程排風(fēng)量取500 m3/(h·臺)。

1.2 兩種實驗室方案設(shè)計原理

生物安全實驗室的通風(fēng)設(shè)計在滿足人員舒適的條件下還需要控制生物學(xué)危險的發(fā)生，出于對病原微生物的防護要求，實驗室內(nèi)設(shè)備無論運行、停止、故障，都要24 h 保持實驗單元房間的負(fù)壓，避免有害污染物泄露，確保安全。以一個簡單的實驗室為設(shè)計單元，考慮兩種通風(fēng)設(shè)計方案。

1）方案1：定送變排

以Ⅱ級A2 型生物安全柜為例，如圖1 所示。實驗室總送風(fēng)管上設(shè)置CAV 定風(fēng)量閥，送入的新風(fēng)量保持不變，全面排風(fēng)設(shè)置相應(yīng)的排風(fēng)量確保實驗單元處于必要的負(fù)壓，當(dāng)生物安全柜定風(fēng)量排風(fēng)閥開啟，室內(nèi)壓力瞬間波動，傳感器迅速將傳遞信號給全面排風(fēng)變風(fēng)量風(fēng)閥，在安全柜操作推拉窗上下活動的過程中為保持操作斷面平均進風(fēng)速度恒定，通過全面排風(fēng)的VAV 變風(fēng)量閥門控制進入安全柜的風(fēng)量。

圖1 定送變排系統(tǒng)

2）方案2：變送定排

此方案如圖2 所示，室內(nèi)全面排風(fēng)總管安裝CAV定風(fēng)量風(fēng)閥，保障室內(nèi)時刻處于負(fù)壓狀態(tài)，送入室內(nèi)新風(fēng)控制在最低檔。隨著生物安全柜開啟的過程，送風(fēng)量也隨之變大，傳感器及時采集安全柜不同時刻變化的排風(fēng)量，將穩(wěn)定可靠的信號傳遞給室內(nèi)VAV 新風(fēng)變風(fēng)量閥，送入的總新風(fēng)量隨安全柜的變風(fēng)量不斷變化，需要較高的控制靈敏度及精度。

圖2 變送定排系統(tǒng)

1.3 設(shè)計方案優(yōu)缺點比選

兩種送排風(fēng)系統(tǒng)均在實際工程設(shè)計案例中有所體現(xiàn)，本文根據(jù)系統(tǒng)自身特點及不同工程具體使用情況，對兩種方案從不同方面進行優(yōu)缺點比較，從而比選出適合本實驗大樓的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案。

1.3.1 系統(tǒng)故障

無論生物實驗室安全運行還是事故發(fā)生至人員安全撤離期間，實驗室內(nèi)都要確保必要的負(fù)壓。系統(tǒng)運行時的故障主要有：排風(fēng)系統(tǒng)故障，送風(fēng)系統(tǒng)故障，壓力及風(fēng)量傳感器故障。其中排風(fēng)機及排風(fēng)變頻器故障對整個系統(tǒng)是極端惡劣的。有條件的實驗室須配置備用排風(fēng)機和備用排風(fēng)變頻器。

方案1 對排風(fēng)系統(tǒng)故障提出了更加嚴(yán)苛的要求，送風(fēng)管的CAV 定風(fēng)量閥使得送入室內(nèi)的風(fēng)量是恒定不變的，無論生物安全柜排風(fēng)或全面排風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)故障，哪怕出現(xiàn)1s 的故障，安全柜室內(nèi)或?qū)嶒灧块g均有可能出現(xiàn)正壓狀況。實際運行中，傳感器接收故障信號到控制中心發(fā)出關(guān)閉送風(fēng)閥信號等一系列操作還需要幾秒到十幾秒時間[2]，更是增加了系統(tǒng)的危險系數(shù)，傳感器靈敏度的優(yōu)劣，風(fēng)機執(zhí)行動作的快慢均可產(chǎn)生致命的影響。

方案2 實驗中生物安全柜斷面上下移動，為了保持安全柜斷面風(fēng)速恒定，安全柜的變風(fēng)量排風(fēng)閥隨之改變閥門開度，室內(nèi)開始產(chǎn)生壓力差，控制中心傳感器根據(jù)室內(nèi)壓力波動信號反饋給送風(fēng)閥，送風(fēng)量隨著安全柜的排風(fēng)量變化而變化。在排風(fēng)設(shè)備突發(fā)故障期間，室內(nèi)全年排風(fēng)始終維持在一個恒定值，送風(fēng)量是可變的，這為系統(tǒng)反應(yīng)及人工操作恢復(fù)設(shè)備運行爭取一定的安全時間。

1.3.2 空調(diào)能耗

定送變排系統(tǒng)送風(fēng)量恒定，因此空調(diào)新風(fēng)能耗不變，在生物安全柜不工作的情況下，為了維持室內(nèi)負(fù)壓，室內(nèi)全面排風(fēng)量需要加大，大量經(jīng)過冷熱處理的新風(fēng)排出室外導(dǎo)致能源浪費，若是室內(nèi)采用多臺生物安全柜，在不工作的情況下，能耗損失更加嚴(yán)重。這種系統(tǒng)一般用于對整體潔凈度要求級別很高的生物潔凈室，室內(nèi)以送風(fēng)為標(biāo)準(zhǔn)，因此為了潔凈度會犧牲空調(diào)能耗。

定送變排系統(tǒng)中送入室內(nèi)處理過的新風(fēng)量是變化的，當(dāng)生物安全柜不工作時其自身的排風(fēng)系統(tǒng)也不工作，生物安全柜這一路信號傳輸給控制中心，送風(fēng)系統(tǒng)接收操作信號使得維持室內(nèi)正常換氣次數(shù)的情況下保證最小新風(fēng)即可，避免大馬拉小車的情況，節(jié)約不必要的能源損耗。

1.3.3 排風(fēng)管阻力平衡控制

生物安全柜與室內(nèi)全面排風(fēng)均獨自排風(fēng)，避免生物安全柜工作時室內(nèi)產(chǎn)生倒流，防止相互干擾。實驗室內(nèi)只有1 臺生物安全柜時兩者排風(fēng)機分別工作，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)2～3 臺生物安全柜同時工作情況下，存在兩個問題：1）生物安全柜排風(fēng)總管的風(fēng)量平衡問題。方案1 中排風(fēng)總管風(fēng)量成倍增加，方案2 中排風(fēng)總管時刻波動變化。2）全面排風(fēng)總管的風(fēng)量平衡問題。方案1 排風(fēng)總管時刻波動變化，方案2 總排風(fēng)管風(fēng)量恒定不變。

方案1 中安全柜排風(fēng)量是成倍增加的，若多臺生物安全柜各自單獨排風(fēng)，不存在排風(fēng)總管阻力平衡問題。若串聯(lián)為1 個系統(tǒng)排風(fēng)，每增開1 臺安全柜風(fēng)量，排風(fēng)機風(fēng)量也是成倍增加，風(fēng)管內(nèi)阻力難以平衡，風(fēng)機也很難選到合適的型號。假設(shè)2 臺Ⅱ級A2 型生物安全柜接在一個系統(tǒng)排風(fēng)時，根據(jù)風(fēng)量與風(fēng)壓平方（L1/L2=P1/P21/2）關(guān)系計算，1 臺安全柜排風(fēng)量600 m3/h時機外余壓500 Pa，風(fēng)量增至1200 m3/h 時機外余壓變?yōu)?000 Pa。按管網(wǎng)特性方程式P=SL2計算，由于合用一套管路，阻力系數(shù)確定，風(fēng)量增加使系統(tǒng)阻力增加4倍，排風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)壓不能完全克服風(fēng)系統(tǒng)阻力。串聯(lián)時風(fēng)壓變化太大，大壓差情況下風(fēng)阻大，噪音也大，若沒有合適的風(fēng)機型號選擇，考慮到阻力平衡建議排風(fēng)機分開設(shè)置[3]。若建筑平面緊張缺乏井道條件，采取2～3 臺安全柜串聯(lián)，排風(fēng)比例可以分為4 檔，考慮同時使用系數(shù)K，1 臺開啟時采用全部排風(fēng)的100%，2 臺開啟時70%，3 臺開啟時60%。也可按風(fēng)量－風(fēng)壓性能曲線，當(dāng)施工完成后，管網(wǎng)性能曲線固定，而改變風(fēng)機性能曲線必然要實施的，也是可行的。將1200 m3/h 的排風(fēng)機風(fēng)機，設(shè)計成二臺600 m3/h 的相同性能曲線的風(fēng)機并聯(lián)，當(dāng)運行2 臺安全柜時，開2 臺風(fēng)機。1 臺風(fēng)機單獨工作時的風(fēng)量大于并聯(lián)工作時每臺風(fēng)機的風(fēng)量，2 臺風(fēng)機并聯(lián)工作時，其并聯(lián)工作時的風(fēng)量不是比1臺工作時的風(fēng)量成倍數(shù)增加（L1+L2＜2 L1）。因此在選擇風(fēng)機時，考慮相同型號風(fēng)機在并聯(lián)運行時均處在風(fēng)量高效率工作點，選擇風(fēng)量略大于單臺風(fēng)機風(fēng)量的型號。方案1 的全面排風(fēng)量是不斷變化的，每間實驗室排風(fēng)量受到安全柜開啟數(shù)量影響，總排風(fēng)管風(fēng)量受到每間實驗室支管風(fēng)量影響。

方案2 中全面排風(fēng)量是恒定不變的，總排風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。生物安全柜排風(fēng)是根據(jù)實驗要求變風(fēng)量調(diào)節(jié)的，排風(fēng)機風(fēng)量不用成倍增長，管網(wǎng)特性曲線變化平穩(wěn)，平衡性能較好且易于調(diào)節(jié)。

1.3.4 室內(nèi)壓差波動控制

實驗室內(nèi)需要24 h 保證負(fù)壓，排風(fēng)量與送風(fēng)量始終維持一個風(fēng)量差或者室內(nèi)壓力數(shù)值始終維持在一個穩(wěn)定數(shù)值。有兩種控制模式：一種是VAV 控制系統(tǒng)，由通風(fēng)柜數(shù)據(jù)采集器，VAV 閥門及其控制器件組成，房間瞬間波動參數(shù)及時反饋給控制器，聯(lián)動控制VAV 閥門開啟程度。另一種是BA 樓宇自控系統(tǒng)，由控制模塊、末端采集設(shè)備、上位機組成，再經(jīng)PLC 或DDC 數(shù)據(jù)分析后控制變風(fēng)量風(fēng)閥，后期由弱電供應(yīng)商施工完成[4]。

方案1 對風(fēng)量傳感器靈敏度要求高，控制執(zhí)行中心響應(yīng)速度快，安全柜的定風(fēng)量開啟的瞬間室內(nèi)壓力波動巨大，排風(fēng)總管波動瞬時增大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。方案2 的安全柜排風(fēng)和送風(fēng)量均是變風(fēng)量，系統(tǒng)有一個緩慢變化的過程，在傳感器原件反應(yīng)間隙內(nèi)始終維持實驗室穩(wěn)定的負(fù)壓。

1.3.5 成本造價

多臺生物安全柜在串聯(lián)排風(fēng)做不到的情況下，單獨排風(fēng)增加了設(shè)備成本，施工成本。變風(fēng)量風(fēng)閥采用壓力無關(guān)型文丘里調(diào)節(jié)閥，此閥具有不受風(fēng)管壓力變化影響，調(diào)節(jié)精確高（±5%），風(fēng)量控制范圍廣（60～10000 m3/h），反應(yīng)迅速（小于1 s）等特點，但比較昂貴，適合應(yīng)用在有毒有害，化學(xué)實驗室及生物安全實驗室等場所。因為要考慮人身安全問題，系統(tǒng)壓差控制必須是高精度、高可靠性的。對此，通過使用定風(fēng)量閥可以嚴(yán)格控制潔凈室或?qū)嶒炇宜惋L(fēng)量、排風(fēng)量，從而形成穩(wěn)定的壓差風(fēng)量，控制潔凈室或?qū)嶒炇覊翰罘€(wěn)定。方案1 僅使用1 個文丘里閥，方案2 使用2 個，閥門成本略高。

1.3.6 調(diào)試難度

方案1 送風(fēng)量與生物安全柜排風(fēng)量均為定風(fēng)量閥，僅需要對唯一的全面排風(fēng)VAV 閥進行調(diào)試，大大簡化了風(fēng)閥運行調(diào)試難度，但是成倍增加的安全柜排風(fēng)機調(diào)試有一定的難度，需要找到合適的風(fēng)機運行曲線。方案2 有2 個VAV 風(fēng)閥需要根據(jù)通風(fēng)柜移門大小、運行數(shù)量現(xiàn)場調(diào)試，使用變風(fēng)量閥對房間進行調(diào)控，使送風(fēng)管閥流量追蹤排風(fēng)管閥流量，才可形成穩(wěn)定的壓差風(fēng)量，控制潔凈室或?qū)嶒炇覊翰罘€(wěn)定，也有一定的調(diào)試難度。

表2 為兩種方案優(yōu)缺點對比表。綜上所述，定送變排適用于室內(nèi)整體潔凈度要求級別很高的生物潔凈實驗室，一般的生物理化實驗室采用變送定排系統(tǒng)安全度較高，能耗低運行變化平緩，因此本工程選用變送定排設(shè)計方案。

表2 優(yōu)缺點對比表

2 實驗樓層空調(diào)設(shè)計

實驗樓5～RF 為實驗室，層高4.5 m，每層樓的實驗功能及實驗設(shè)備型號數(shù)量見表3。

通風(fēng)柜設(shè)計以10F 的無機樣品處理室為例，方案設(shè)計如下：面積45 m2，凈高3 m，新風(fēng)經(jīng)過初中高效過濾器維持房間4～5 次/h，房間縫隙滲透1～2 次/h，靈活開啟的VRF 室內(nèi)機保持內(nèi)循環(huán)6 次/h，確保室內(nèi)換氣次數(shù)總和為12 次/h。國外實驗室要求整個實驗室12 次/h 全新風(fēng)送入，國內(nèi)《疾病預(yù)防控制中心建筑技術(shù)規(guī)范》[5]中明確：化學(xué)實驗室保持負(fù)壓，最小換氣量在6～8 次/h，基于我國國情考慮，本設(shè)計在系統(tǒng)合理安全可靠的情況下也將換氣次數(shù)維持在12 次/h。全面排風(fēng)設(shè)計固定6 次/h，通風(fēng)柜關(guān)閉時，室內(nèi)維持-5 Pa 負(fù)壓，當(dāng)通風(fēng)柜的VAV 變風(fēng)量閥門開啟，反饋信號給新風(fēng)VAV 變風(fēng)量閥，室內(nèi)補充通風(fēng)柜排風(fēng)量60%的新風(fēng)量來保持實驗室里一定的負(fù)壓差。平面設(shè)計詳見圖3，排風(fēng)系統(tǒng)原理圖詳見圖4，風(fēng)量平衡詳見表4。

表3 實驗功能及設(shè)備表

圖3 10F 無機樣品處理室通風(fēng)柜通風(fēng)設(shè)計平面圖

圖4 通風(fēng)柜送排風(fēng)原理圖

表4 風(fēng)量平衡表

生物安全柜設(shè)計與通風(fēng)柜原理相似，以5F 艾滋病確診實驗室平面為例，1 臺Ⅱ級A2 型生物安全柜，安全柜關(guān)閉時室內(nèi)維持-5 Pa 負(fù)壓，當(dāng)安全的VAV 變風(fēng)量閥門開啟，反饋信號給新風(fēng)VAV 變風(fēng)量閥，室內(nèi)補充安全柜排風(fēng)量30%的新風(fēng)量來保持實驗室里一定的負(fù)壓差，平面設(shè)計詳見圖5，排風(fēng)系統(tǒng)原理圖詳見圖6，風(fēng)量平衡詳見表4。

圖5 5F 艾滋病確診生物安全柜通風(fēng)設(shè)計平面圖

圖6 生物安全柜送排風(fēng)原理圖

其余樓層的通風(fēng)柜及生物安全柜實驗室按照此方案設(shè)計。每層新風(fēng)集中處理采用無極變頻調(diào)節(jié)，經(jīng)過初中高效過濾器送入各個實驗室，進入每間實驗室的送風(fēng)管上安裝VAV 文丘里變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。室內(nèi)全面集中排風(fēng)量固定不變，每層排風(fēng)總管接至屋頂風(fēng)機高空排放，集中風(fēng)機宜備用。實驗毒性強烈的生物安全柜或通風(fēng)柜設(shè)置一對一獨立排風(fēng)機在屋頂排放，并采取無風(fēng)報警措施。毒性在安全范圍內(nèi)時，實驗室里有2 個以上通風(fēng)柜應(yīng)串聯(lián)為一個系統(tǒng)，避免1 個通風(fēng)柜使用時其他柜內(nèi)產(chǎn)生倒流，各個排風(fēng)管上設(shè)置VAV變風(fēng)量閥，2 臺以上的通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)取同時使用系數(shù)0.6～0.7[5]。實驗室內(nèi)噪聲控制在60 dB(A)內(nèi)。6F 萬級潔凈室、7F 細(xì)胞培養(yǎng)室、10F ICP/ICPMS 室采用帶回風(fēng)的凈化全空氣處理機組。7F 的PCR 采用凈化全新風(fēng)空氣處理機組。

3 總結(jié)

1）理化試驗室適合采用變送定排系統(tǒng)，生物潔凈實驗室采用定送變排系統(tǒng)。

2）生物安全實驗室的變送定排系統(tǒng)處理的新風(fēng)量可變化，在生物安全柜和通風(fēng)柜關(guān)閉情況下節(jié)約空調(diào)能源。

3）在排風(fēng)機致命故障時因為變送定排系統(tǒng)集中排風(fēng)量穩(wěn)定，系統(tǒng)有較長的反應(yīng)處理時間，室內(nèi)壓力波動平緩。

4）變送定排系統(tǒng)文丘里閥門使用數(shù)量較多，對控制系統(tǒng)精度靈敏度要求高，調(diào)試難度大。

5）有高度放射性危險的生物安全柜、通風(fēng)柜宜單獨設(shè)置，2 臺以上通風(fēng)柜在一個系統(tǒng)時注意雙速風(fēng)機特性曲線，合理選擇風(fēng)機型號。

6）為了實驗室潔凈度，實驗室最小新風(fēng)換氣量6次/h，VRF 室內(nèi)機內(nèi)循環(huán)6 次/h，確保室內(nèi)換氣次數(shù)總和為12 次/h。