机动侦检平台的研制（二）——通风系统及环境控制技术研究

赵 明，张宗兴，衣 颖，吴金辉，郝丽梅，林 松，祁建城

机动侦检平台的研制（二）
——通风系统及环境控制技术研究

赵 明，张宗兴，衣 颖，吴金辉，郝丽梅，林 松，祁建城

目的：开展负压型生物安全二级实验室气流组织、环境及控制技术研究，进行污染控制，防止有害生物因子向外界扩散。方法：采用实验室阶梯压力和气流上送下排的设计方法，利用Fluent软件对实验间内的气流组织进行数值模拟，采用定送变排的风量设定及控制方法，进行环境及控制技术研究，保证实验室外排空气洁净。结果：该技术可使实验室空气由清洁区域流向污染区域，保证了实验室环境参数及外排空气洁净，对外部不造成污染，实现了实验室环境的稳定控制。结论：通过通风系统设计、环境及控制技术研究建立的负压型生物安全二级实验室通风系统可进行有效的污染控制，可满足病原微生物实验室生物安全防护要求。

机动侦检平台；通风；环境控制；生物安全二级实验室；净化；负压

0 引言

机动侦检平台是国家“十二五”传染病防治重大专项课题“新发突发传染病现场应急防控系列机动装备研发技术平台”的一项核心装备，是负压型生物安全二级实验室，是从事病原微生物检测和科学研究的平台，其核心目的是控制室内生物污染，确保实验人员不受感染，保证外界环境不受污染，同时为实验过程提供清洁的环境，从而达到相应的生物安全防护水平，因此防止有害病原体向外界扩散是确保实验室生物安全的关键。

GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》对不同等级实验室的生物安全有非常明确的要求[1]。生物安全防护水平为二级的实验室操作对象适用于危害程度较低，但能够引起人和动物疾病，且主要通过接触传播，感染后可进行有效治疗和预防措施的生物因子，其建设、使用和管理较为宽松；生物安全防护水平为三级的实验室适用于操作能够引起人类或动物严重疾病，比较容易通过直接接触或媒介途径传播的微生物，其建设、使用和管理等有着非常严格的限制。因此本文研制的机动侦检平台的防护能力介于二级与三级之间，使用灵活方便，保障要求相对低，代表了移动式生物安全实验室的发展方向。本文从生物安全角度出发，对机动侦检平台的气流组织、空气净化、压力控制等方面开展环境控制及生物安全防护技术研究，以满足病原微生物实验室安全防护的要求，为今后移动实验室环境及控制技术研究提供技术借鉴。

1 气流组织研究

气流组织是指通过科学地设置送（排）风口位置、规格、数量、分配风量以及选用适当的风口形式[2]，以便形成从污染概率小区域流向污染概率大区域的受控制的气流。合理的气流组织形式可以大大降低工作人员被感染的概率，同时可以保证病原体不外泄。为此，GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》中6.3.3.2部分明确要求三级生物实验室防护区房间内送风口和排风口的布置应符合定向气流的原则，有利于减少房间内的涡流和气流死角[1]，但对于二级生物实验室并未作出具体要求。机动侦检平台为负压型生物安全二级实验室，主要完成危害等级较高的病原体操作，因此本研究依据三级实验室的定向气流要求开展设计。

1.1 气流组织设计

就实验室区域间气流流向而言，本研究利用阶梯压力来实现实验室气流组织单向性，即通过压力递减的方式来进行污染控制，具体来说是缓冲间工作压力高于实验间工作压力。因此，气流由缓冲间流向实验间形成单向气流。就区域内气流组织而言，气流组织形式多样，有上送上排、上送下排、对角送排等多种样式，其根本取决于送风口的形式和布置形式。本研究生物安全实验室防护区内风口位置设定应符合定向气流的原则，即由清洁区域流向污染区域，房间内由污染概率小区域流向污染概率大区域，避免涡流和气流死角，且送排风应不影响其他设备（如生物安全柜）的正常使用[3]。

核心工作间是进行危害实验操作的区域，因此实验间的气流组织也应符合低风险区向高风险区定向流动的原则。采用上送下排和对角送风的气流控制方式，洁净空气由送风管道从清洁侧送入，从污染一侧排出[4]。在实验室右侧顶部设置送风风道，风道上设置4个送风口，中间位置不设置风口（如图1所示），其目的是为在实验台上避免直吹的实验操作预留空间，保证实验环境的多样性需求。将核酸检测系统、免疫检测系统等相关需人员操作的设备设置在风口侧，生物隔离器等容易产生污染气溶胶的设备设置在污染侧（左侧）。

实验间与准备间之间的隔板上设置排风口。准备间内空气经由排风口进入实验间内，再经由实验间排风口集中排出，如图2、3所示。

1.2 气流组织模拟

实验间的气流组织形式为上送下排，即实验间送、排风口对面布置，实验间一侧设置送风口，另一侧下部底角位置处布置一排风口，从理论上形成低污染区向高污染区的定向气流。送风口风速过高会直接射流至工作台面从而引起较强的涡流。因此，最终在上部共布置4个上送送风口，以降低风口出风风速。为了验证设计的合理性，使用Fluent软件对实验间内的气流组织进行了数值模拟。图4为送风口下方的XY平面的气流组织，可以看到只在第二和第三风口之间形成了微弱涡流，其他位置涡流并不明显，说明送风口数量的增加有效减少了涡流的发生。图5为实验室中间位置XY平面的气流组织，从气流流向可以看出实验间内形成了明显的低污染区向高污染区的定向趋势流，说明实验间的送排风设置科学合理。

图1 实验室右侧风口布置图

图2 实验室左侧风口布置图

图3 实验室气流组织原理图

图4 送风口下方XY平面气流组织

图5 实验室中间位置XY平面气流组织

2 环境及控制技术研究

污染控制是高等级生物安全实验室的核心内容，其关键技术是将实验室内因实验操作产生的有害生物气溶胶通过通风换气、过滤净化和消毒灭菌等方式进行无害化处理，保证实验室外排空气洁净，对外部不造成污染。机动侦检平台是负压型P2实验室，其生物安全防护系统接近于BSL-3级实验室中对通风空调系统的技术要求，因此机动平台通风及其控制系统涉及生物安全防护关键要素，符合GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》中有关BSL-3实验室要求的强制性条文规定要求[5]。

参照GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》，机动侦检平台实验室环境参数设计见表1。

表1 机动侦检平台环境参数

2.1 净化系统设计

本研究设定实验间与室外负压差为-40 Pa，正常运行时洁净度为8级，实验室外部气溶胶可随气流通过车厢门窗、开孔和缝隙等进入实验室内，因此需要通过送风净化的方式保证实验室内的洁净度。

2.1.1 送风系统设计

送风系统流程如图6所示。实验室外新风通过初效过滤器滤除掉扬尘、蚊虫、花粉等大颗粒物质，经由空调机组进行冷热处理，达到预期温湿度后，通过风机动力作用经中效过滤器进一步滤除较大气溶胶颗粒，在气流分配箱内分成2路，一路送入实验间内，另一路送入准备间内。送入实验间内空气通过定风量阀的自动调节作用保证送入实验间内气量恒定，保证换气次数稳定。设置生物密闭阀，其作用是实验室在消毒时可关闭阀门，保证实验室密闭。在实验室送风口内设置4个高效过滤器进行最终净化处理，保证实验间内空气洁净度为8级。送入准备间内的气路中间设置手动风量调节阀和高效过滤器，以进行压力调整和保证净化效果。

2.1.2 排风系统设计

排风系统流程如图7所示。实验室排风共有2个部分，一部分是实验间内空气，经过高效过滤装置净化处理，通过风量调节阀门和排风机排出车外，保证外排空气无污染；另一部分是准备间内空气，准备间内常规运行为正压环境，属于清洁区域，该区域内生物污染风险小，将其内空气通过高效过滤后直接排入实验间内，随实验间内空气一起处理后排放。

图6 送风流程图

图7 排风流程图

2.2 压力及控制系统设计

生物安全实验室通常采用负压防护措施[6-7]，防止实验室内污染气溶胶颗粒通过密封不严的门窗、孔口、缝隙等泄漏点逸散。负压防护是通过控制进出实验室的风量的方式，使排风量大于送风量，实验室内呈现负压状态，则实验室内气溶胶颗粒不会通过泄漏点扩散至外部环境构成生物危害。

机动侦检平台采用定送变排的方式保证实验室压力的恒定[8-9]。具体来说，实验室送风通过风机定频运行保证实验室系统总体送风量恒定，通过风量分配器将新风分成2路，一路送入实验室，另一路送入准备间。送入实验间内的空气经过定风量阀设定调节，保证送入的风量恒定，即保证实验室换气次数的稳定性；排风则通过变风量阀控制外排风量来调整实验室压力，由过程控制器采集压力传感器的压差信号，与设定压力进行比较运算后，控制器根据压力偏差控制算法调节阀门开度进行排风量调整，从而达到所设定的压力[10]。

准备间内的空气排入实验间内，2个区域间压差值为55 Pa，靠自然逸散，则准备间内空气流量很小，且其内设备发热量较大，难以满足实验温度要求。因此采用动力通风的方式增大缓冲间的排风量，再通过增大风机总送风量，进而增加送入准备间送风量的方式，使得缓冲间换气次数大大增加，进而满足温湿度要求。

机动平台的另一项重要功能是进行病原体采样，即进入污染区内进行样本采集。车辆进入污染区后，外部空气、粉尘、粉末等悬浮气溶胶颗粒受到生物污染的可能性大大提高，因此有必要对实验室内部进行生物安全防护。常用的污染区防护方式是采用正压防护的方式保证实验室不受外部环境污染，即在车厢内部建立正压环境。机动平台正压的建立，是在负压控制的基础上，采用固定送风，减少排风的方式保证实验室正压。通过控制变风量阀的压力设定，减小阀门开度进而减少阀门通风量，经控制器比较运算后实时对压力进行调整，保证正压环境。

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3 结语

通风系统及环境控制是高等级生物安全实验室的核心。本文进行通风系统设计，通过分区设置及风口布置保证气流组织由清洁区流向污染区的单向性，建立负压型生物安全实验室，采用环境及负压控制技术，开展洁净度控制和污染空气排放处置研究，使实验室保持一定的负压及压力梯度，防止污染物扩散，并采取有效的高效过滤措施，保证外排空气洁净，对外部环境不构成污染，满足病原微生物实验室安全防护要求，为生物安全实验室环境及其控制技术研究提供了良好的技术参考。

[1]GB 19489—2008 实验室 生物安全通用要求[S].

[2]袁秋霞.移动式生物安全实验舱室内人机环境的研究[D].天津：天津大学环境学院，2006.

[3]谢景欣，王欢，王建锋，等.负压二级生物安全实验室设计关键控制点分析[J].暖通空调，2013，43（5）：38-42.

[4]李艳菊，吴金辉，张金明，等.CFD在生物安全实验室气流组织研究中的应用[J].洁净与空调技术，2007（1）：15-17.

[5]GB 50346—2011 生物安全实验室建筑技术规范[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]许钟麟，张益昭，张彦国，等.关于生物安全实验室送、回风口上下位置问题的讨论[J].洁净与空调技术，2005（4）：15-20.

[9]张宗兴，李艳菊，祁建城，等.气密性高等级生物安全实验室的负压控制[J].中国安全科学学报，2010，20（6）：116-124.

[10]张宗兴，赵明，衣颖，等.生物安全实验室效率检漏型高效空气过滤装置的研制[J].医疗卫生装备，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

国家科技重大专项课题（2012ZX10004801002）；863计划课题（SS2014AA021405）

赵 明（1981—），男，副主任，助理研究员，主要从事移动实验室防护关键技术与装备方面的研究工作，E-mail：zhaom@npec.org.cn。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（赵 明，张宗兴，衣 颖，吴金辉，郝丽梅，林 松，祁建城）；300161 天津，国家生物防护装备工程技术研究中心（赵 明，张宗兴，衣 颖，吴金辉，郝丽梅，林 松，祁建城）

祁建城，E-mail：qijc@npec.org.cn