趙四清，夏建橋，綦 光，孫中杰，歐陽康，靳曉軍，周康力，謝 巍，李海洋，蔣大鵬，高艷艷，孫 蓓

（1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京 100850；2.鎮(zhèn)江康飛汽車制造股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212132；3.北京易安生物科技有限公司，北京 100176）

0 引言

新型冠狀病毒感染疫情的暴發(fā)給全球人民造成巨大生命損失的同時(shí)也重創(chuàng)了全球貿(mào)易，因此如何有效控制疫情，確保地區(qū)生產(chǎn)和生活有序進(jìn)行，成為各國政府的重點(diǎn)工作。移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室作為一種可在疫區(qū)一線部署的防疫裝備，為疫情防控提供了強(qiáng)有力的支撐[1-2]。

我國移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近20 a 的發(fā)展，類別逐步細(xì)化，既有注重機(jī)動(dòng)性的未知病原體快檢平臺(tái)，又有注重功能性的科研平臺(tái)。由于我國對(duì)車輛運(yùn)輸尺寸的限制[3]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸較為固定，導(dǎo)致傳統(tǒng)的移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室（如方艙式、車廂式和集裝箱式）的核心工作區(qū)面積較小，且人機(jī)工效仍有不足，無法處理批量樣本。而對(duì)于核心區(qū)面積較大的活動(dòng)板房式實(shí)驗(yàn)室，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性不足，只能達(dá)到BSL-2 級(jí)別要求，且重復(fù)利用率差、模塊化程度低、裝備速度慢，不太適宜高效防疫的任務(wù)需求。各類移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)輸能力、核心區(qū)面積、生物安全等級(jí)等對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 各類移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室比較

本文研制一種裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)提升批量化運(yùn)輸和規(guī)?；渴鹉芰Γ荚跒槲覈咔榉揽睾途惩庠峁┮环N更加可靠、高效的移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室。

1 實(shí)驗(yàn)室的模塊化集成

本項(xiàng)目借鑒我軍模塊化保障裝備，如野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院[4]和武警方艙醫(yī)院[5]的設(shè)計(jì)理念研制。研制的裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室各模塊內(nèi)部組件按類別編碼，采用標(biāo)準(zhǔn)箱組進(jìn)行堆碼貯存[6]。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可按需選用模塊數(shù)量，利用托盤進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)（如圖1 所示），托盤規(guī)格符合B747、B767 等民航飛機(jī)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，以提升批量化運(yùn)輸和規(guī)?；渴鹉芰Γ瑵M足應(yīng)急使用需求。

圖1 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸狀態(tài)

2 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室主要由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊、保障設(shè)施模塊和實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊構(gòu)成。其中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊包括調(diào)平底架、輕量化板、密封型材、裝飾蓋板、密閉門等；保障設(shè)施模塊包括供電配電、通信監(jiān)控、通風(fēng)系統(tǒng)（包括送風(fēng)模塊合排風(fēng)模塊）、控制系統(tǒng)、水氣保障等子模塊；實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊包括安全柜、培養(yǎng)箱、滅菌鍋、試劑冰箱等。裝配組合式模塊化BSL-3實(shí)驗(yàn)室整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊以調(diào)平底架為“地基”，以輕量化板為圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如圖3 所示）。其中調(diào)平底架為框架結(jié)構(gòu)，通過可調(diào)節(jié)式支腿支撐，裝配時(shí)需先對(duì)場地進(jìn)行硬化處理，確保不平度≤3%；輕量化板拼接處由密封型材組合連接，拼縫通過圓弧和平面蓋板型材進(jìn)行裝飾過渡，以消除消毒死角；密閉門采用機(jī)械式氣密門，采用互鎖控制方式。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊拼裝示意圖

保障設(shè)施模塊各部分均采用模塊式集成設(shè)計(jì)和箱組化設(shè)計(jì)，其中通風(fēng)系統(tǒng)按照功能分為送風(fēng)模塊和排風(fēng)模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成凈化過濾、通風(fēng)換氣、溫濕度調(diào)節(jié)、滅菌消毒和故障檢測功能。供電配電和通信監(jiān)控模塊采用滾塑箱設(shè)計(jì)，強(qiáng)度高、易搬運(yùn)，線纜為標(biāo)準(zhǔn)航插結(jié)構(gòu)，可快速拔插、防塵防雨。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊采用航空鋁制箱統(tǒng)一收納，減振防潮，且箱組尺寸采用分檔設(shè)計(jì)，便于堆碼運(yùn)輸。

2.2 工藝布局

依據(jù)GB 27421—2015《移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)室 生物安全要求》標(biāo)準(zhǔn)要求，裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部分為輔助區(qū)和防護(hù)區(qū)[7]，輔助區(qū)包括監(jiān)控室和更衣室，防護(hù)區(qū)包括緩沖間和實(shí)驗(yàn)間。實(shí)驗(yàn)間配置安全柜、高壓滅菌器、培養(yǎng)箱、冰箱，并配置折疊工作臺(tái)用于放置實(shí)驗(yàn)儀器。裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室工藝布局如圖4 所示。

圖4 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室工藝布局圖

實(shí)驗(yàn)人員由監(jiān)控室依次通過更衣室和緩沖間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)間；實(shí)驗(yàn)樣本、耗材隨實(shí)驗(yàn)人員帶入；實(shí)驗(yàn)廢棄物經(jīng)高壓滅菌后帶出實(shí)驗(yàn)室。

2.3 氣密性設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有橫向和縱向兩類裝配縫隙。

橫向裝配縫隙主要是底板拼裝、頂板拼裝以及底板、頂板與側(cè)板、隔板拼裝產(chǎn)生的縫隙?？p隙處通過圓弧裝飾蓋板或平面裝飾蓋板與“O”型膠條進(jìn)行密封，形成內(nèi)外雙層密封，提升氣密性，如圖5 所示。

圖5 橫向拼裝縫密封結(jié)構(gòu)

縱向裝配縫主要是側(cè)板和隔板拼裝時(shí)產(chǎn)生的縫隙，該縫隙采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)型材，內(nèi)外側(cè)均設(shè)有“啞鈴”密封膠條，并通過卡扣式蓋板進(jìn)行擠壓，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化組合密封，如圖6 所示。

圖6 縱向拼裝縫密封結(jié)構(gòu)

穿線孔、密閉門、設(shè)備固定點(diǎn)、墻壁開孔等均采用成熟的密封工藝。經(jīng)檢測，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在-300 Pa 壓力條件下，最大空氣泄漏量為0.62 m3/min，達(dá)到GJB 6109—2007《軍用方艙通用規(guī)范》所規(guī)定的1 級(jí)氣密性方艙要求[8]，同時(shí)滿足移動(dòng)式BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性要求。

2.4 輕量化板設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單板均采用碳纖維蒙皮和鋁蜂窩芯材復(fù)合的大板結(jié)構(gòu)，單板質(zhì)量≤70 kg，框架型材采用鋁合金材質(zhì)，質(zhì)量≤40 kg，可手動(dòng)搬運(yùn)，保證裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室展開時(shí)間≤24 h（8 人操作），提高展開和收攏的便捷性和運(yùn)輸性能。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 送、排風(fēng)原理

緩沖間和實(shí)驗(yàn)間采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)經(jīng)初、中、高3 級(jí)過濾器集中過濾。裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室總排風(fēng)口設(shè)置在實(shí)驗(yàn)間安全柜后側(cè)，排風(fēng)經(jīng)風(fēng)口型和BIBO 型兩級(jí)高效過濾器過濾后排放。緩沖間采用漏風(fēng)閥的排風(fēng)形式。

防護(hù)區(qū)設(shè)置有序壓力梯度，其中實(shí)驗(yàn)間設(shè)置為-40 Pa，緩沖間設(shè)置為-15 Pa。實(shí)驗(yàn)間的送風(fēng)管道和排風(fēng)管道均設(shè)置生物型密閉閥，便于裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室開展氣密性檢測和空間消毒滅菌操作。裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)原理圖如圖7 所示。

圖7 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)原理圖

3.2 送風(fēng)和排風(fēng)模塊

送風(fēng)和排風(fēng)模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)鋁合金框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部高度集成設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸。

送風(fēng)模塊與新風(fēng)空調(diào)集成設(shè)計(jì)，空調(diào)主體按照部件模塊分別與箱組框架減振連接，整體質(zhì)量可減少50 kg，同時(shí)便于維護(hù)和檢修。送風(fēng)模塊整體設(shè)計(jì)示意圖如圖8 所示。

圖8 送風(fēng)模塊示意圖

排風(fēng)模塊集成一主一備2 套風(fēng)機(jī)和BIBO 過濾裝置，配置獨(dú)立控制單元，確保防護(hù)區(qū)壓力梯度穩(wěn)定。排風(fēng)模塊整體設(shè)計(jì)示意圖如圖9 所示。

圖9 排風(fēng)模塊示意圖

3.3 氣流組織模擬分析

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件進(jìn)行模擬，分析防護(hù)區(qū)氣流組織、微環(huán)境的速度場和溫度場。以降溫過程為仿真對(duì)象，設(shè)置邊界條件。仿真模型選用零方程模型，較兩方程k-ε模型收斂速度更快，提高了仿真模擬的效率[9]。壁板傳熱系數(shù)為2.5 W/（m2·℃），設(shè)備預(yù)估散熱量為3 kW。

仿真結(jié)果如圖10～12 所示?？梢钥闯觯瑲饬髡w從低污染區(qū)向高污染區(qū)流動(dòng)，未形成渦流，符合三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室要求；人員操作面風(fēng)速約為0.2 m/s，速度場穩(wěn)定，符合實(shí)驗(yàn)操作需求；室內(nèi)溫度控制均勻，23.5 ℃的等值域≥94.8%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 防護(hù)區(qū)氣流組織仿真圖

圖11 防護(hù)區(qū)速度場（操作面）仿真圖

圖12 防護(hù)區(qū)溫度場仿真圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)采用集散控制策略，設(shè)計(jì)緩沖間模塊、實(shí)驗(yàn)間模塊、送風(fēng)模塊和排風(fēng)模塊控制單元，各個(gè)單元具備獨(dú)立控制功能，相互之間可協(xié)調(diào)聯(lián)控，有效控制故障率，提升可靠性。所有控制單元的數(shù)據(jù)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并由上位機(jī)的控制模塊采集和統(tǒng)一管理，同時(shí)配置遠(yuǎn)程通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖13 所示。

圖13 控制系統(tǒng)框圖

5 實(shí)驗(yàn)室檢測

依據(jù)GB 27421 和GB 19489 的相關(guān)要求，對(duì)裝配組合式模塊化BSL-3實(shí)驗(yàn)室的綜合性能和消毒效果進(jìn)行檢驗(yàn)。測試項(xiàng)目主要包括裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的物理綜合性能和消毒效果。測試條件為外部溫度35～40 ℃，相對(duì)濕度60%～75%，實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行，各核心設(shè)備正常開啟。測試結(jié)果見表2。

表2 裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知，裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)指標(biāo)均符合生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可開展三級(jí)病原體的檢驗(yàn)和研究工作。其中，為保證空調(diào)系統(tǒng)的制冷或制熱效率，確保室內(nèi)溫度控制在18～26 ℃，相對(duì)濕度控制在30%～70%，設(shè)計(jì)時(shí)將換氣次數(shù)設(shè)置為24 次/h，目的主要是通過優(yōu)化新風(fēng)量來提升室內(nèi)換熱效率，同時(shí)確保室內(nèi)噪聲控制在68 dB（A）以下。

此外，裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室在正式交付使用前還需按技術(shù)指標(biāo)要求對(duì)其適應(yīng)性、可靠性做進(jìn)一步的檢測[10]。

6 結(jié)語

裝配組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室提升了圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性，使其達(dá)到移動(dòng)式BSL-3 實(shí)驗(yàn)室要求，且通過型材框架裝配的結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)≮10 次的重復(fù)拆裝壽命，提升了重復(fù)利用率、模塊化程度和裝備速度。與傳統(tǒng)移動(dòng)生物安全實(shí)驗(yàn)室相比，有了較為明顯的提升。但從操作的實(shí)際情況來看，還需要從以下4 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）目前現(xiàn)場裝配的零部件數(shù)量＞400 個(gè)，需要通過模塊重組減少零部件數(shù)量，降低現(xiàn)場裝配難度和用戶學(xué)習(xí)成本；（2）提升碳纖維復(fù)合板的保溫性，從而降低送、排風(fēng)模塊能耗、尺寸和質(zhì)量，進(jìn)一步提升裝備的運(yùn)輸性能；（3）安全柜、滅菌鍋、冰箱、培養(yǎng)箱等基礎(chǔ)設(shè)備質(zhì)量大，現(xiàn)場搬運(yùn)困難，需要定制開發(fā)專用便攜式搬運(yùn)裝置；（4）為避免壁板拼接縫隙存在衛(wèi)生與消毒死角，目前采用密封膠方式，增加了實(shí)驗(yàn)室拆卸難度，需進(jìn)一步優(yōu)化拼接縫隙處理方式。