谷 鑫 李雪柏 高連勝 王衍海 韓 俊 譚吉賓 呂 陽*

中國疾病預防控制中心病毒病所(以下簡稱病毒病所)為國家新發(fā)、突發(fā)病毒性傳染病提供全面的技術支持。病毒病所建立有完善的醫(yī)學病毒檢測和研究的實驗室，成功地進行了多種病毒的分離鑒定，能夠開展病毒病原學、免疫學、病毒結構與功能及病毒宿主細胞相互作用等研究，有效應對了多起病毒病疫情的發(fā)生[1]。病毒病所建立有生物安全三級實驗室(biosafety level Ⅲ laboratory，BSL-3)和多個生物安全二級實驗室(bio-safety level Ⅱ laboratory，BSL-2)。BSL-2的穩(wěn)定運行，是相應類型病毒檢測鑒定實驗正常開展的基礎[2]。

病毒病所BSL-2由自動控制系統(tǒng)通過直接數(shù)字控制(direct digital control DDC)控制空調機組、排風機、風閥及水閥等設備工作以保證相應的各項空氣和環(huán)境指標符合國家標準。近年來，BSL-2存在冬季溫度過高的問題，已不滿足國家標準《實驗室生物安全通用要求》(GB19489-2008)規(guī)定，為實驗室規(guī)范運行帶來不利影響。本研究從系統(tǒng)設計、熱媒、冬季防凍及運行管理等方面分析產生溫度過高現(xiàn)象的原因，提出對應的解決方案，為今后生物安全實驗室的設計和管理提供參考依據(jù)。

1 溫度過高對BSL-2的影響

BSL-2的運行要符合《實驗室生物安全通用要求》(GB19489-2008)中明確規(guī)定的實驗室溫度宜控制在18～26 ℃范圍內[3]。BSL-2溫度過高會對病毒學實驗產生很大干擾，直接影響實驗設備的正常運行。

(1)二氧化碳(CO2)培養(yǎng)箱是病毒學實驗室的核心設備，病毒敏感細胞的培養(yǎng)依賴于此設備，BSL-2溫度一旦高于國標要求，CO2培養(yǎng)箱將異常工作或停止工作，導致病毒敏感細胞不能生長，病毒分離、培養(yǎng)及擴增實驗無法開展[4]。

(2)冰箱用于保存各類樣本、試劑，BSL-2溫度高于國標要求，將影響冰箱正常散熱，導致樣本失去活性、試劑損壞。

(3)BSL-2溫度過高還會影響實驗室DDC控制器運行，無法保證正常的負壓梯度、換氣次數(shù)以及定向氣流控制，嚴重時可造成核心工作間空氣逆流至緩沖間而出現(xiàn)實驗室周圍環(huán)境污染，增加實驗人員暴露的可能性和實驗室感染事件發(fā)生的風險[5-7]。

2 BSL-2供暖原理

BSL-2采用空調全新風機組熱水方式供暖，供暖鍋爐產生的高溫一次熱媒(70～90 ℃熱水)，由循環(huán)水泵通過供暖管道將熱媒輸送至板式換熱機組，經板式換熱機組將降溫后的二次熱媒(50～60 ℃熱水)輸送至各新風機組，室外新風經新風機組二次熱媒升溫后進入實驗室內，達到供暖效果。新風機組通過水閥、風閥的調節(jié)來實現(xiàn)對實驗室溫度控制。供暖原理如圖1所示。

圖1 BSL-2供暖原理圖

2.1 送風方式

BSL-2空調系統(tǒng)采用全空氣送風方式，聚合酶鏈反應(polymerase chain reaction，PCR)實驗室、病原實驗室和血清學實驗室采用上送側下回的方式滿足實驗室溫度、壓力和潔凈度的要求[8]。

全空氣送風利用負壓按照一定比例將新風吸入風道，經初效過濾器完成一次過濾，過濾后的新風與回風混合，經表冷段完成冷熱交換，由除濕段或加濕段進行除濕或加濕，再經中效過濾器完成二次過濾，最后經風機，按一定比例送入實驗室內，其送風原理如圖2所示。

圖2 BSL-2送風原理圖

2.2 排風方式

BSL-2排風系統(tǒng)為全送直排式，采用全排型生物安全柜和公共排風相結合的方式，將污染區(qū)和半污染區(qū)內氣流死角和渦流降至最小程度。首先開啟公共排風機，將空氣吸入公共排風管道，經妥思調節(jié)閥進行風量控制，按一定比例送出實驗室外。其次PCR實驗室、病原實驗室配有生物安全柜排風系統(tǒng)，開啟生物安全柜雙速排風機，將空氣吸入生物安全柜風道，經妥思調節(jié)閥進行風量控制，按一定比例送出實驗室外，并使實驗室壓力達到國家標準《實驗室生物安全通用要求》(GB19489-2008)規(guī)定的標準，其排風原理如圖3所示。

圖3 BSL-2排風原理圖

3 溫度過高現(xiàn)象原因分析

3.1 設計原因

BSL-2冬季供暖和夏季制冷由熱媒(冷媒)、空調系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和末端設施組成。冬季供暖由供暖鍋爐提供熱媒，夏季制冷由制冷機組提供冷媒，共同一套供水管道、回水管道和風道。其換熱計算見公式1；

Q=KA△t (1)

式中Q為總換熱量， K為總換熱系數(shù)，A為換熱面積，△t進行換熱的兩流體之間的平均溫度差

夏季制冷運行中換熱流體水與空氣之間的平均溫差相對較小，冬季供暖運行中換熱流體水與空氣之間的平均溫差相對較大，空調機組在設計階段為確保盤管的性能，以夏季制冷的參數(shù)作為設計標準，所以冬季供暖的換熱量較大，造成BSL-2冬季供暖溫度較高。

3.2 過渡季室外溫度不穩(wěn)定

由于冬季供暖夏季制冷共同使用一套供水管道、回水管道和風道，所以空調供應分為制冷季、過渡季和供暖季，每年5-9月為制冷季，10月為過渡季，11-12月和1-3月為供暖季，4月為過渡季，過渡季用于保養(yǎng)和檢修空調設備設施[9]。過渡季期間空調系統(tǒng)停止供暖和制冷，利用負壓按照一定比例將室外新風吸入風道，經初效過濾器和中效過濾器完成空氣過濾，最后經風機，按一定比例送入實驗室內。由于過渡季室外環(huán)境溫度較高，造成BSL-2溫度較高。

3.3 冬季防凍

(1)當冬季室外溫度較低時，空調機組表冷器存在凍裂的安全隱患，凍裂的主要原因是：①室外新風溫度低于熱媒溫度，熱媒溫度過低，導致管道內熱媒因整體溫度低而凍結，表冷器整體出現(xiàn)凍裂情況；②系統(tǒng)中水流速過低，導致系統(tǒng)內水結冰，表冷器基管局部出現(xiàn)凍裂[10]。

(2)為防止冬季表冷器凍裂的情況發(fā)生，在實際運行中將二次熱媒溫度保持在50～60 ℃，以減少表冷器整體凍裂情況的發(fā)生，但50～60 ℃的二次熱媒也造成BSL-2溫度過高。

(3)為提高系統(tǒng)中的水流速，所有空調機組在開啟狀態(tài)下水閥開度設定為30%，關機狀態(tài)下水閥開度設定為100%，這樣設定雖然降低了表冷器基管局部凍裂的風險，但水流速提高也造成BSL-2溫度過高。

3.4 溫室效應

病毒病所各類生物安全實驗室分置于樓體東、西兩側，冬季依靠空調系統(tǒng)進行供暖。東區(qū)BSL-2由9個實驗單元組成，西區(qū)BSL-2由4個實驗單元組成，每個實驗單元由血清學實驗室、細胞學實驗室、病原實驗室和PCR實驗室組成。

BSL-2是全封閉狀態(tài)，每個實驗單元有生物安全柜、-80 ℃超低溫冰箱、-40 ℃低溫冰箱、高壓蒸汽滅菌器和二氧化碳培養(yǎng)箱等常用儀器，部分實驗單元放置大量設備，已經超出實驗室原有設計的散熱能力，導致部分BSL-2溫度較高。另外受日照條件影響，南向實驗室比北向實驗室溫度高。

針對病毒病所冬季溫度波動問題，按樓層和朝向選定了溫度波動顯著的5間BSL-2，具體實驗室的朝向、設備種類、數(shù)量、功率及散熱量等見表1和表2。

表1 BSL-2溫室效應基本情況

4 過渡季溫度控制對策

4.1 設計區(qū)分夏季和冬季模式

空調系統(tǒng)設計時應區(qū)別夏季制冷和冬季供暖模式。夏季制冷模式使用面積較小的多排基管，確保盤管性能，冬季供暖模式采用小溫差、大流量的設計，減小盤管供回水溫差，保證水溫[11]。這樣可以減小換熱流體水與空氣之間的平均溫差，以減小冬季供暖的換熱量，減少BSL-2冬季溫度過高的現(xiàn)象。

4.2 設計過渡季風冷熱泵機組

過渡季期間停止中央空調系統(tǒng)供暖和制冷，用于保養(yǎng)和檢修中央空調設備。BSL-2溫度隨著室外環(huán)境溫度波動相應出現(xiàn)波動，應加裝一套風冷熱泵機組，根據(jù)室外溫度變化，提供制冷或供暖，以穩(wěn)定過渡季BSL-2溫度指標。

風冷熱泵的基本原理是基于壓縮式制冷循環(huán)，利用冷媒作為載體，通過風機的強制換熱，從大氣中吸取熱量或者排放熱量，以達到制冷或者制熱的需求[12]。

表2 BSL-2散熱設備基本情況(臺)

4.3 設計冬季防凍

將防凍傳感器安裝在新風機組的進風段前側，即迎風面才能起到相應的預警作用。當室外溫度在0～-5 ℃時，及時減少新風閥開度，以減少新風量，加大回風閥開度，以增加回風比例，提高混合風溫度。通過減少溫差，提高水流速，防止凍裂[13]。當室外溫度在-5～-15 ℃時，可以關閉新風閥，停止送風機組，打開旁通，將水閥開至100%，保持水系統(tǒng)的正常循環(huán)，水溫在50～60 ℃。當室外溫度低于-15 ℃時，關閉空調機組，機組徹底排水。

表3 BSL-2室內溫度基本情況(℃)

4.4 溫室效應

配置實驗室設備時應根據(jù)實驗室設計的散熱能力，符合《疾病預防控制中心建筑技術規(guī)范》(GB50881-2013)[14]和《疾病預防控制中心建設標準》(建標127-2009)的要求，如超出原有設計散熱能力，應增加單獨的設備排風系統(tǒng)，有效降低由設備散熱增加的溫度[15]。

對南向實驗室的窗戶進行隔熱處理：①選擇對光和熱有吸收能力的隔熱玻璃，常見隔熱玻璃有吸熱玻璃、鍍膜玻璃和中空玻璃；②玻璃增加防曬隔熱貼膜，以減少日照產生的溫度；③增加窗簾隔熱，使用具有一定隔熱效果帶有隔熱涂層的金屬百葉簾及PVC材質的卷簾。

4.5 科學有效的管理

(1)根據(jù)室外溫度及時調整熱媒溫度，當室外溫度在0～-5 ℃時，將板式換熱機組降溫后的二次熱媒由40～50 ℃降低到30～40 ℃，并減小風閥開度。通過降低空調機組的送風溫度，以降低BSL-2內的溫度。當室外溫度低于-5 ℃時，板式換熱機組降溫后的二次熱媒保持在40～50 ℃，實時減少風閥開度，以減少新風量，降低BSL-2內的溫度。

(2)對每個位置、朝向和散熱設備數(shù)量不同的BSL-2對風閥及水閥進行有針對性的逐一調節(jié)，降低南向實驗室水閥和風閥的開度，在保持壓力標準范圍內的情況下，降低散熱設備較多實驗室的送風閥開度，提高排風閥開度，降低BSL-2溫度。

(3)選定5間BSL-2在10-12月每日9：00、14：00和17：00時室內溫度情況進行監(jiān)測，統(tǒng)計出最低溫度、最高溫度及平均溫度(見表3)。

5 結論

BSL-2冬季溫度過高的原因是由空調設計參數(shù)、過渡季室外溫度較高、冬季防凍二次熱媒溫度較高、室內散熱設備超出設計標準及南向實驗室日照強度等多因素造成，需要采用分夏季制冷和冬季供暖模式設計空調參數(shù)、過渡季使用風冷熱泵系統(tǒng)、冬季防凍采用減少風閥開度并增加旁通閥門和南向實驗室使用隔熱玻璃等不同方法逐步解決。因此，管理人員需加強日常監(jiān)控，根據(jù)室外溫度及時調節(jié)熱媒溫度，確定風冷熱泵啟停時間；針對不同季節(jié)，及時調整風閥及水閥等設備運行參數(shù)，以保證生物安全實驗室空調系統(tǒng)的正常運行。