某疾控中心大楼生物安全柜及通风柜空调设计

李婕

上海市卫生建筑设计研究院有限公司

某CDC 疾控中心标准化建设项目的实验办公综合楼面积18370 m2，地上10 层，地下1 层，建筑高度48.7 m。地下1 层汽车库，1～4 层业务诊室、行政会议中心，5～RF 总面积7000 m2为微生物、理化实验室，设备层690 m2在7～8 层之间。本文主要介绍5 层以上实验室的通风空调方案的选择及设计。

1 实验室设计方案比选

1.1 实验室安全设备简介

生物、理化实验室内根据实验要求，设置相应的生物安全柜、通风柜、万向罩、高温排气罩等隔离生物学危险的一系列安全操作设备。生物安全柜是为了实验人员的安全，把处理病原体时有可能感染的污染气溶胶隔离在可控制的操作区内，它是保护人员、环境、受试样本的第一道防御装置。生物安全柜[1]根据防护对象及排风方式分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个级别，如表1 所示。

表1 生物安全柜型号分类

通风柜又称柜式排风罩，化学实验通过管道排出实验操作的挥发性有害气体、气溶胶、微粒，按照气流运动特点分为吹吸式及吸气式，有效隔断室内气流干扰并控制污染源。根据实验冷热性质的不同，排风口随柜内实验发热量的比例变化，调节上下部排风比例，使有害气体高效快速排出。本工程通风量取1500 m3/(h·台)，补风量60%。

万向抽气罩主要应用于食品检测实验室、药品检测实验室、生物实验室等，专用于实验中废气、热气、挥发性气体等小颗粒状浮旋物的抽取，减少实验中与易燃易爆、腐蚀性、毒性气体的接触时间。耐酸碱腐蚀，使用寿命长，结构灵活，连接设计方便、轻巧，能轻松完全收集实验气体。本工程抽风量取350 m3/(h·台)。

高温排气罩是实验室中集中快速排放热量的设备，使高温设备对室内空调负荷影响降到最低，一般用于热室、原子荧光室、原子吸收室、ICP/ICPMS 室等。本工程排风量取500 m3/(h·台)。

1.2 两种实验室方案设计原理

生物安全实验室的通风设计在满足人员舒适的条件下还需要控制生物学危险的发生，出于对病原微生物的防护要求，实验室内设备无论运行、停止、故障，都要24 h 保持实验单元房间的负压，避免有害污染物泄露，确保安全。以一个简单的实验室为设计单元，考虑两种通风设计方案。

1）方案1：定送变排

以Ⅱ级A2 型生物安全柜为例，如图1 所示。实验室总送风管上设置CAV 定风量阀，送入的新风量保持不变，全面排风设置相应的排风量确保实验单元处于必要的负压，当生物安全柜定风量排风阀开启，室内压力瞬间波动，传感器迅速将传递信号给全面排风变风量风阀，在安全柜操作推拉窗上下活动的过程中为保持操作断面平均进风速度恒定，通过全面排风的VAV 变风量阀门控制进入安全柜的风量。

图1 定送变排系统

2）方案2：变送定排

此方案如图2 所示，室内全面排风总管安装CAV定风量风阀，保障室内时刻处于负压状态，送入室内新风控制在最低档。随着生物安全柜开启的过程，送风量也随之变大，传感器及时采集安全柜不同时刻变化的排风量，将稳定可靠的信号传递给室内VAV 新风变风量阀，送入的总新风量随安全柜的变风量不断变化，需要较高的控制灵敏度及精度。

图2 变送定排系统

1.3 设计方案优缺点比选

两种送排风系统均在实际工程设计案例中有所体现，本文根据系统自身特点及不同工程具体使用情况，对两种方案从不同方面进行优缺点比较，从而比选出适合本实验大楼的通风空调设计方案。

1.3.1 系统故障

无论生物实验室安全运行还是事故发生至人员安全撤离期间，实验室内都要确保必要的负压。系统运行时的故障主要有：排风系统故障，送风系统故障，压力及风量传感器故障。其中排风机及排风变频器故障对整个系统是极端恶劣的。有条件的实验室须配置备用排风机和备用排风变频器。

方案1 对排风系统故障提出了更加严苛的要求，送风管的CAV 定风量阀使得送入室内的风量是恒定不变的，无论生物安全柜排风或全面排风设备出现故障，哪怕出现1s 的故障，安全柜室内或实验房间均有可能出现正压状况。实际运行中，传感器接收故障信号到控制中心发出关闭送风阀信号等一系列操作还需要几秒到十几秒时间[2]，更是增加了系统的危险系数，传感器灵敏度的优劣，风机执行动作的快慢均可产生致命的影响。

方案2 实验中生物安全柜断面上下移动，为了保持安全柜断面风速恒定，安全柜的变风量排风阀随之改变阀门开度，室内开始产生压力差，控制中心传感器根据室内压力波动信号反馈给送风阀，送风量随着安全柜的排风量变化而变化。在排风设备突发故障期间，室内全年排风始终维持在一个恒定值，送风量是可变的，这为系统反应及人工操作恢复设备运行争取一定的安全时间。

1.3.2 空调能耗

定送变排系统送风量恒定，因此空调新风能耗不变，在生物安全柜不工作的情况下，为了维持室内负压，室内全面排风量需要加大，大量经过冷热处理的新风排出室外导致能源浪费，若是室内采用多台生物安全柜，在不工作的情况下，能耗损失更加严重。这种系统一般用于对整体洁净度要求级别很高的生物洁净室，室内以送风为标准，因此为了洁净度会牺牲空调能耗。

定送变排系统中送入室内处理过的新风量是变化的，当生物安全柜不工作时其自身的排风系统也不工作，生物安全柜这一路信号传输给控制中心，送风系统接收操作信号使得维持室内正常换气次数的情况下保证最小新风即可，避免大马拉小车的情况，节约不必要的能源损耗。

1.3.3 排风管阻力平衡控制

生物安全柜与室内全面排风均独自排风，避免生物安全柜工作时室内产生倒流，防止相互干扰。实验室内只有1 台生物安全柜时两者排风机分别工作，不影响系统稳定性。当2～3 台生物安全柜同时工作情况下，存在两个问题：1）生物安全柜排风总管的风量平衡问题。方案1 中排风总管风量成倍增加，方案2 中排风总管时刻波动变化。2）全面排风总管的风量平衡问题。方案1 排风总管时刻波动变化，方案2 总排风管风量恒定不变。

方案1 中安全柜排风量是成倍增加的，若多台生物安全柜各自单独排风，不存在排风总管阻力平衡问题。若串联为1 个系统排风，每增开1 台安全柜风量，排风机风量也是成倍增加，风管内阻力难以平衡，风机也很难选到合适的型号。假设2 台Ⅱ级A2 型生物安全柜接在一个系统排风时，根据风量与风压平方（L1/L2=P1/P21/2）关系计算，1 台安全柜排风量600 m3/h时机外余压500 Pa，风量增至1200 m3/h 时机外余压变为2000 Pa。按管网特性方程式P=SL2计算，由于合用一套管路，阻力系数确定，风量增加使系统阻力增加4倍，排风机产生的风压不能完全克服风系统阻力。串联时风压变化太大，大压差情况下风阻大，噪音也大，若没有合适的风机型号选择，考虑到阻力平衡建议排风机分开设置[3]。若建筑平面紧张缺乏井道条件，采取2～3 台安全柜串联，排风比例可以分为4 档，考虑同时使用系数K，1 台开启时采用全部排风的100%，2 台开启时70%，3 台开启时60%。也可按风量－风压性能曲线，当施工完成后，管网性能曲线固定，而改变风机性能曲线必然要实施的，也是可行的。将1200 m3/h 的排风机风机，设计成二台600 m3/h 的相同性能曲线的风机并联，当运行2 台安全柜时，开2 台风机。1 台风机单独工作时的风量大于并联工作时每台风机的风量，2 台风机并联工作时，其并联工作时的风量不是比1台工作时的风量成倍数增加（L1+L2＜2 L1）。因此在选择风机时，考虑相同型号风机在并联运行时均处在风量高效率工作点，选择风量略大于单台风机风量的型号。方案1 的全面排风量是不断变化的，每间实验室排风量受到安全柜开启数量影响，总排风管风量受到每间实验室支管风量影响。

方案2 中全面排风量是恒定不变的，总排风系统稳定。生物安全柜排风是根据实验要求变风量调节的，排风机风量不用成倍增长，管网特性曲线变化平稳，平衡性能较好且易于调节。

1.3.4 室内压差波动控制

实验室内需要24 h 保证负压，排风量与送风量始终维持一个风量差或者室内压力数值始终维持在一个稳定数值。有两种控制模式：一种是VAV 控制系统，由通风柜数据采集器，VAV 阀门及其控制器件组成，房间瞬间波动参数及时反馈给控制器，联动控制VAV 阀门开启程度。另一种是BA 楼宇自控系统，由控制模块、末端采集设备、上位机组成，再经PLC 或DDC 数据分析后控制变风量风阀，后期由弱电供应商施工完成[4]。

方案1 对风量传感器灵敏度要求高，控制执行中心响应速度快，安全柜的定风量开启的瞬间室内压力波动巨大，排风总管波动瞬时增大，不利于系统稳定平衡。方案2 的安全柜排风和送风量均是变风量，系统有一个缓慢变化的过程，在传感器原件反应间隙内始终维持实验室稳定的负压。

1.3.5 成本造价

多台生物安全柜在串联排风做不到的情况下，单独排风增加了设备成本，施工成本。变风量风阀采用压力无关型文丘里调节阀，此阀具有不受风管压力变化影响，调节精确高（±5%），风量控制范围广（60～10000 m3/h），反应迅速（小于1 s）等特点，但比较昂贵，适合应用在有毒有害，化学实验室及生物安全实验室等场所。因为要考虑人身安全问题，系统压差控制必须是高精度、高可靠性的。对此，通过使用定风量阀可以严格控制洁净室或实验室送风量、排风量，从而形成稳定的压差风量，控制洁净室或实验室压差稳定。方案1 仅使用1 个文丘里阀，方案2 使用2 个，阀门成本略高。

1.3.6 调试难度

方案1 送风量与生物安全柜排风量均为定风量阀，仅需要对唯一的全面排风VAV 阀进行调试，大大简化了风阀运行调试难度，但是成倍增加的安全柜排风机调试有一定的难度，需要找到合适的风机运行曲线。方案2 有2 个VAV 风阀需要根据通风柜移门大小、运行数量现场调试，使用变风量阀对房间进行调控，使送风管阀流量追踪排风管阀流量，才可形成稳定的压差风量，控制洁净室或实验室压差稳定，也有一定的调试难度。

表2 为两种方案优缺点对比表。综上所述，定送变排适用于室内整体洁净度要求级别很高的生物洁净实验室，一般的生物理化实验室采用变送定排系统安全度较高，能耗低运行变化平缓，因此本工程选用变送定排设计方案。

表2 优缺点对比表

2 实验楼层空调设计

实验楼5～RF 为实验室，层高4.5 m，每层楼的实验功能及实验设备型号数量见表3。

通风柜设计以10F 的无机样品处理室为例，方案设计如下：面积45 m2，净高3 m，新风经过初中高效过滤器维持房间4～5 次/h，房间缝隙渗透1～2 次/h，灵活开启的VRF 室内机保持内循环6 次/h，确保室内换气次数总和为12 次/h。国外实验室要求整个实验室12 次/h 全新风送入，国内《疾病预防控制中心建筑技术规范》[5]中明确：化学实验室保持负压，最小换气量在6～8 次/h，基于我国国情考虑，本设计在系统合理安全可靠的情况下也将换气次数维持在12 次/h。全面排风设计固定6 次/h，通风柜关闭时，室内维持-5 Pa 负压，当通风柜的VAV 变风量阀门开启，反馈信号给新风VAV 变风量阀，室内补充通风柜排风量60%的新风量来保持实验室里一定的负压差。平面设计详见图3，排风系统原理图详见图4，风量平衡详见表4。

表3 实验功能及设备表

图3 10F 无机样品处理室通风柜通风设计平面图

图4 通风柜送排风原理图

表4 风量平衡表

生物安全柜设计与通风柜原理相似，以5F 艾滋病确诊实验室平面为例，1 台Ⅱ级A2 型生物安全柜，安全柜关闭时室内维持-5 Pa 负压，当安全的VAV 变风量阀门开启，反馈信号给新风VAV 变风量阀，室内补充安全柜排风量30%的新风量来保持实验室里一定的负压差，平面设计详见图5，排风系统原理图详见图6，风量平衡详见表4。

图5 5F 艾滋病确诊生物安全柜通风设计平面图

图6 生物安全柜送排风原理图

其余楼层的通风柜及生物安全柜实验室按照此方案设计。每层新风集中处理采用无极变频调节，经过初中高效过滤器送入各个实验室，进入每间实验室的送风管上安装VAV 文丘里变风量调节阀。室内全面集中排风量固定不变，每层排风总管接至屋顶风机高空排放，集中风机宜备用。实验毒性强烈的生物安全柜或通风柜设置一对一独立排风机在屋顶排放，并采取无风报警措施。毒性在安全范围内时，实验室里有2 个以上通风柜应串联为一个系统，避免1 个通风柜使用时其他柜内产生倒流，各个排风管上设置VAV变风量阀，2 台以上的通风柜排风系统取同时使用系数0.6～0.7[5]。实验室内噪声控制在60 dB(A)内。6F 万级洁净室、7F 细胞培养室、10F ICP/ICPMS 室采用带回风的净化全空气处理机组。7F 的PCR 采用净化全新风空气处理机组。

3 总结

1）理化试验室适合采用变送定排系统，生物洁净实验室采用定送变排系统。

2）生物安全实验室的变送定排系统处理的新风量可变化，在生物安全柜和通风柜关闭情况下节约空调能源。

3）在排风机致命故障时因为变送定排系统集中排风量稳定，系统有较长的反应处理时间，室内压力波动平缓。

4）变送定排系统文丘里阀门使用数量较多，对控制系统精度灵敏度要求高，调试难度大。

5）有高度放射性危险的生物安全柜、通风柜宜单独设置，2 台以上通风柜在一个系统时注意双速风机特性曲线，合理选择风机型号。

6）为了实验室洁净度，实验室最小新风换气量6次/h，VRF 室内机内循环6 次/h，确保室内换气次数总和为12 次/h。