某負(fù)壓二級生物安全實驗室空調(diào)通風(fēng)設(shè)計探討

黃滟

（山西省安裝集團(tuán)股份有限公司，山西太原 030014）

0 引言

生物安全實驗室在抗擊新冠肺炎中發(fā)揮著重要作用，因此，生物安全實驗室建設(shè)日益受到社會的關(guān)注。本文以某二級生物安全實驗室的工作作為本次的研究對象，主要對該項目的工藝布局進(jìn)行分析，論證了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)、壓力的梯度、氣流、凈化的消毒的設(shè)計以及自動的控制措施[1]。應(yīng)在控制污染物的擴(kuò)散和減少相關(guān)操作人員危險的基礎(chǔ)上，對生物安全實驗室的負(fù)壓室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，以確保室內(nèi)壓力梯度和氣流流向正確。預(yù)計此舉可改善生物安全實驗室空調(diào)系統(tǒng)的工程建造、設(shè)計及管理人員對實驗室的了解，并改善實驗室的安全性，以確保實驗室的安全及穩(wěn)定。2020年初，我國暴發(fā)新一輪新冠肺炎疫情，疫情迅速蔓延至全球。在黨的正確領(lǐng)導(dǎo)下，全國人民同心協(xié)力抗擊疫情。目前，我國形勢持續(xù)向好。生物技術(shù)作為抗疫的重要部分，在病毒分析、病患鑒定、疫苗研制等方面發(fā)揮著重要作用。生物安全實驗室是屬于生物安全技術(shù)重要的組成部分，旨在控制室內(nèi)的生物污染，確保實驗不會出現(xiàn)損害人類健康和污染環(huán)境，并為試驗提供清潔的環(huán)境，以達(dá)到一定水平的生物保護(hù)[2]。本文作者選擇了研究二級生物安全實驗室，總結(jié)了二級生物安全實驗室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析，希望能為類似工作提供幫助。

1 工程概況

本工程屬于一次改造的項目，位于某地實驗樓一樓，實驗室頂部有設(shè)備夾層，有利于通風(fēng)設(shè)備和管道位置的布置。該項目主要包括兩個生物安全實驗室和相關(guān)的輔助設(shè)施。該項目是根據(jù)建筑需求和資金，并考慮到未來業(yè)務(wù)活動的擴(kuò)大，確定為負(fù)壓二級生物安全實驗室。圖1為二級生物安全實驗室。

圖1 二級生物安全實驗室

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

合理選擇空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，是實驗室建立后正常運(yùn)行的重要保證，也是影響施工運(yùn)行成本的重要因素。設(shè)置與所有者要求進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。

2.2 壓力梯度

合理的壓力梯度有利于實驗室的正常運(yùn)行，壓力差越大，對防護(hù)設(shè)施的密封要求越高，初始投資運(yùn)行費(fèi)用越大，反之壓力差越小，控制難度越大。本實驗室負(fù)壓梯度由儲物柜逐步增大至主實驗室，保證空氣流通有序，保證運(yùn)行安全可靠。

2.3 通風(fēng)空調(diào)方式

根據(jù)實驗室使用要求，本工程一般采用建筑物的集中冷熱源，以及在建筑物冷卻不同步的情況下使用的備用熱源熱泵機(jī)組。空調(diào)直流系統(tǒng)完全用于空調(diào)機(jī)組直接膨脹冷熱盤管，包括混合段、粗效過濾段、預(yù)熱段、表面冷卻/加熱段、預(yù)熱段、中效過濾段、蒸汽加濕段和出風(fēng)段。排風(fēng)機(jī)組由進(jìn)風(fēng)、高效過濾段、風(fēng)機(jī)段組成。通風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)二級生物安全實驗室的主要設(shè)備，本項目按照實驗室運(yùn)行要求，為降低污染風(fēng)險，通風(fēng)不能中斷，因此通風(fēng)系統(tǒng)配備了兩臺通風(fēng)機(jī)組，可以互為備用。在房間的每一個送風(fēng)和排風(fēng)支管上都安裝了一個不銹鋼調(diào)節(jié)風(fēng)量的閥門，以確保每個風(fēng)口風(fēng)量恒定。調(diào)節(jié)可變出氣量的閥門根據(jù)房間壓力傳感器的信號自動調(diào)節(jié)供氣量和耗氣量。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)空氣量時，恒定送風(fēng)風(fēng)量，然后調(diào)整回（排）風(fēng)量，使之適應(yīng)送風(fēng)量，以確保房間內(nèi)的空氣量和隔壁房間的壓力差。同時，反饋信號給機(jī)組，調(diào)整風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，根據(jù)最終空氣量，當(dāng)室內(nèi)空氣體積較大時，也可調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣供給和空氣釋放，以確定空氣量和空氣量的變化，通常將閥門內(nèi)的空氣量設(shè)置為空氣總量的90%，可變氣量閥門可調(diào)節(jié)10%范圍，定風(fēng)量閥支持室內(nèi)定量送風(fēng)機(jī)，保持室內(nèi)空氣量和新空氣人數(shù)，通過閥門變化保持室內(nèi)壓力梯度。這樣的方式可以選用體積小的可變氣量閥門，不僅降低了投資，而且提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.4 氣流組織

氣流組織設(shè)計是降低空氣污染風(fēng)險的重要一步。適當(dāng)?shù)目諝夥峙淇梢杂行Э刂莆廴疚锏臄U(kuò)散，減少對操作人員的傷害。通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)室內(nèi)污染源的位置進(jìn)行適當(dāng)安裝。通風(fēng)必須位于室內(nèi)污染風(fēng)險最大的區(qū)域，以便通風(fēng)必須位于生物安全柜安裝附近。通風(fēng)位置必須與房間入口相對，以將新鮮空氣從清潔側(cè)移至相對污染側(cè)，使測試儀朝上，確認(rèn)室內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行不受排氣流量和出風(fēng)口的影響。對于實驗室來說，生物安全柜是最大的污染源，因此它位于入口相對臟的一側(cè)，而其余的實驗室設(shè)備則位于干凈的一側(cè)。通過房間頂部和底部的氣流應(yīng)組織有序，以盡量減少空氣污染。

2.5 凈化消毒

當(dāng)室外新風(fēng)通過三個過濾器送至房間時，空調(diào)機(jī)組內(nèi)安裝粗、中效過濾器，最終采用高效過濾器進(jìn)風(fēng)口。風(fēng)機(jī)空調(diào)風(fēng)機(jī)采用G4+F6，末端采用h14高效過濾器。高效過濾器采用隔熱高效過濾器供氣的輸出形式，在高效過濾器上安裝金屬框架和壓力表，持續(xù)監(jiān)測阻力變化。高效過濾器具備檢測和現(xiàn)場消毒泄漏的條件。連接到保護(hù)區(qū)的供氣管和所有排氣管用于不銹鋼焊接（全氬弧焊連接）。實驗室輸送管和排放管的支管上安裝有耐腐蝕的電動密封閥，在消毒過程中關(guān)閉。消毒完成后，重新打開電氣密封閥和進(jìn)排氣裝置，釋放房間內(nèi)殘留的脫氣氣體。冬季采用干蒸汽加濕器加濕，以保證濕度要求，有效避免微生物繁殖。

3 實驗室設(shè)計

施工方案的合理安排和工藝流程的科學(xué)劃分直接關(guān)系到生物安全實驗室的安全使用。根據(jù)實驗室操作流程的要求，本項目從安全使用、科學(xué)管理入手，建立中心車間、緩沖區(qū)、更衣室、高壓滅菌室等。整個實驗區(qū)。二級A2生物安全柜、培養(yǎng)箱等實驗儀器設(shè)置在實驗核心各區(qū)域的外墻附近，高壓滅菌器和轉(zhuǎn)移窗設(shè)置在輔助功能區(qū)。實驗室流程的布局如圖2所示。為了保證氣密性，實驗室殼體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼整體焊接工藝建造，既能承受酸堿腐蝕，又能保證殼體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。同時，使用氣密門、轉(zhuǎn)換窗和其他保護(hù)裝置，并通過懸吊墻和天花板使用特殊裝置。

圖2 實驗室設(shè)計

4 自動控制

對于生物安全實驗室來說，自動控制系統(tǒng)有兩個要求：①濕度，確保實驗室的舒適性。②不斷確保實驗室需要真空梯度和壓力梯度。為了實現(xiàn)上述兩個目標(biāo)，它離不開先進(jìn)的風(fēng)量變換技術(shù)，而風(fēng)量變換技術(shù)的實現(xiàn)也需要自動控制系統(tǒng)的保障[3]。項目實驗室自動控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)讀取網(wǎng)關(guān)及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并提供來自控制室的實時數(shù)據(jù)反饋。溫度控制。根據(jù)室內(nèi)濕度傳感器的實際值與系統(tǒng)安裝的比較，實時控制空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱和加濕[4]。排氣扇與空調(diào)結(jié)合，而實驗室操作在空調(diào)前啟動排氣扇，然后關(guān)閉?？刂茊卧梢栽?0s內(nèi)自動切換到備用單元。通常，這兩個裝置可以交替工作以延長使用壽命。為確保壓力曲線，在適當(dāng)?shù)姆块g內(nèi)設(shè)置一個就地微差壓計。如果房間壓力受損，自動控制可以快速反應(yīng)，自動調(diào)整可變風(fēng)量閥的狀態(tài)，調(diào)整回（排）風(fēng)量，并立即恢復(fù)房間風(fēng)量[5]。

5 結(jié)語

高水平生物安全實驗室是與生物因素相關(guān)的實驗活動場所。隨著安全控制要求的日益嚴(yán)格，對實驗室自動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)《實驗室生物安全通用要求》（GB 1948—2008）（以下簡稱GB 1948—9）和《生物安全實驗室建設(shè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50346—2011）（以下簡稱GB 50346）對生物安全實驗室自動控制系統(tǒng)提出了相關(guān)要求（特別是實驗室壓力控制），如實驗室通風(fēng)和調(diào)節(jié)啟動和停止控制、生物安全柜排氣聯(lián)鎖控制、實驗室進(jìn)料和卸料等。為了使實驗和生產(chǎn)取得成功，生物安全實驗室建設(shè)必須引起社會越來越多的關(guān)注，承擔(dān)越來越廣泛的責(zé)任。實驗室自動控制系統(tǒng)可確保實驗室壓力梯度有序，并在淋浴間、防護(hù)服更換間、化學(xué)淋浴消毒間和中央車間形成定向氣流，以防止致病微生物產(chǎn)生的氣溶膠擴(kuò)散到外部環(huán)境。它不僅是科學(xué)合理地解決生物安全實驗室環(huán)境控制的關(guān)鍵技術(shù)，也是生物安全可靠性的重要保證。

生物安全實驗室通常進(jìn)行兩級隔離。一級絕緣通過生物安全箱、負(fù)絕緣子、氣壓防護(hù)服、手套、眼科等；二次絕緣通過實驗室建筑、空氣凈化系統(tǒng)和電力供應(yīng)進(jìn)行[6]。這類實驗室與生物安全1級實驗室相似，但其病原體中等，對人類和環(huán)境有潛在危險[7]。這類實驗室能更好地處理范圍更廣的致病微生物，這些微生物對人類只造成輕微的疾病，或者在實驗室條件下難以在氣溶膠中生存。適合它的病原體包括各種細(xì)菌和病毒，但只會給人類帶來輕微的疾病，或者氣溶膠很難在實驗室條件下生存，比如復(fù)雜的微生物，大多數(shù)都是衣原體；乙型和丙型肝炎、新冠肺炎、甲型流感、萊姆病、沙門氏菌、麻疹、HIV、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和VRSA解毒劑。BSL-2與BSL-1的不同之處在于，實驗人員需要進(jìn)行專門的培訓(xùn)和提升技能[8]。2～4級生物安全實驗室進(jìn)行兩級分離。生物安全主實驗室二次分離的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到規(guī)定要求.本表的噪音不包括生物安全罐體、動物絕緣體的噪音，如包括上述設(shè)備的噪音，則不應(yīng)超過68dB。生物安全實驗室，或稱生物實驗室，是與生物部門有關(guān)的實驗場所。隨著質(zhì)量控制要求越來越嚴(yán)格，應(yīng)用范圍越來越廣。為了使實驗和生產(chǎn)取得成功，生物安全實驗室建設(shè)必須引起社會越來越多的關(guān)注，承擔(dān)越來越廣泛的責(zé)任。以兩個二級負(fù)壓生物安全實驗室為例，分析了功能分區(qū)和樓層布置、通風(fēng)空調(diào)方式、配風(fēng)送風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)等關(guān)鍵控制點(diǎn)。建議將中心實驗室（動物室）劃分為相對清潔和相對污染的一側(cè)；設(shè)置緩沖室、更衣室、準(zhǔn)備室；通風(fēng)空調(diào)采用全直流系統(tǒng)；從潔凈區(qū)到中央車間（動物室）的總氣流和中央車間（動物室）的氣流從相對清潔的一側(cè)流向污染的一側(cè)；送風(fēng)采用粗、中、高三級過濾，排氣采用一級高效過濾；生物安全柜的單獨(dú)通風(fēng)。生物安全實驗室通風(fēng)空調(diào)方案應(yīng)根據(jù)實際情況確定，并與房間功能、投資需求、運(yùn)行要求等相結(jié)合。在設(shè)計流量組織時，應(yīng)特別注意風(fēng)口的形狀和位置以及送風(fēng)速度，減少渦流和湍流，避免影響驗裝置的正常運(yùn)行。對于在負(fù)壓下工作的生物安全實驗室，風(fēng)口布置應(yīng)確保實驗室形成定向流，提高防護(hù)效果[9]。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須安裝可靠的自動控制程序，確保通風(fēng)系統(tǒng)正確的啟動和停止順序。確保實驗室溫度濕度、壓力梯度等。