趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城

機(jī)動偵檢平臺的研制（二）
——通風(fēng)系統(tǒng)及環(huán)境控制技術(shù)研究

趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城

目的：開展負(fù)壓型生物安全二級實驗室氣流組織、環(huán)境及控制技術(shù)研究，進(jìn)行污染控制，防止有害生物因子向外界擴(kuò)散。方法：采用實驗室階梯壓力和氣流上送下排的設(shè)計方法，利用Fluent軟件對實驗間內(nèi)的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，采用定送變排的風(fēng)量設(shè)定及控制方法，進(jìn)行環(huán)境及控制技術(shù)研究，保證實驗室外排空氣潔凈。結(jié)果：該技術(shù)可使實驗室空氣由清潔區(qū)域流向污染區(qū)域，保證了實驗室環(huán)境參數(shù)及外排空氣潔凈，對外部不造成污染，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的穩(wěn)定控制。結(jié)論：通過通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計、環(huán)境及控制技術(shù)研究建立的負(fù)壓型生物安全二級實驗室通風(fēng)系統(tǒng)可進(jìn)行有效的污染控制，可滿足病原微生物實驗室生物安全防護(hù)要求。

機(jī)動偵檢平臺；通風(fēng)；環(huán)境控制；生物安全二級實驗室；凈化；負(fù)壓

0 引言

機(jī)動偵檢平臺是國家“十二五”傳染病防治重大專項課題“新發(fā)突發(fā)傳染病現(xiàn)場應(yīng)急防控系列機(jī)動裝備研發(fā)技術(shù)平臺”的一項核心裝備，是負(fù)壓型生物安全二級實驗室，是從事病原微生物檢測和科學(xué)研究的平臺，其核心目的是控制室內(nèi)生物污染，確保實驗人員不受感染，保證外界環(huán)境不受污染，同時為實驗過程提供清潔的環(huán)境，從而達(dá)到相應(yīng)的生物安全防護(hù)水平，因此防止有害病原體向外界擴(kuò)散是確保實驗室生物安全的關(guān)鍵。

GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》對不同等級實驗室的生物安全有非常明確的要求[1]。生物安全防護(hù)水平為二級的實驗室操作對象適用于危害程度較低，但能夠引起人和動物疾病，且主要通過接觸傳播，感染后可進(jìn)行有效治療和預(yù)防措施的生物因子，其建設(shè)、使用和管理較為寬松；生物安全防護(hù)水平為三級的實驗室適用于操作能夠引起人類或動物嚴(yán)重疾病，比較容易通過直接接觸或媒介途徑傳播的微生物，其建設(shè)、使用和管理等有著非常嚴(yán)格的限制。因此本文研制的機(jī)動偵檢平臺的防護(hù)能力介于二級與三級之間，使用靈活方便，保障要求相對低，代表了移動式生物安全實驗室的發(fā)展方向。本文從生物安全角度出發(fā)，對機(jī)動偵檢平臺的氣流組織、空氣凈化、壓力控制等方面開展環(huán)境控制及生物安全防護(hù)技術(shù)研究，以滿足病原微生物實驗室安全防護(hù)的要求，為今后移動實驗室環(huán)境及控制技術(shù)研究提供技術(shù)借鑒。

1 氣流組織研究

氣流組織是指通過科學(xué)地設(shè)置送（排）風(fēng)口位置、規(guī)格、數(shù)量、分配風(fēng)量以及選用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)口形式[2]，以便形成從污染概率小區(qū)域流向污染概率大區(qū)域的受控制的氣流。合理的氣流組織形式可以大大降低工作人員被感染的概率，同時可以保證病原體不外泄。為此，GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》中6.3.3.2部分明確要求三級生物實驗室防護(hù)區(qū)房間內(nèi)送風(fēng)口和排風(fēng)口的布置應(yīng)符合定向氣流的原則，有利于減少房間內(nèi)的渦流和氣流死角[1]，但對于二級生物實驗室并未作出具體要求。機(jī)動偵檢平臺為負(fù)壓型生物安全二級實驗室，主要完成危害等級較高的病原體操作，因此本研究依據(jù)三級實驗室的定向氣流要求開展設(shè)計。

1.1 氣流組織設(shè)計

就實驗室區(qū)域間氣流流向而言，本研究利用階梯壓力來實現(xiàn)實驗室氣流組織單向性，即通過壓力遞減的方式來進(jìn)行污染控制，具體來說是緩沖間工作壓力高于實驗間工作壓力。因此，氣流由緩沖間流向?qū)嶒為g形成單向氣流。就區(qū)域內(nèi)氣流組織而言，氣流組織形式多樣，有上送上排、上送下排、對角送排等多種樣式，其根本取決于送風(fēng)口的形式和布置形式。本研究生物安全實驗室防護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)口位置設(shè)定應(yīng)符合定向氣流的原則，即由清潔區(qū)域流向污染區(qū)域，房間內(nèi)由污染概率小區(qū)域流向污染概率大區(qū)域，避免渦流和氣流死角，且送排風(fēng)應(yīng)不影響其他設(shè)備（如生物安全柜）的正常使用[3]。

核心工作間是進(jìn)行危害實驗操作的區(qū)域，因此實驗間的氣流組織也應(yīng)符合低風(fēng)險區(qū)向高風(fēng)險區(qū)定向流動的原則。采用上送下排和對角送風(fēng)的氣流控制方式，潔凈空氣由送風(fēng)管道從清潔側(cè)送入，從污染一側(cè)排出[4]。在實驗室右側(cè)頂部設(shè)置送風(fēng)風(fēng)道，風(fēng)道上設(shè)置4個送風(fēng)口，中間位置不設(shè)置風(fēng)口（如圖1所示），其目的是為在實驗臺上避免直吹的實驗操作預(yù)留空間，保證實驗環(huán)境的多樣性需求。將核酸檢測系統(tǒng)、免疫檢測系統(tǒng)等相關(guān)需人員操作的設(shè)備設(shè)置在風(fēng)口側(cè)，生物隔離器等容易產(chǎn)生污染氣溶膠的設(shè)備設(shè)置在污染側(cè)（左側(cè)）。

實驗間與準(zhǔn)備間之間的隔板上設(shè)置排風(fēng)口。準(zhǔn)備間內(nèi)空氣經(jīng)由排風(fēng)口進(jìn)入實驗間內(nèi)，再經(jīng)由實驗間排風(fēng)口集中排出，如圖2、3所示。

1.2 氣流組織模擬

實驗間的氣流組織形式為上送下排，即實驗間送、排風(fēng)口對面布置，實驗間一側(cè)設(shè)置送風(fēng)口，另一側(cè)下部底角位置處布置一排風(fēng)口，從理論上形成低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向氣流。送風(fēng)口風(fēng)速過高會直接射流至工作臺面從而引起較強(qiáng)的渦流。因此，最終在上部共布置4個上送送風(fēng)口，以降低風(fēng)口出風(fēng)風(fēng)速。為了驗證設(shè)計的合理性，使用Fluent軟件對實驗間內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖4為送風(fēng)口下方的XY平面的氣流組織，可以看到只在第二和第三風(fēng)口之間形成了微弱渦流，其他位置渦流并不明顯，說明送風(fēng)口數(shù)量的增加有效減少了渦流的發(fā)生。圖5為實驗室中間位置XY平面的氣流組織，從氣流流向可以看出實驗間內(nèi)形成了明顯的低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向趨勢流，說明實驗間的送排風(fēng)設(shè)置科學(xué)合理。

圖1 實驗室右側(cè)風(fēng)口布置圖

圖2 實驗室左側(cè)風(fēng)口布置圖

圖3 實驗室氣流組織原理圖

圖4 送風(fēng)口下方XY平面氣流組織

圖5 實驗室中間位置XY平面氣流組織

2 環(huán)境及控制技術(shù)研究

污染控制是高等級生物安全實驗室的核心內(nèi)容，其關(guān)鍵技術(shù)是將實驗室內(nèi)因?qū)嶒灢僮鳟a(chǎn)生的有害生物氣溶膠通過通風(fēng)換氣、過濾凈化和消毒滅菌等方式進(jìn)行無害化處理，保證實驗室外排空氣潔凈，對外部不造成污染。機(jī)動偵檢平臺是負(fù)壓型P2實驗室，其生物安全防護(hù)系統(tǒng)接近于BSL-3級實驗室中對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)要求，因此機(jī)動平臺通風(fēng)及其控制系統(tǒng)涉及生物安全防護(hù)關(guān)鍵要素，符合GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)BSL-3實驗室要求的強(qiáng)制性條文規(guī)定要求[5]。

參照GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》，機(jī)動偵檢平臺實驗室環(huán)境參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 機(jī)動偵檢平臺環(huán)境參數(shù)

2.1 凈化系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)定實驗間與室外負(fù)壓差為-40 Pa，正常運(yùn)行時潔凈度為8級，實驗室外部氣溶膠可隨氣流通過車廂門窗、開孔和縫隙等進(jìn)入實驗室內(nèi)，因此需要通過送風(fēng)凈化的方式保證實驗室內(nèi)的潔凈度。

2.1.1 送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

送風(fēng)系統(tǒng)流程如圖6所示。實驗室外新風(fēng)通過初效過濾器濾除掉揚(yáng)塵、蚊蟲、花粉等大顆粒物質(zhì)，經(jīng)由空調(diào)機(jī)組進(jìn)行冷熱處理，達(dá)到預(yù)期溫濕度后，通過風(fēng)機(jī)動力作用經(jīng)中效過濾器進(jìn)一步濾除較大氣溶膠顆粒，在氣流分配箱內(nèi)分成2路，一路送入實驗間內(nèi)，另一路送入準(zhǔn)備間內(nèi)。送入實驗間內(nèi)空氣通過定風(fēng)量閥的自動調(diào)節(jié)作用保證送入實驗間內(nèi)氣量恒定，保證換氣次數(shù)穩(wěn)定。設(shè)置生物密閉閥，其作用是實驗室在消毒時可關(guān)閉閥門，保證實驗室密閉。在實驗室送風(fēng)口內(nèi)設(shè)置4個高效過濾器進(jìn)行最終凈化處理，保證實驗間內(nèi)空氣潔凈度為8級。送入準(zhǔn)備間內(nèi)的氣路中間設(shè)置手動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和高效過濾器，以進(jìn)行壓力調(diào)整和保證凈化效果。

2.1.2 排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

排風(fēng)系統(tǒng)流程如圖7所示。實驗室排風(fēng)共有2個部分，一部分是實驗間內(nèi)空氣，經(jīng)過高效過濾裝置凈化處理，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門和排風(fēng)機(jī)排出車外，保證外排空氣無污染；另一部分是準(zhǔn)備間內(nèi)空氣，準(zhǔn)備間內(nèi)常規(guī)運(yùn)行為正壓環(huán)境，屬于清潔區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)生物污染風(fēng)險小，將其內(nèi)空氣通過高效過濾后直接排入實驗間內(nèi)，隨實驗間內(nèi)空氣一起處理后排放。

圖6 送風(fēng)流程圖

圖7 排風(fēng)流程圖

2.2 壓力及控制系統(tǒng)設(shè)計

生物安全實驗室通常采用負(fù)壓防護(hù)措施[6-7]，防止實驗室內(nèi)污染氣溶膠顆粒通過密封不嚴(yán)的門窗、孔口、縫隙等泄漏點(diǎn)逸散。負(fù)壓防護(hù)是通過控制進(jìn)出實驗室的風(fēng)量的方式，使排風(fēng)量大于送風(fēng)量，實驗室內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，則實驗室內(nèi)氣溶膠顆粒不會通過泄漏點(diǎn)擴(kuò)散至外部環(huán)境構(gòu)成生物危害。

機(jī)動偵檢平臺采用定送變排的方式保證實驗室壓力的恒定[8-9]。具體來說，實驗室送風(fēng)通過風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行保證實驗室系統(tǒng)總體送風(fēng)量恒定，通過風(fēng)量分配器將新風(fēng)分成2路，一路送入實驗室，另一路送入準(zhǔn)備間。送入實驗間內(nèi)的空氣經(jīng)過定風(fēng)量閥設(shè)定調(diào)節(jié)，保證送入的風(fēng)量恒定，即保證實驗室換氣次數(shù)的穩(wěn)定性；排風(fēng)則通過變風(fēng)量閥控制外排風(fēng)量來調(diào)整實驗室壓力，由過程控制器采集壓力傳感器的壓差信號，與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運(yùn)算后，控制器根據(jù)壓力偏差控制算法調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行排風(fēng)量調(diào)整，從而達(dá)到所設(shè)定的壓力[10]。

準(zhǔn)備間內(nèi)的空氣排入實驗間內(nèi)，2個區(qū)域間壓差值為55 Pa，靠自然逸散，則準(zhǔn)備間內(nèi)空氣流量很小，且其內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量較大，難以滿足實驗溫度要求。因此采用動力通風(fēng)的方式增大緩沖間的排風(fēng)量，再通過增大風(fēng)機(jī)總送風(fēng)量，進(jìn)而增加送入準(zhǔn)備間送風(fēng)量的方式，使得緩沖間換氣次數(shù)大大增加，進(jìn)而滿足溫濕度要求。

機(jī)動平臺的另一項重要功能是進(jìn)行病原體采樣，即進(jìn)入污染區(qū)內(nèi)進(jìn)行樣本采集。車輛進(jìn)入污染區(qū)后，外部空氣、粉塵、粉末等懸浮氣溶膠顆粒受到生物污染的可能性大大提高，因此有必要對實驗室內(nèi)部進(jìn)行生物安全防護(hù)。常用的污染區(qū)防護(hù)方式是采用正壓防護(hù)的方式保證實驗室不受外部環(huán)境污染，即在車廂內(nèi)部建立正壓環(huán)境。機(jī)動平臺正壓的建立，是在負(fù)壓控制的基礎(chǔ)上，采用固定送風(fēng)，減少排風(fēng)的方式保證實驗室正壓。通過控制變風(fēng)量閥的壓力設(shè)定，減小閥門開度進(jìn)而減少閥門通風(fēng)量，經(jīng)控制器比較運(yùn)算后實時對壓力進(jìn)行調(diào)整，保證正壓環(huán)境。

（????）（????）

3 結(jié)語

通風(fēng)系統(tǒng)及環(huán)境控制是高等級生物安全實驗室的核心。本文進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，通過分區(qū)設(shè)置及風(fēng)口布置保證氣流組織由清潔區(qū)流向污染區(qū)的單向性，建立負(fù)壓型生物安全實驗室，采用環(huán)境及負(fù)壓控制技術(shù)，開展?jié)崈舳瓤刂坪臀廴究諝馀欧盘幹醚芯?，使實驗室保持一定的?fù)壓及壓力梯度，防止污染物擴(kuò)散，并采取有效的高效過濾措施，保證外排空氣潔凈，對外部環(huán)境不構(gòu)成污染，滿足病原微生物實驗室安全防護(hù)要求，為生物安全實驗室環(huán)境及其控制技術(shù)研究提供了良好的技術(shù)參考。

[1]GB 19489—2008 實驗室 生物安全通用要求[S].

[2]袁秋霞.移動式生物安全實驗艙室內(nèi)人機(jī)環(huán)境的研究[D].天津：天津大學(xué)環(huán)境學(xué)院，2006.

[3]謝景欣，王歡，王建鋒，等.負(fù)壓二級生物安全實驗室設(shè)計關(guān)鍵控制點(diǎn)分析[J].暖通空調(diào)，2013，43（5）：38-42.

[4]李艷菊，吳金輝，張金明，等.CFD在生物安全實驗室氣流組織研究中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2007（1）：15-17.

[5]GB 50346—2011 生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[6]Word Health Organization.Laboratory biosafety manual[M].3rd ed. Malta：Publications of the World Health Organization，2004.

[7]Johnathan Y.Biosafety in microbiological and biomedical laboratories[M].4th ed.Washington：U S Government Printing Office，1999.

[8]許鐘麟，張益昭，張彥國，等.關(guān)于生物安全實驗室送、回風(fēng)口上下位置問題的討論[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2005（4）：15-20.

[9]張宗興，李艷菊，祁建城，等.氣密性高等級生物安全實驗室的負(fù)壓控制[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（6）：116-124.

[10]張宗興，趙明，衣穎，等.生物安全實驗室效率檢漏型高效空氣過濾裝置的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（7）：18-20.

（收稿：2015-05-01 修回：2015-08-12）

Development of mobile detection platform:research on ventilation system and environmental control technology

ZHAO Ming1,2,ZHANG Zong-xing1,2,YI Ying1,2,WU Jin-hui1,2,HAO Li-mei1,2,LIN Song1,2,QI Jian-cheng1,2
（1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.National Bio-protection Engineering Center,Tianjin 300161,China）

Objective To research the airflow,environment and control technology for negative BSL-2 laboratory to prevent harmful biological agents from spreading to the outside.Methods The laboratory had pressure gradient formed and air blown in from the above and out from the below.Fluent software was used for the numerical simulation of the air flow in the laboratory.With the supply air volume kept constant and exhaust one changed,the environment and control technology were researched to have the exhausted air being clean.Results The air in the laboratory flew from the clean area to the contaminated area,and then the environmental parameters and the cleaning of the exhausted air could be ensured so that the stable control of the laboratory could be realized.Conclusion The research on ventilation system and environmental control technology makes BSL-2 laboratory able to perform contamination control and to meet the requirements of the pathogenic microorganism laboratory for bio safety.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：30-32，35]

mobile detection platform;ventilation;environment control;BSL-2 laboratory;decontamination;negative pressure

R318；Q-338

A

1003-8868（2015）11-0030-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.030

國家科技重大專項課題（2012ZX10004801002）；863計劃課題（SS2014AA021405）

趙 明（1981—），男，副主任，助理研究員，主要從事移動實驗室防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備方面的研究工作，E-mail：zhaom@npec.org.cn。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城）；300161 天津，國家生物防護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心（趙 明，張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，林 松，祁建城）

祁建城，E-mail：qijc@npec.org.cn