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暖通空调 2018,48(01),7-12

高等级生物安全实验室压力波动原因及控制策略

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曹国庆 王荣 李屹 高鹏

中国建筑科学研究院 中国合格评定国家认可中心

    要:

分析了生物安全实验室静压差的物理意义, 总结了高等级生物安全实验室压力波动的主要影响因素, 给出了国家标准对生物安全实验室的负压梯度技术指标及抗干扰能力技术要求, 阐述了生物安全实验室常用压力梯度控制技术措施, 提出了高等级生物安全实验室压力梯度动态控制策略。案例分析结果表明该控制策略可有效应对实验室压力波动影响因素的干扰、确保实验室的定向流。

作者简介:曹国庆, 男, 1978年12月生, 博士, 研究员100013北京市朝阳区北三环东路30号环能院 (010) 64693447E-mail:cgq2000@126.com

收稿日期:2017-08-04

基金: “十三五”国家重点研发计划“生物安全关键技术研发专项”课题“高等级病原微生物实验室风险评估体系建立及标准化研究” (编号:2016YFC1202202) ;

Causes and control strategies of pressure fluctuation in high-level biosafety laboratory

Cao Guoqing Wang Rong Li Yi Gao Peng

China Academy of Building Research

Abstract:

Analyses the physical significance of negative pressure in biosafety laboratory.Summarizes the main influencing factors of pressure fluctuation in high-level biosafety laboratory.Presents the technical requirements on the negative pressure gradient and the anti-interference ability in the national standard for biosafety laboratory.Elaborates common technical measures of pressure gradient control used in biosafety laboratory.Provides dynamic control strategies of pressure gradient in high-level biosafety laboratory.The analysis result of a case study shows that the control strategies can effectively solve the interference problem of the pressure fluctuation in the laboratory and ensure the directional flow of the laboratory.

Received: 2017-08-04

0 引言

生物安全实验室共分为四级。近年来国内一级至三级生物安全实验室的建造技术已经相对成熟, 大批的三级生物安全实验室已经建成并投入使用。GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》[1]规定的ABSL-3中的b2类实验室 (等同于GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》[2]中适用于第4.4.3条的实验室, 以下简称大动物ABSL-3实验室) 和四级生物安全实验室是生物安全防护要求十分严格的实验室 (以下简称高等级生物安全实验室) , 所涉及的病原微生物通常能导致人或动物患上严重疾病, 并有极强的传染性, 对于感染一般没有有效的预防和治疗措施。防止该类实验室内病原微生物向周围环境扩散是确保该类实验室生物安全的关键。

防止室内病原微生物向外界扩散的基本原理是隔离, 具体隔离方式包括机械密封隔离和空气负压隔离[3]。机械密封隔离是指用密封可靠的围护结构将存在传染性生物因子的操作环境与外界环境隔离;空气负压隔离是指通过实验室内的负压控制实现空气定向流动, 从而有效防止室内病原微生物向污染概率低的区域及周围环境扩散[4]

四级生物安全实验室及大动物三级生物安全实验室对实验室围护结构气密性、压差控制有严格的要求。目前, 国内建设气密性高等级生物安全实验室的科研院所、企业数量不足10个, 且相关建设经验比较欠缺。笔者根据GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》和GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》的要求, 结合大量气密性高等级生物安全实验室的实际测试经验, 探讨气密性高等级生物安全实验室负压梯度控制问题, 并对GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》和GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》后续的修订提出建议。

1 负压梯度意义及要求

1.1 静压差物理意义

当某一房间与相邻的房间之间有门窗或任何形式的孔口存在时, 在这些门窗、孔口处于关闭情况下, 该房间与相邻空间会维持一个相对静压差, 这个压差就是以一定风量通过这些关闭的门窗、孔口的缝隙时的阻力, 所以静压差反映的是缝隙的阻力特性, 按流体力学原理, 通过缝隙的流量与阻力的关系为

 

式中Q为通过缝隙的流量, m3/h;μ为流量系数;F为缝隙面积, m2;Δp为缝隙两端的静压差, Pa;ρ为空气的密度, kg/m3

对于固定的缝隙, 其两侧的静压差Δp与ρ及Q2成正比。在工程实际中, 缝隙较复杂, 平方关系不再成立, 而是Q与Δp的1/2~1次幂成正比[5]

文献[4]探讨了实验室缝隙漏风量与房间小时泄漏率的关系, 提出了加装HEPA过滤器 (作为呼吸器) 人为附加漏风的气密性生物安全实验室压差稳定控制策略, 并进行了实验验证。目前国内已建成多个气密性高等级生物安全实验室, 笔者将基于这些实验室压差控制策略的分析研究汇总成本文, 以期能为我国相关气密性高等级生物安全实验室的建设提供参考。

气密性高等级生物安全实验室负压梯度的意义体现在2个方面:1) 在门关闭情况下, 保持各房间之间的压力梯度稳定 (由外到内压力依次降低) , 形成由辅助工作区到防护区的气流流向, 从而有效防止被传染性生物因子污染的空气向污染概率低的区域及外环境扩散;2) 在门开启时, 保证有足够的气流向内流动, 以便把带出的污染减小到最低程度。

1.2 负压梯度扰动因素

1.2.1 正常运行工况下的扰动

在实验室正常运行期间, 经常会出现干扰室内压差稳定的情况, 最常见的有4种:1) 工作人员进出开关门, 导致静压差波动甚至逆转;2) 配备生命支持系统和化学淋浴的高等级生物安全实验室, 室内有工作人员的动态工况下, 正压防护服排风到室内, 引起静压差波动甚至逆转, 另外化学淋浴间在压缩空气吹干的过程向化学淋浴间排风, 也可归纳于此;3) 室内设置有对外的局部排风设备 (如B2型生物安全柜、负压排风柜、动物隔离器、独立通风笼具等) 时, 设备启动与停止引起的静压差波动甚至逆转;4) 室内温湿度显著变化引起的压力波动甚至逆转。

1.2.2 异常故障引起的扰动

在实验室正常运行期间, 偶尔会出现异常故障干扰室内压差稳定, 甚至出现压力逆转的情况, 常见的有2种:1) 当排风系统出现故障时, 导致静压差波动甚至逆转;2) 当送风系统出现故障时, 导致静压差波动甚至逆转。

1.2.3 通风系统开关机的扰动

为避免实验室通风系统开关机过程中出现正压, 要求送、排风系统连锁, 即开机时要求先开排风机再开送风机, 关机时先关送风机再关排风机。国内高等级生物安全实验室几乎全部是按照此连锁顺序运行的, 但在开关机过程中仍有部分实验室出现短时相对压力逆转以及部分实验室绝对负压过大的情况 (-300Pa以上) 。

1.3 负压梯度标准要求

高等级生物安全实验室房间压力控制是实验室通风控制的重要部分, 是安全运行和污染控制的保证。

1.3.1 负压梯度技术指标要求

GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》和GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》对气密性高等级生物安全实验室各功能房间之间的静压差均有明确规定, 如表1所示。

1.3.2 负压梯度抗干扰能力技术要求

GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》和GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》对气密性高等级生物安全实验室明确要求“在运行期间应有机制避免实验室出现正压和影响定向气流”, 相应技术要求条文如表2所示。

2 负压梯度控制方案

2.1 压力控制法

表1 气密性高等级生物安全实验室各功能房间之间静压差要求    下载原表

Pa

表1 气密性高等级生物安全实验室各功能房间之间静压差要求

表2 气密性高等级生物安全实验室负压梯度抗干扰能力技术要求    下载原表

表2 气密性高等级生物安全实验室负压梯度抗干扰能力技术要求

为了保证生物安全实验室的负压和压力梯度, 尤其是控制生物安全实验室内生物安全柜等实验设备启停对压力梯度的影响, 一般要对实验室送、排风系统进行风量控制。文献[6-7]对生物安全实验室的压力控制方案进行了探讨, 给出了在高等级生物安全实验室实际工程实践中常用的风量控制方案, 如图1所示。

图1 生物安全实验室常用风量控制方案

图1 生物安全实验室常用风量控制方案   下载原图

 

图1a方案控制原理为当生物安全柜等局部排风设备启停时通过变风量阀自动调节房间自身排风量的大小, 以保证主实验室总排风量 (为房间自身排风量与局部排风设备排风量之和) 不变, 维持室内压差不变, 这种控制方案的优点是主实验室的总送风和总排风风量不变, 始终处于平衡状态, 实现自动控制比较容易。

图1b方案控制原理为维持主实验房间自身的排风量一定, 当生物安全柜等局部排风设备启停时通过变风量阀自动调节房间送风量, 维持室内压差不变, 这种控制策略的特点是就整个主实验室而言送、排风均变风量, 完全视工作需要进行调整, 节能效果较好, 尤其是实验室内具有多种排风实验设备的情况下, 节能潜力更大。

2.2 差值风量控制法

差值风量控制法原理如图2所示, 通过调整实验室各功能用房排风量与送风量的差值来保证各房间的压力梯度。差值风量控制的优点是可解决系统变风量过程 (如通风系统开关机、备用送/排风机组切换、B2型生物安全柜启停等) 中压力梯度的快速、稳定跟踪问题, 缩短系统变风量过程时间, 快速完成过渡。但在通风系统正常稳定运行时, 系统各分支管路上的静压可能会经常发生改变, 另外风量控制装置会存在一定误差, 造成房间的实际差值风量总是在动态变化, 使得房间压力梯度的波动可能会超出系统要求的范围, 此时宜采用压力控制法进行微调, 以确保房间压力梯度。

图2 差值风量控制法原理示意图

图2 差值风量控制法原理示意图   下载原图

 

2.3 送排风机变频控制

需要指出的是“定送变排”“变送定排”等, 都是针对主实验室而言的, 至于整个通风空调系统, 送风机、排风机都应该配备变频器, 以调节运行风量, 大部分工程项目采用定静压和变静压相结合的方式控制送、排风机的运行, 即通风空调系统正常运行期间送、排风机采用某个预先设定的静压值, 执行定静压运行, 随着高效过滤器阻力的增大, 预先设定的静压值随之分级增加, 以确保实验室的换气次数和负压梯度要求。

3 动态控制策略

3.1 开关门时的压力控制

高等级生物安全实验室由外向内, 各功能用房的静压差越来越小, 相邻相通房间均有相对压力要求。在操作人员进出各功能用房开门时2个相邻房间的相对压差瞬间归零, 绝对负压大的房间负压会减小, 绝对负压小的房间负压会相应增大, 减小或增大的幅度与2个房间的体积比有关, 在开门后操作人员顺利进出并关门时, 房间的绝对压力与相对压差将再次发生变化, 整个过程 (约需20~40s) 若相应风量调节阀根据压力信号进行调节, 将会处于持续的调节过程中, 致使房间压力持续波动。

在工程实践中, 可采用在开门瞬间停止控制系统压差反馈的方式来防止因开关门造成洁净室压差波动;也可采用延迟变风量阀的响应时间消除洁净室开关门对压差的影响。文献[8]给出了气密性生物安全实验室 (BSL) 应对开关门的压差控制策略, 可有效应对开关门对实验室压差稳定的干扰, 保证实验室的定向流。前2种方式以静制动、简单有效, 在国内高等级生物安全实验室实际工程项目中得到了广泛应用。

3.2 穿戴正压防护服进出时的压力控制

操作人员穿戴正压防护服进出实验室某功能用房 (主要包括正压防护服更换间、化学淋浴间、主实验室, 有的还包括防护走廊、主实验室缓冲间等) 时, 因正压防护服向室内排风 (每套排风量约20~100m3/h) , 会降低气密性较好的实验室用房绝对负压值 (如从-80Pa降低至-70Pa) , 致使其与室外方向上相邻相通房间相对压力不符合标准要求, 甚至出现压力逆转, 此时宜按本文所述的压力控制法进行调节。

3.2.1 跟踪动态控制

对于采用“定送变排”的高等级生物安全实验室, 此时应根据房间压力值自动增大房间排风量, 以提高房间绝对负压值至稳定值范围;对于采用“变送定排”的高等级生物安全实验室, 此时应根据房间压力值自动减小房间送风量, 以提高房间绝对负压值至稳定值范围。过去曾有一些专家提出体积较大的房间 (如主实验室、防护走廊等) 因送、排风量较大, 对应风量调节阀的调节范围有限, 能否适应精确压力控制问题。该问题可通过母子风管并联予以解决, 即母风管采用定流量方式通过较大风量, 子风管采用变流量方式通过较小风量, 可实现实验室的精确风量调节和压力控制。

3.2.2 初始静态控制

为解决正压防护服向室内排风而引起绝对压力减小、与室外方向上相邻相通房间相对压力减小甚至出现压力逆转的问题, 除进行压力控制调节之外, 还可以通过初始静态控制思路解决, 即主实验室送、排风管均安装手动调节阀 (或定风量阀) , 在整个实验室运行过程中不通过风量调节阀进行风量调节, 仅通过初始设置较大的静压差解决正压防护服向室内排风问题, 如某BSL-4主实验室与相邻缓冲间之间初始静压差GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》和GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》要求为-25Pa, 调试时将其设置为-50Pa。当操作人员穿戴正压防护服进入主实验室时, 主实验室与相邻缓冲间之间的静压差降低为-30Pa, 仍可满足标准要求, 若不满足标准要求, 表明初始静压差-50Pa仍不足以抵消正压防护服排风的影响, 应进一步加大初始静压差直至满足要求为止。

该方案仅需在通风空调系统安装完成后, 对手动调节阀进行初始风平衡调试即可, 在实际运行过程中基本不进行风量调节阀的任何调节控制, 大大简化了自控系统。该方案在进行压力控制时可以系统生物安全风险性最高的主实验室绝对压力为控制依据, 自动调节排风机组变频器频率实现该主实验室的静压差跟踪控制 (主要是应对动态条件下的室内压力波动) 。该方案依靠初始值大的静压差减少室内压力扰动因素的影响, 仍有一定局限性, 当扰动强烈时 (如通风量较大的局部排风设备的启停、化学淋浴间压缩空气注入时等) 需要更大的静压差, 会造成初始状态时主实验室负压过大, 此时需要采用2.1节所述的压力控制法进行调节控制, 即存在压力扰动强烈的房间需要设置风量调节阀进行风量控制。

3.3 局部排风设备启停时的压力控制

当实验室内有局部排风设备时, 其风阀配置及控制原理如图1所示。即通过该实验室房间自身的排风、局部排风设备的排风、房间送风三者之间的可靠有效的连锁控制, 实现房间压力梯度的稳定。

国内一些使用Ⅱ级B2型生物安全柜的实验室往往容易出现3类问题:1) Ⅱ级B2型生物安全柜无法正常开启运行;2) Ⅱ级B2型生物安全柜运行时实验室负压过大;3) Ⅱ级B2型生物安全柜启停过程中, 实验室压力梯度剧烈波动, 甚至出现压力逆转。

发生上述3类问题的原因在于通风阀门及风机的设置不符合图1所示的控制逻辑, 突出表现为3点:1) 生物安全柜上方的排风机在一些工程项目中没有设置, 此时通风空调系统的大排风机应有足够压头确保生物安全柜能正常开启, 若大系统排风机的压头不够, Ⅱ级B2型生物安全柜将无法正常开启;2) 生物安全柜排风支管、房间自身排风支管上未设置有针对性的定风量阀或变风量阀等阻力部件, 致使2根支管的阻力不平衡, 生物安全柜排风支管阻力偏大, 排风基本从房间自身的排风支管上抽取;3) 生物安全柜排风支管、房间自身排风支管、房间送风主管上对应的定风量阀或变风量阀没有实现很好的快速响应连锁控制, 致使出现负压过大、压力波动剧烈甚至出现逆转等问题。

3.4 室内温湿度显著变化时的压力控制

正常情况下生物安全实验室的温湿度不会发生显著变化, 但当室外出现较大温湿度变化时 (如不期而至的瓢泼大雨) , 通风空调系统为控制室内相对湿度, 可能会短时间内加大冷水流量、增加再热量 (尤其是启动分级电加热, 而非无级调节时) , 此时室内温湿度会有一个显著的变化, 由于静压差和温度有一定相关性[9], 会导致室内压力的短时波动甚至逆转, 国内已有生物安全实验室发生过类似情况。为此, 通风空调自控系统针对室外温湿度发生较大波动的情况, 宜采用无级调节冷量、再热量, 虽然可能出现一小段时间的室内相对湿度超标, 但压力波动不至于剧烈甚至出现逆转。

4 结论

1) 生物安全实验室房间压力控制是实验室通风控制的重要组成部分, 是安全运行和污染控制的保证, 国家标准对负压梯度技术指标及抗干扰能力均有明确技术要求。

2) 高等级生物安全实验室压力波动的原因主要有正常运行工况下的扰动、异常故障扰动、通风系统开关机扰动3类, 其中正常运行工况下的扰动包括开关门、正压防护服及化学淋浴释放到室内的压缩空气、局部排风设备的启停、室内温湿度显著变化等, 异常故障扰动包括送、排风系统故障扰动。

3) 为实现生物安全实验室压力梯度的快速、稳定跟踪, 系统变风量时宜采用差值风量控制法完成过渡, 而系统处于稳态时宜通过压力控制法进行微调, 以确保房间的压力梯度。

4) 对于开关门对高等级生物安全实验室压力波动的影响, 可采用在开门瞬间停止控制系统压差反馈的方式来防止因开关门造成洁净室压差波动;也可采用延迟变风量阀的响应时间消除洁净室开关门对压差的影响。

5) 对于正压防护服及化学淋浴向室内释放压缩空气对压力波动的影响, 可采用初始高静压差的方式予以弥补, 辅以排风机变频控制进行大偏差的纠正;也可以采用变风量阀进行动态跟踪控制的方式解决。

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作者: 来源: 发布时间:2018年07月20日
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