技术导航丨生物安全实验室暖通空调系统的几个设计要点

生物实验室的主要功能是进行生物科学相关的实验场所，因此对生物实验室的质量控制要求必须极其严格，才能保证生物实验的准确性。我国近年来科学技术不断发展，促进了极大的生物科学的发展，不断推进生物实验室的建设对于发展生物科技有着重要的作用。近年来，我国各省纷纷进行生物安全实验室的建设，许多项目甚至已经进入使用阶段。但是需要注意的是生物安全实验室，因为其功用的特殊性很容易导致危害性物质的产生，因此，生物实验室的暖通空调系统就非常重要，因为一旦暖通空调系统出现故障，轻则导致生物实验室内部的功能无法实现，重则很容易出现污染外泄，甚至导致工作人员及其周边居民的安全事故。确保生物实验室暖通空调系统的良好运转，是建设者一个非常重要的目标。

对于生物实验室的暖通空调系统而言，随着使用时间的持续增加，产生故障是正常的现象。通常来说，这种故障可以分为送风系统的故障，和各类风量及压力传感器的故障，以及排风系统的故障。

在整个暖通空调系统当中，送风系统担任着非常非常重要的作用。因为送风系统，能够有力保证排风系统正常运转，一旦实验室发生任何的故障，需要实验室的人员进行撤离，在此撤离期间，送风系统可以为整个生物实验室提供良好的负压。这样不仅能够给工作人员撤离提供良好的处理环境，还能保证生物实验室内部的环境相对稳定。但是如果送风系统出现故障，则很容易导致，工作人员在撤离期间发生安全事故。

传感器在生物实验室暖通空调系统当中主要承担的是传递信号的职责，一旦传感器失灵，则会导致传递的信号出现错误。这样系统在运行的过程当中，就会与系统本身预设的程序所相背离。因此在设计的过程当中，建设者和设计者必须对传感器的性能和稳定性进行可靠的检测，然后投入使用。但实际上传感器的响应特性是很容易被忽略的，这种响应特性一旦被忽略，直接会导致其调试结果的设计值出现问题，信号传输出现错误，就会导致更加严重的事故。

在整个系统当中，排风机出现故障是非常严重的，这是因为生物安全实验室的通风系统，必须通过排风机来进行变频排风。这是因为生物实验室常常进行的都是高生物危害性实验，即便是在白天进行工作，也不允许出现任何呈现正压的情况。因此暖通及暖通自控控制系统的设计要求非常高。具体到细节包括排风机或者排风机变频故障发生之时，系统需要能够自动切换至备用的排风机及其变频器。这样才能保证整个实验室的房间内负压情况良好。但实际上一旦排风机出现问题则会导致排风机停机，而这种停机将会导致整个系统出现故障。

为了对生物实验室的设计原则进行论述，本文以p3级生物实验安全实验室为例，对其设计原则进行逐一分析与阐述。文章中所引用的示例工程为PLC控制系统，该实验室的房间排风和生物安全柜是同一个排风系统。通过对该实验室的分析，得出以下结论。首先生物实验室在设计的过程中，要对排风系统的停机故障瞬间进行分析，这样才能做好记录，不断优化排风系统。除此之外，实验室在暖通空调系统的设计上，要避免出现增压的设计思路，同时进行相应的技术措施预备。

本实验室的暖通自控系统设置分别具有以下特点。首先，排风系统在发生停机故障的过程中，其重要的表现就是，房间并没有出现任何避免镇压的措施和策略。其次，排风系统一旦出现故障信号时，系统并没有发出故障信号。例如流量开关并没有发出on或者off的信号，因此系统并不能对停机故障作出反应。

对于上述假设，需要对生物实验室的排风系统故障，进行一定的记录。例如，本身是在排风系统发生停机故障之后的5s内，房间出现正压情况。而此时控制中心并没有感知到排风系统出现故障，真正对排风系统，出现反应则是在12s。虽然不同的工程会有不同的差异，但是，本组实验数据，可以对排风系统故障情况作出一定的反馈。那就是房间出现正压的时间非常短，大概在5s左右。对其主要原因进行分析，这是因为生物安全实验室中，排风量的差值本来就不大，通常每个小时只有一二百cm³。一旦排风系统出现停机故障，排风量当然能够在极短的时间出现非常多的减少。因此虽然5s是一个实验数据，不同的实验室也会产生差异，但是却从本质上表明排风系统一旦出现故障，实验室出现正压的时间非常短。当然虽然排风系统，在10s之后，会呈现出一定的对策，但是却无法消除致命的安全运行问题。而在这一过程当中，控制中心对系统故障的感知时间并不灵敏。对这个原因进行分析主要是因为风机从停机到风量下降，需要经历的时间过长，大多是在10s左右。这是所有风机所面临的问题，因此，会极大的影响控制中心对系统故障的感知周期。

根据上述对排风系统停机故障瞬间分析的内容可以得出，避免实验室内部出现正压是非常必要的。通常为了实现避免正压的这种设计思路，必须采取一定的步骤。如控制中心必须能够快速对排风系统出现停机故障进行感知，这样才能做出及时的回应。除此之外控制中心在感知到排风系统故障之后，必须能够快速的进行措施补救，以避免房间出现正压。鉴于以上的实验数据，这两个步骤必须在5s之内完成。

2.2.1 风量传感器优化

风量传感器的优化可以加强排风系统的敏锐度，因此可以在排风总管上进行反应速度较快的风量传感器的安装与设置。这样风量传感器可以专门应用于对排风系统故障的分析。在进行设置的过程当中，可以将排风系统停机故障的排风量，设定在一个比较高的水平之上，这样可以使控制中心不至于误判，又能在控制中心感受到之后，及时作出反应。之所以将风量传感器设置在排风总管上，是因为排风总管上的另一个传感器的响应速度相对较差。该传感器实际的作用，是为了保证房间的压力稳定。因此在风量传感器的设计上，必须考虑到不同的作用和效果。

2.2.2 电动蝶阀的设计

电动蝶阀的设计是为了实现完全关断的功能。该电动蝶阀的响应速度在2s以内，这样做才能够保证控制系统在感知到排风系统出现故障之后的2s之内，就能迅速对系统的送风进行切断。以此来保证房间不会出现正压。当然，其他的措施也可以对送风量进行良好的减少。例如，定风量阀可以保证房间处于负压的状态。同时送风机变频控制的速度也可以不断得到加大，在故障发生的同时，能够在瞬间就对送风机进行关断。不过需要注意的是，这些方法都必须建立在电动蝶阀的基础之上，这样才能满足快速响应的要求。当然，对于许多生物实验室而言，排风系统上采用变风量阀是比较基础的配置。但是定风量阀也是不可缺少的，因为定风量阀可以促进系统固定送风，而变风量阀则是减少送风量。两者起到的作用完全不同，但是却又不可缺少。在对实验室的暖通空调系统进行调试的过程当中，其测试结果表明仅仅依靠这些其他手段，是无法保证实验室在出现排放系统停机故障之时，房间不会出现正压情况。因此，电动蝶阀的设置和风量传感器的优化是非常必要的。

为了对生物实验室的暖通空调系统设计要点进行细致的阐述，本文选取某家国家级实验动物生产环境作为具体的案例，对其生产环境设施和指标控制进行分析和论述。

本次选取的案例为实验动物生产环境，简称动物房。因为动物房在特殊的领域当中，必须具有洁净的环境。首先它的存在目的是为人类的科研事业服务的。主要是将某一类或数类动物进行无菌培育，无菌饲养，以便于进行各类无毒性生物和药物实验所用。从解禁系统类型划分来讲，它属于比较复杂也比较特殊的门类。因此为了为实验类动物生存环境营造一个适合的环境，就必须保证室内的温度，室内的湿度，光照度以及噪声等指标。但是在这一过程当中还必须保证，不能给周围的环境带来污染和不利影响。因此本实验室在设计的过程当中采用了全新风处理方式，即全送全排方式。除此之外为了消除外界和季节对室内的影响，采用了升温降温加湿除湿等手段。对于实验室内部的压力差问题，能量回收等问题也需要进行解决。因此，该实验动物生产环境设施的设计与建造是非常复杂的，需要设计者不断对这些工作指标进行分析，进而实现智能化控制。

本人所选择的屏障型动物房，其布局是中分左右对称的结构。实验室的区域是由若干个形式相同，但是功能相似的小区间组成。实验室的四壁和顶采用的是不会击沉，不会产生尘土，并且能够保温隔声，防火等综合性能的，净化专用钢材板。在建设的过程当中，板缝经过严格的处理，地面辅以坚固耐磨的环氧自流坪。而从功能去看待其分区，则可以看出，该实验室是由这些区域组成的，分别有洁净内走道，前室饲养室后室，环形污物通道。

该实验的暖通空调系统，包括空调送风系统和空调排风系统。但是因为该实验室的特殊性，与常规净化空调系统相比，它的不同之处也比较明显。首先为了避免二次污染和交叉污染，新风经过处理，送入各洁净区之后，必须全部排除。因此整个系统所消耗的能源是非常巨大的，为了促进系统的节能效果，配备了必要的能量回收装置。这样做也是为了提升动物房内的环境质量。其次，排风系统专门设置了包括活性炭在内的过滤装置，这样能够对室外环境，进行一定的保护，过滤掉有害物质。最后个系统单元采用了空调送风和排风的定量装置。这样才能保证实验室内部的压差梯度不会受到外界太多的影响。

屏障型动物房的配套设施是环境设施的重要组成部分，这些设备的合理选用和有机组合能够有效维持整个系统正常运行。在本实验室的设备配置过程中，其情况如下。首先，新风预处理机组二套。其次，板式通道热交换器一套。第三，二级过滤，三组加热，三组加湿，以及表冷组合式空调器一套。最后，活性炭除臭装置两套，而且需要带过滤排风机组两套。除此之外，各个独立的单元需要配备定风量阀，这样才能保证各个单元的风量，压差梯度等指标，能够持续保持在平稳的状态当中。

在本市的系统控制当中，我们设置了比较全面和完整的控制点位，配置了功能齐全的自控系统。自控系统包括对室内温度的控制，室内正压的控制，以及防火阀关闭控制等等。

3.5.1 室内温度

该系统能够实现对室内温度的自动化控制，通过设在室内的温度信号显示器以温度信号优先的原则，来控制冷水热水的电动双通阀及加湿电动双通阀的开度。从而保证整个实验室的温湿度处在合适的范围之内。

3.5.2 正压控制

最初在运行的过程当中，室内压力调整在设定之后，通常，运行中的室内正压，可以通过送风和回风的定风量来进行保证。

3.5.3 防火阀的关闭

如果主风道内温度达到70℃之后，防烟防火阀就会关闭，同时，这种信号也会被传送给消防中心，除此之外关闭此系统的送风机和排风机以及排风电动阀，或者当有火情爆发时，防烟防火阀接受消防值班中心传送的信号，防火阀就会自动关闭，同时连锁的送排风和新风阀门也会同时进行关闭。

3.5.4 空调送风机停止运行

一旦暖通空调系统当中的送风机停止运行，与之相关的电动排风阀和排风机和电动新风阀也会同时关闭。除此以外，空调器送排风机常设变频器，这样可以通过定风量阀两端的压差，来对供电频率进行调节，进而能够对送风机排风机的转速进行一定的改变，使风量得到良好的调节。

3.5.5 送风机排风机运行故障切换

一旦送风机或排风机的负荷较大之时，动力柜传出的过负荷信号也会自动切换到备用风机及备用系统，同时主运行的风机及系统也会进行关闭。风机皮带在发生故障的过程当中，微压差开关检测出送风机前后压差的降低，也会自动切换到备用风机和系统。同时，运行风机及其系统也会关闭。板式换热器需要定时定期进行检修。在检修的过程当中必须考虑工艺的特性，这样才能保证多个控制信号得到有效的控制。实验动物与普通的形式不同，它对洁净度的要求也更高，因此在暖通空调系统的设计过程当中，必须对设计要点进行细致的考虑。

本文在进行生物实验室暖通空调系统设计要点阐述的过程中，采用了实验模拟的方式，以切断电源模拟出排风系统停机故障发生时会产生的状况，来对实验室出现的情况进行记录。笔者将本次实验结果与美国的专业检测机构进行了内容的对比。需要明确的是，一旦排风系统发生故障之后，控制中心接到指令来完成响应。响应时间必须确保的最少，这样才能保证实验室不会出现负压较大的状态。但是，暖通系统可以被划分为，实验室房间排风和实验设备排风。这两者可以共用一个排风系统，也可以不共用。但是优先选择共用排风系统，这是因为这样可以消除房间的正压情况，因此在案例分析当中，生物实验动物房采用的也是共用排风系统。