再谈生物安全实验室通风空调系统的设计

摘要：  本文主要针对三级生物安全实验室如何才能做到“保证正在工作的排风机发生故障时，室内负压状态不被破坏，备用风机能自动启动，使系统不间断正常运行”问题进行探讨。并结合自己在设计和建设三级生物安全实验室的实践经验,提出了自己的看法和建议。

前言
    自爆发非典疫情以来，全国各地兴建P3实验室如雨后春笋（三级生物安全实验室，俗称P3实验室），据说P4实验室也正在筹建过程中，由于P3实验室的建设在我国还是新鲜事物，国家于2004年先后也出台了《实验室生物安全通用要求》（GB19489—2004）、《生物安全实验室建筑技术规范》（GB50346—2004）、《兽医实验室生物安全管理规范》等规范和标准。但各单位对《规范》中的具体要求认识不一，做法也很不一致。又由于P3实验室的高危险性和行业的特殊性，因此对设计人员的专业知识要求较高。P3实验室的设计人员不但要熟悉生物安全的要求；还要精通空调通风和净化，尤其要有负压系统的设计经验；更要懂得负压系统的自动控制，即对自控的硬件（变送器、执行器及设备）和软件（编写监控程序、对监控参数的分析和故障的应急处理）以及控制对象的特性都要非常熟悉。只有这样才能设计出既安全可*，又经济实用的生物安全实验室。

    笔者在与许多设计师接触时，发现他们的专业知识面比较狭窄，有的没有生物安全的概念，或无负压系统的设计经验（仅有正压系统的设计经验是不够的），更有大多数对自动控制一窍不通，因此设计无从下手，仓促上阵，必然会造成不必要的浪费或留下安全隐患。
    本文主要针对新的《实验室生物安全通用要求》和《生物安全实验室建筑技术规范》中提出的；“三级和四级生物安全实验室应设置备用排风机，为了保证正在工作的排风机发生故障时，室内负压状态不被破坏，备用排风机必须能自动启动，使系统不间断正常运行”的要求如何实现；以及如何防“倒灌”；如何设置值班系统等关键性的问题，发表自己的一些看法和见解，希望能对我国的生物安全实验室的建设尽到一点微薄之力。
一、负压系统的控制方案：
    为了保证P3实验室各房间（尤其在有全排风的Ⅱ级生物安全柜的实验室房间）的负压和压力梯度，对P3实验室负压系统的通风空调控制通常有以下三种设计方案：
1、房间送、排风均为变风量
   即安全柜开、停时，计算机通过变风量风阀和风机，自动调节送、排风风量，使实验室各房间负压和压力梯度保持不变。从原理上来说此方案实为最理想的方案，即节能又合理。但由于在生物安全柜开、停时，整个系统的总风量和压力需要重新调节和平衡，而且存在多个变量和多个控制对象以及负压系统控制的倒相等问题，因此实现自动控制比较复杂，难度较大，投资成本也高，因此很少采用。
2、房间送风为定风量，排风为变风量
   采用此方案，通常生物安全柜排风管直接接在系统的排风总管上，与房间的排风管分开，即不受房间排风的变风量风阀控制，生物安全柜启用或停止时通过变风量风阀，自动调节房间排风量的大小，以维持室内压力不变。实质上调节房间排风量的大小，也就是在生物安全柜启用或停止时维持房间的总排风量不变。因此系统的总送风和总排风风量也不变，系统始终处于平衡状态，自动控制实现起来比较容易，投资也较省，应用较广。但要注意由于变风量风阀调节具有滞后性，安全柜的启、停过程可能会引起室内负压和压力梯度的波动，甚至有倒灌的可能，必须采取有效措施加以防范。
3、房间的送风、排风均为定风量
   采用此方案，通常生物安全柜的排风管直接接在该房间的排风支管上，安全柜的排风和房间的排风同时受同一个排风定风量风阀的控制，使得生物安全柜在启用或停止时，通过排风定风量风阀维持房间总的排风量不变。因此在生物安全柜启用或停止时，对实验室房间的负压和压力梯度基本无影响，系统比较稳定，控制也很简单，投资较省，属目前最流行，采用最多的方案之一。该方案在设计时要注意,在有全排风的Ⅱ级生物安全柜的实验室房间的风量要留有足够余量，以避免生物安全柜在启用时可能发生“倒灌”现象。
2和3两个方案的优点是简单可靠，但不节能。若采用二位定风量阀和双风机的变风量系统，则可以使自动控制变得相对简单，易于实现，符合“安全可靠、节能运行”的原则。
二、双风机变风量系统设计方案
   根据《规范》的要求，如何才能做到“保证正在工作的排风机发生故障时，室内负压状态不被破坏，备用排风机必须能自动启动，使系统不间断正常运行”呢？
   首先要搞清楚什么是负压和压力梯度？“负压”是指室内对大气为负压，而“压力梯度”是指相邻房间之间的压差关系。
   目前，据我所知，现有已建的P3实验室大多都还不能完全做到《规范》中关于设置备用排风机，保证在风机故障时，系统能不间断正常运行的要求。这是由于判断风机故障，以及备用风机的启动和电动风阀动作的滞后特性所决定的。尤其是在主排风机故障时，送风机和生生物安全柜的排风机如何处理？是停还是不停？停送风机室内虽然可以避免出现正压，但会有短暂失压；不停送风机室内则有可能出现正压！同样，停生物安全柜排风机，生物安全柜内也可能失去负压；不停则有“倒灌”的危险。因此仅靠增加一台备用排风机，即一送二排，排风机一主一备，是很难真正做到排风机故障时，系统能“不间断”正常运行的。除非在风机发生故障之前就能作出判断，而提前启动备用排风机。
   因为当只有一台正在工作的排风机一旦发生故障时，其系统排风的动力或压头就会立即消失；排风风量急剧减小，即使立即停送风机和生物安全柜的排风机，然后再利用备用排风机重新启动系统。在这个时间过程中，室内和生物安全柜内可能已经失压或出现正压了！因此一台送风机、二台排风机的通风方案不可行！
   有的单位也有不停送风机和生物安全柜排风机的。据说“在排风机发生故障时，备用排风机能快速切换，其房间与相邻房间也能基本上维持负压，即现场压差表指针不过零”。究竟是否能保证维持负压？我表示怀疑；当我问到房间有没有倒灌现象和该房间对大气是否也能维持负压？他们竟全然不知。甚至说：“我们只要保证相邻房间能维持负压就行了”。这是对生物安全要求的错误理解。
   也有单位在排风机发生故障时，只停送风机而不停生物安全柜排风机，或者根本就不考虑生物安全柜排风机的启停，甚至生物安全柜排风机的启停只有手动控制。这样做是非常危险和绝对不允的；在主排风机发生故障时，不能及时停生物安全柜排风机，就非常有可能向房间内倒灌！因此生物安全柜的排风机启动和停止必须自动控制，不得手动！
   虽然在排风机发生故障时，由于房间内还有生物安全柜的排风机在工作，也许在非常短的时间内还能维持负压，但生物安全柜的排风很可能会向房间内倒灌。若不停送风机这时其它房间还有可能对大气为正压。所以即使该房间与相邻房间仍为负压，但该房间对大气却不一定是负压！
     P3实验室内对大气若为正压或房间内发生倒灌都是非常危险的。所以在判断或验证排风机发生故障时，实验室内是否能不间断的维持负压，不能仅看相邻房间之间的压差，而且还要监视房间对大气是否也维持负压和房间内的排风是否有倒灌现象！
  另外，在《规范》中，仅仅只提到了排风机发生故障的情况，那么假设一旦送风机发生故障又该怎么办呢？笔者认为；在P3实验室通风系统中，送风机也应该设有备用。因为送风机一旦发生故障，排风机也必须停。否则，过大的负压会对实验室内的维护结构造成一定的破坏，或对高效过滤器和实验设备产生不良影响。
  于是笔者提出；在一送二排的基础上，是否可考虑再增加一台送风机或再增加一台送风机和一台排风机，即二送二排；或二送三排，甚至三送三排，且送风机和排风机均采用双机并联运行。这样就能做到正在工作的送风机和排风机其中任何一台发生故障时，还有一送一排，在继续工作。或者另外一台备用风机自动跟进。从而保证室内的负压和压力梯度不被破坏，整个系统才能保证不间断地  正常运行。甚至生物安全柜也能不间断地继续工作！
   因为当二台并联的排风机同时工作，其中一台排风机发生故障时；由于还有一台排风机仍在工作，其排风的动力或压头还能继续维持，虽然系统的排风风量也会减少，但在短时间内由于有定风量阀的作用，室内的负压和压力梯度还不会立即发生变化，只要能立即自动停一台送风机；或者备用风机及时地自动跟进，就能保证系统不间断地正常运行。
   实践证明；采用二位定风量阀的双风机并联变风量系统，即使正在工作的送风机和排风机其中任何一台风机发生故障时，生物安全实验室内的负压和压力梯度也非常稳定，效果甚佳；而且一送一排还可作为夜间值班使用，从而省去另外再单独设置的值班系统，使系统更简单，更节能，更安全可*，投资也更省。
三级生物安全实验室通风系统的风机设置方案归纳如下：
表1 通风系统送排风及备用风机方案比较
 

   从表1可见；二送二排双风机并联运行工作的变风量系统实属于P3实验室最简单节能，又安全可靠的方案；只有在要求较高的情况下（如在风机故障时，生物安全柜也要能不间断地继续工作），则可考虑二送三排，或三送三排的通风系统方案。
   究竟选择以上那一种通风系统的方案，应根据操作对象的危害程度和具体要求来选用。实际上，设置备用风机的目的是为了生物安全实验室更加安全可靠。否则不设置备用风机，采用一送一排的方案，在风机发生故障时，利用值班系统作为备用自动跟进；或者靠生物安全柜的排风机来维持负压，也可保证室内负压，若采用房间送风为定风量、排风为变风量方案，甚至还可以做到能不间断地维持室内负压状态（但不能保证正常的压力梯度）和工作人员安全，也并非不可。若增加了备用风机，在风机故障时，仍然不能做到“使系统能不间断继续正常运行”，实际上也是毫无意义的。
三、值班系统的设计方案
   对于P3实验室一旦启用，就应24小时维持负压；尤其是在室内有实验动物时。否则一旦失压，室内空气中就可能会有致病因子和气溶胶，甚至有倒灌的可能。在第二天启用时又必须重新进行自净或消毒。因此必须设值班系统。对于值班系统的设置，一种方案为；另外单独设置一套值班系统，仅对有实验动物的房间送、排风和控温。该方案运行费用较低；但投资较高，且大小系统切换时，系统可能会引起波动；另一方案即在双风机并联运行的系统中，只需减少风机的运行数量，即一送一排单机工作，而无需另外增加值班系统及切换装置和温控。该方案更安全实用，而且投资较省。
   据了解目前大多生物安全实验室不设值班系统，直接利用主送风机和排风机一套系统24小时运转，以维持生物安全实验室内的负压。这种做法会使得生物安全实验室的运行费用比较高，很不节能。

   值得注意的是；P3实验室必须全自动运行。尤其是P3实验室所有的风机均不得以手动方式操作运行，因为任何一台风机的误操作都会造成通风系统平衡的破坏和事故，一旦手动误操作发生事故就会无历史记录，给事故调查处理带来困难。现场所设的本地手动和计算机远程手动都只能仅供技术人员调试和维修时使用；或系统运行时处理紧急突发事故手动优先作应急使用。
结语
   实际上关于P3实验室的建设与设计、安全与规范,都还有很多问题值得探讨；例如通风系统的自动控制如何才能做到最安全、稳定、节能、省投资、易维护；自动控制和监控应如何布点；如何编写监控程序或故障的应急处理以及编程中应注意哪些问题；新风的进风口和排风口应如何处理；安全柜如何使用才能既安全，又能延长其高效过滤器的使用寿命；温度波动对室内压差及压差检测的影响；如何安全地更换高效过滤器等等。