基于Airpak的二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室冬季熱環(huán)境分析*

龐 勇，謝明軍，崔建偉，李冬梅，張思維，孫建云

（1.甘肅省疾病預(yù)防控制中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

新冠肺炎疫情發(fā)生后核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室成為各級(jí)疾病預(yù)防控制中心、醫(yī)院和第三方檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的標(biāo)配。核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室也叫PCR實(shí)驗(yàn)室或者基因擴(kuò)增檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，是基于二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的組合型實(shí)驗(yàn)室，一般由四個(gè)或三個(gè)二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室組成，分別為試劑儲(chǔ)存和準(zhǔn)備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴(kuò)增反應(yīng)混合物配置和擴(kuò)增區(qū)、擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)［1-3］。在我國(guó)，新冠肺炎納入乙類(lèi)傳染病、采取甲類(lèi)管理，所以核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室工作人員必須按照生物安全三級(jí)防護(hù)要求穿戴防護(hù)用品，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大多數(shù)工作由工作人員在穿連體防護(hù)服、戴防護(hù)面罩和手套、防護(hù)鞋套的狀態(tài)下在實(shí)驗(yàn)室生物安全柜中操作，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的熱舒適性和空氣質(zhì)量直接關(guān)系到檢驗(yàn)人員的身心健康和工作效率，應(yīng)該得到高度的重視。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析方法是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)最簡(jiǎn)單的方法，Airpak 軟件是一款專(zhuān)門(mén)面向空調(diào)通風(fēng)領(lǐng)域的流體力學(xué)計(jì)算分析軟件，其具有強(qiáng)大的可視化后處理能力，能夠生成矢量、云圖和粒子流動(dòng)畫(huà)，從而描繪氣流的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況。模擬結(jié)束后，還可提供強(qiáng)大的數(shù)值報(bào)告，從而能夠?qū)Ψ块g的熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)和氣流組織進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［4-15］。

熱舒適性水平是指人體通過(guò)自身的熱平衡條件和感覺(jué)到的環(huán)境狀況綜合起來(lái)獲得是否舒適的感覺(jué)。PMV 是人體熱舒適感全面評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值為+3～-3，相對(duì)應(yīng)的熱感覺(jué)分別為熱、暖、微暖、適中、微涼、涼和冷七種狀態(tài)。PPD為預(yù)計(jì)處于熱環(huán)境中的群體對(duì)該熱環(huán)境不滿(mǎn)意的投票平均值，即對(duì)環(huán)境表示熱或冷的人所占的百分?jǐn)?shù)［16］。

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012根據(jù)PMV-PPD指標(biāo)劃分了熱舒適度等級(jí)，Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為PPD≤10%，-0.5≤PMV≤0.5；Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為-1≤PMV＜-0.5，0.5＜PMV≤1，PPD≤27%。利用Airpak 軟件可以得到室內(nèi)環(huán)境的PMV 和PPD 云圖，從而可以分析室內(nèi)的熱舒適性水平。

室內(nèi)空氣品質(zhì)也叫室內(nèi)空氣質(zhì)量，其評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，本論述選擇空氣齡。空氣齡是空氣在某一空間被測(cè)點(diǎn)上的停留時(shí)間，表征該空間舊空氣被新空氣所代替的速度，能夠反映該空間空氣的新鮮程度和去除污染物的能力，利用Airpak 軟件可以得到空氣齡分布云圖，進(jìn)而可以評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

選取蘭州市某綜合實(shí)驗(yàn)樓中層PCR實(shí)驗(yàn)室中的位于中間位置的二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)室由100 mm 厚巖棉彩鋼板分隔而成，尺寸為9.02 m（長(zhǎng)）×3.55 m（寬）×2.60 m（高），分為緩沖間和主實(shí)驗(yàn)室兩部分，緩沖間與主實(shí)驗(yàn)室同寬同高，忽略隔墻厚度，緩沖間長(zhǎng)度為1.90 m，主實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)度為7.12 m。北墻為外墻，由內(nèi)向外依次為100 mm厚巖棉彩鋼板、20 mm厚水泥砂漿、240 多孔磚、30 mm 厚 EPS 板、20 mm 厚水泥砂漿面層，冬季計(jì)算熱流密度為-9.17 W/m2，窗戶(hù)尺寸為1.5 m×1.6 m，為鋁合金單框中空玻璃，冬季計(jì)算熱流密度為-141.9 W/m2［17-18］，東西墻壁和南墻與空調(diào)房間相鄰，傳熱忽略不計(jì)，默認(rèn)為絕熱。主實(shí)驗(yàn)室采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室的熱負(fù)荷全部由風(fēng)機(jī)盤(pán)管負(fù)擔(dān)，室內(nèi)冬季設(shè)計(jì)溫度20 ℃。新風(fēng)系統(tǒng)的補(bǔ)風(fēng)，除過(guò)渡季節(jié)直接采用室外新風(fēng)外，在冬夏季均需將新風(fēng)處理至接近室內(nèi)焓值狀態(tài)點(diǎn)后送入空調(diào)房間。為防止實(shí)驗(yàn)區(qū)域各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有異味的氣體或有害的氣體逸至走廊等區(qū)域影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)樓的工作環(huán)境，并且為使新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)能有效地補(bǔ)入空調(diào)房間以滿(mǎn)足人的衛(wèi)生要求，在公共走廊均設(shè)有新風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)，從而使走廊形成一定的正壓。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，主實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)為相對(duì)于緩沖間微正壓，即新風(fēng)系統(tǒng)的補(bǔ)充新風(fēng)直接送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，然后通過(guò)門(mén)縫滲至其相鄰的緩沖室內(nèi)，該緩沖室內(nèi)設(shè)有排風(fēng)口，并對(duì)走廊形成相對(duì)負(fù)壓，這樣能使各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的異味或有害氣體得以良好的控制。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有一型號(hào)為SX-BHC-1300A2 的生物安全柜，正常情況下由兩名工作人員坐姿于生物安全柜前在生物安全柜內(nèi)操作實(shí)驗(yàn)。主實(shí)驗(yàn)室四組不銹鋼吸頂凈化燈，緩沖間一組不銹鋼吸頂凈化燈，其它設(shè)備忽略不計(jì)。所建二級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室模型如圖1所示，模型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

圖1 二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室物理模型

表1 模型相關(guān)參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

經(jīng)Airpak 軟件的模型檢查，該模型的雷諾數(shù)為82 807.6，佩克萊特?cái)?shù)為261 535.9，所以室內(nèi)流態(tài)為湍流，采用數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高的室內(nèi)零方程湍流模型并對(duì)室內(nèi)做如下假設(shè)：空氣為不可壓縮透明氣體；忽略環(huán)境中熱輻射作用，空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且符合Boussinesq假設(shè)；內(nèi)墻、天花板和地板設(shè)置為絕熱，忽略門(mén)、窗的漏風(fēng)影響。按照設(shè)計(jì)工況對(duì)模型進(jìn)行條件設(shè)置。收斂條件設(shè)置為流動(dòng)方程相對(duì)誤差0.001，能量方程相對(duì)誤差1×10-6，組分方程相對(duì)誤差0.001。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)Airpak 軟件網(wǎng)格劃分要求，確定該模型網(wǎng)格單元的X最大值為0.1775 m，Y最大值為0.13 m，Z最大值為0.451 m，對(duì)各通風(fēng)口、送風(fēng)口和排風(fēng)口等速度梯度大的部分局部加密，使其各方向上的的網(wǎng)格數(shù)大于等于4，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和質(zhì)量檢驗(yàn)，共計(jì)劃分網(wǎng)格104 262個(gè)。

2 模擬結(jié)果與分析

按照設(shè)計(jì)工況對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬計(jì)算，工作人員坐姿于生物安全柜前，分別選取y=1.25 m（面部）處的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、PPD、PMV；y=0.1 m（腳踝）處的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，y=1.25 m處的空氣齡來(lái)分析工作人員的舒適性和空氣品質(zhì)。

2.1 溫度結(jié)果分析

設(shè)定風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)口溫升為4℃時(shí)房間溫度即可接近設(shè)計(jì)要求，y=1.25 m 處溫度云圖如圖2 所示，由圖可見(jiàn)內(nèi)，該截面緩沖間溫度在22.4 ℃左右，主實(shí)驗(yàn)室溫度最低處位于窗戶(hù)處，其它大部分區(qū)域溫度在22 ℃左右，分布較為均勻，工作人員所在位置溫度為20.7 ℃～22.5 ℃。y=0.1 m處溫度云圖如圖3所示，由圖可見(jiàn)，該截面大多數(shù)區(qū)域溫度為21.5℃左右，工作人員所在位置溫度為21.5 ℃～22.0 ℃。

圖2 y=1.25 m處溫度云圖

圖3 y=0.1 m處溫度云圖

2.2 速度結(jié)果分析

y=1.25 m處速度云圖如圖4所示，由圖可見(jiàn)該截面風(fēng)速在0 m/s～0.73 m/s，工作人員長(zhǎng)時(shí)間所待位置風(fēng)速在 0.13 m/s～0.40 m/s。y=0.1 m 處速度云圖如圖 5 所示，由圖可見(jiàn)該截面風(fēng)速在0 m/s～0.80 m/s，工作人員長(zhǎng)時(shí)間所待位置風(fēng)速在0.13 m/s～0.40 m/s。x=0 截面的速度矢量圖如圖6所示，由圖可以看出，主實(shí)驗(yàn)室中至少存在三處渦流區(qū)域，渦流會(huì)影響通風(fēng)換氣效果，可以通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)方向來(lái)減小。

圖4 y=1.25 m處速度云圖

圖5 y=0.1 m處速度云圖

圖6 x=0處速度矢量

2.3 PMV 和 PPD 結(jié)果分析

核酸檢測(cè)工作人員衣著為T(mén) 恤、長(zhǎng)褲、連體防護(hù)服、護(hù)目鏡+防護(hù)面罩、薄底鞋、防護(hù)鞋套，在該條件下室內(nèi)PMV的平均值為0.67，PPD的平均值為14.76%，其中 y=1.25 m 處 PMV 如圖 7 所示、PPD 如圖 8 所示，由圖可見(jiàn)，y=1.25 m 處的 PMV 值在 0.16～1.19，PPD 值在5.56%～35.00%，其中工作人員長(zhǎng)期所待位置的PMV在0.50～0.75，PPD在10.66%～14.44%。

圖7 y=1.25 m處PMV

圖8 Y=1.25 m處PPD

2.4 空氣齡結(jié)果分析

Y=1.25 m 處空氣齡云圖如圖9 所示，由圖可見(jiàn)，緩沖間空氣齡整體較大，最大值為1 367.68 s，整體換氣次數(shù)不到3 次/h。主實(shí)驗(yàn)室靠近門(mén)處有一區(qū)域空氣齡超過(guò)400 s，其他區(qū)域都在300 s 以?xún)?nèi)，可見(jiàn)主實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大多數(shù)區(qū)域的換氣次數(shù)超過(guò)12次/h。

圖9 y=1.25 m處空氣齡

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)PPD 的平均值為14.76%，PMV 的平均值為0.67，工作人員長(zhǎng)期所待位置的PPD 在10.66%～14.44%，PMV 在0.50～0.75，可見(jiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室包括工作人員長(zhǎng)期所待區(qū)域都滿(mǎn)足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012規(guī)定的熱舒適等級(jí)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）主實(shí)驗(yàn)室工作人員常待的區(qū)域y=0.1 m 與y=1.25 m之間的垂直溫度差最大為0.8 ℃，工作人員不會(huì)因?yàn)闇囟炔罡杏X(jué)不舒服；主實(shí)驗(yàn)室多一半?yún)^(qū)域包括人員常待的地方空氣齡小于300 s，空氣較為新鮮，局部區(qū)域空氣齡超過(guò)400 s，有待調(diào)整各風(fēng)口進(jìn)、出風(fēng)方向和風(fēng)速大小，從而縮小或消除該區(qū)域；局部區(qū)域的風(fēng)速超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值0.3 m/s，會(huì)有吹風(fēng)感，運(yùn)行中應(yīng)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。

4 討論

（1）冬季在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的情況下，風(fēng)機(jī)盤(pán)管溫升達(dá)到4℃即可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室的供暖要求，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室內(nèi)生物安全柜等設(shè)備工作時(shí)散熱量很大，承擔(dān)了大多數(shù)的室內(nèi)熱負(fù)荷。這也解釋了該實(shí)驗(yàn)室冬季風(fēng)機(jī)盤(pán)管在自動(dòng)控溫的情況下大多數(shù)時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài)的現(xiàn)象。局部區(qū)域風(fēng)速超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行時(shí)可通過(guò)調(diào)整風(fēng)口送風(fēng)方向、調(diào)整送風(fēng)速度等措施保證人員工作區(qū)的風(fēng)速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對(duì)二級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)要充分考慮室內(nèi)設(shè)備的散熱，合理配置帶有溫控的采暖空調(diào)設(shè)備，才能達(dá)到節(jié)能又確保舒適的室內(nèi)溫度環(huán)境。

（3）設(shè)計(jì)之初在充分考慮室內(nèi)設(shè)備和人員散熱的情況下，利用Airpak軟件模擬室內(nèi)熱環(huán)境，可為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。