生物安全實驗室共分為四級。近年來國內一級至三級生物安全實驗室的建造技術已經相對成熟, 大批的三級生物安全實驗室已經建成并投入使用。GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》[1]規定的ABSL-3中的b2類實驗室 (等同于GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》[2]中適用于第4.4.3條的實驗室, 以下簡稱大動物ABSL-3實驗室) 和四級生物安全實驗室是生物安全防護要求十分嚴格的實驗室 (以下簡稱高等級生物安全實驗室) , 所涉及的病原微生物通常能導致人或動物患上嚴重疾病, 并有極強的傳染性, 對于感染一般沒有有效的預防和治療措施。防止該類實驗室內病原微生物向周圍環境擴散是確保該類實驗室生物安全的關鍵。

防止室內病原微生物向外界擴散的基本原理是隔離, 具體隔離方式包括機械密封隔離和空氣負壓隔離[3]。機械密封隔離是指用密封可靠的圍護結構將存在傳染性生物因子的操作環境與外界環境隔離;空氣負壓隔離是指通過實驗室內的負壓控制實現空氣定向流動, 從而有效防止室內病原微生物向污染概率低的區域及周圍環境擴散[4]。

四級生物安全實驗室及大動物三級生物安全實驗室對實驗室圍護結構氣密性、壓差控制有嚴格的要求。目前, 國內建設氣密性高等級生物安全實驗室的科研院所、企業數量不足10個, 且相關建設經驗比較欠缺。筆者根據GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》和GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》的要求, 結合大量氣密性高等級生物安全實驗室的實際測試經驗, 探討氣密性高等級生物安全實驗室負壓梯度控制問題, 并對GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》和GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》后續的修訂提出建議。

當某一房間與相鄰的房間之間有門窗或任何形式的孔口存在時, 在這些門窗、孔口處于關閉情況下, 該房間與相鄰空間會維持一個相對靜壓差, 這個壓差就是以一定風量通過這些關閉的門窗、孔口的縫隙時的阻力, 所以靜壓差反映的是縫隙的阻力特性, 按流體力學原理, 通過縫隙的流量與阻力的關系為

式中Q為通過縫隙的流量, m³/h;μ為流量系數;F為縫隙面積, m²;Δp為縫隙兩端的靜壓差, Pa;ρ為空氣的密度, kg/m³。

對于固定的縫隙, 其兩側的靜壓差Δp與ρ及Q²成正比。在工程實際中, 縫隙較復雜, 平方關系不再成立, 而是Q與Δp的1/2~1次冪成正比[5]。

文獻[4]探討了實驗室縫隙漏風量與房間小時泄漏率的關系, 提出了加裝HEPA過濾器 (作為呼吸器) 人為附加漏風的氣密性生物安全實驗室壓差穩定控制策略, 并進行了實驗驗證。目前國內已建成多個氣密性高等級生物安全實驗室, 筆者將基于這些實驗室壓差控制策略的分析研究匯總成本文, 以期能為我國相關氣密性高等級生物安全實驗室的建設提供參考。

氣密性高等級生物安全實驗室負壓梯度的意義體現在2個方面:1) 在門關閉情況下, 保持各房間之間的壓力梯度穩定 (由外到內壓力依次降低) , 形成由輔助工作區到防護區的氣流流向, 從而有效防止被傳染性生物因子污染的空氣向污染概率低的區域及外環境擴散;2) 在門開啟時, 保證有足夠的氣流向內流動, 以便把帶出的污染減小到最低程度。

在實驗室正常運行期間, 經常會出現干擾室內壓差穩定的情況, 最常見的有4種:1) 工作人員進出開關門, 導致靜壓差波動甚至逆轉;2) 配備生命支持系統和化學淋浴的高等級生物安全實驗室, 室內有工作人員的動態工況下, 正壓防護服排風到室內, 引起靜壓差波動甚至逆轉, 另外化學淋浴間在壓縮空氣吹干的過程向化學淋浴間排風, 也可歸納于此;3) 室內設置有對外的局部排風設備 (如B2型生物安全柜、負壓排風柜、動物隔離器、獨立通風籠具等) 時, 設備啟動與停止引起的靜壓差波動甚至逆轉;4) 室內溫濕度顯著變化引起的壓力波動甚至逆轉。

在實驗室正常運行期間, 偶爾會出現異常故障干擾室內壓差穩定, 甚至出現壓力逆轉的情況, 常見的有2種:1) 當排風系統出現故障時, 導致靜壓差波動甚至逆轉;2) 當送風系統出現故障時, 導致靜壓差波動甚至逆轉。

為避免實驗室通風系統開關機過程中出現正壓, 要求送、排風系統連鎖, 即開機時要求先開排風機再開送風機, 關機時先關送風機再關排風機。國內高等級生物安全實驗室幾乎全部是按照此連鎖順序運行的, 但在開關機過程中仍有部分實驗室出現短時相對壓力逆轉以及部分實驗室絕對負壓過大的情況 (-300Pa以上) 。

高等級生物安全實驗室房間壓力控制是實驗室通風控制的重要部分, 是安全運行和污染控制的保證。

GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》和GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》對氣密性高等級生物安全實驗室各功能房間之間的靜壓差均有明確規定, 如表1所示。

GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》和GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》對氣密性高等級生物安全實驗室明確要求“在運行期間應有機制避免實驗室出現正壓和影響定向氣流”, 相應技術要求條文如表2所示。

為了保證生物安全實驗室的負壓和壓力梯度, 尤其是控制生物安全實驗室內生物安全柜等實驗設備啟停對壓力梯度的影響, 一般要對實驗室送、排風系統進行風量控制。文獻[6-7]對生物安全實驗室的壓力控制方案進行了探討, 給出了在高等級生物安全實驗室實際工程實踐中常用的風量控制方案, 如圖1所示。

圖1a方案控制原理為當生物安全柜等局部排風設備啟停時通過變風量閥自動調節房間自身排風量的大小, 以保證主實驗室總排風量 (為房間自身排風量與局部排風設備排風量之和) 不變, 維持室內壓差不變, 這種控制方案的優點是主實驗室的總送風和總排風風量不變, 始終處于平衡狀態, 實現自動控制比較容易。

圖1b方案控制原理為維持主實驗房間自身的排風量一定, 當生物安全柜等局部排風設備啟停時通過變風量閥自動調節房間送風量, 維持室內壓差不變, 這種控制策略的特點是就整個主實驗室而言送、排風均變風量, 完全視工作需要進行調整, 節能效果較好, 尤其是實驗室內具有多種排風實驗設備的情況下, 節能潛力更大。

差值風量控制法原理如圖2所示, 通過調整實驗室各功能用房排風量與送風量的差值來保證各房間的壓力梯度。差值風量控制的優點是可解決系統變風量過程 (如通風系統開關機、備用送/排風機組切換、B2型生物安全柜啟停等) 中壓力梯度的快速、穩定跟蹤問題, 縮短系統變風量過程時間, 快速完成過渡。但在通風系統正常穩定運行時, 系統各分支管路上的靜壓可能會經常發生改變, 另外風量控制裝置會存在一定誤差, 造成房間的實際差值風量總是在動態變化, 使得房間壓力梯度的波動可能會超出系統要求的范圍, 此時宜采用壓力控制法進行微調, 以確保房間壓力梯度。

需要指出的是“定送變排”“變送定排”等, 都是針對主實驗室而言的, 至于整個通風空調系統, 送風機、排風機都應該配備變頻器, 以調節運行風量, 大部分工程項目采用定靜壓和變靜壓相結合的方式控制送、排風機的運行, 即通風空調系統正常運行期間送、排風機采用某個預先設定的靜壓值, 執行定靜壓運行, 隨著高效過濾器阻力的增大, 預先設定的靜壓值隨之分級增加, 以確保實驗室的換氣次數和負壓梯度要求。

高等級生物安全實驗室由外向內, 各功能用房的靜壓差越來越小, 相鄰相通房間均有相對壓力要求。在操作人員進出各功能用房開門時2個相鄰房間的相對壓差瞬間歸零, 絕對負壓大的房間負壓會減小, 絕對負壓小的房間負壓會相應增大, 減小或增大的幅度與2個房間的體積比有關, 在開門后操作人員順利進出并關門時, 房間的絕對壓力與相對壓差將再次發生變化, 整個過程 (約需20~40s) 若相應風量調節閥根據壓力信號進行調節, 將會處于持續的調節過程中, 致使房間壓力持續波動。

在工程實踐中, 可采用在開門瞬間停止控制系統壓差反饋的方式來防止因開關門造成潔凈室壓差波動;也可采用延遲變風量閥的響應時間消除潔凈室開關門對壓差的影響。文獻[8]給出了氣密性生物安全實驗室 (BSL) 應對開關門的壓差控制策略, 可有效應對開關門對實驗室壓差穩定的干擾, 保證實驗室的定向流。前2種方式以靜制動、簡單有效, 在國內高等級生物安全實驗室實際工程項目中得到了廣泛應用。

操作人員穿戴正壓防護服進出實驗室某功能用房 (主要包括正壓防護服更換間、化學淋浴間、主實驗室, 有的還包括防護走廊、主實驗室緩沖間等) 時, 因正壓防護服向室內排風 (每套排風量約20~100m³/h) , 會降低氣密性較好的實驗室用房絕對負壓值 (如從-80Pa降低至-70Pa) , 致使其與室外方向上相鄰相通房間相對壓力不符合標準要求, 甚至出現壓力逆轉, 此時宜按本文所述的壓力控制法進行調節。

對于采用“定送變排”的高等級生物安全實驗室, 此時應根據房間壓力值自動增大房間排風量, 以提高房間絕對負壓值至穩定值范圍;對于采用“變送定排”的高等級生物安全實驗室, 此時應根據房間壓力值自動減小房間送風量, 以提高房間絕對負壓值至穩定值范圍。過去曾有一些專家提出體積較大的房間 (如主實驗室、防護走廊等) 因送、排風量較大, 對應風量調節閥的調節范圍有限, 能否適應精確壓力控制問題。該問題可通過母子風管并聯予以解決, 即母風管采用定流量方式通過較大風量, 子風管采用變流量方式通過較小風量, 可實現實驗室的精確風量調節和壓力控制。

為解決正壓防護服向室內排風而引起絕對壓力減小、與室外方向上相鄰相通房間相對壓力減小甚至出現壓力逆轉的問題, 除進行壓力控制調節之外, 還可以通過初始靜態控制思路解決, 即主實驗室送、排風管均安裝手動調節閥 (或定風量閥) , 在整個實驗室運行過程中不通過風量調節閥進行風量調節, 僅通過初始設置較大的靜壓差解決正壓防護服向室內排風問題, 如某BSL-4主實驗室與相鄰緩沖間之間初始靜壓差GB 19489—2008《實驗室生物安全通用要求》和GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》要求為-25Pa, 調試時將其設置為-50Pa。當操作人員穿戴正壓防護服進入主實驗室時, 主實驗室與相鄰緩沖間之間的靜壓差降低為-30Pa, 仍可滿足標準要求, 若不滿足標準要求, 表明初始靜壓差-50Pa仍不足以抵消正壓防護服排風的影響, 應進一步加大初始靜壓差直至滿足要求為止。

該方案僅需在通風空調系統安裝完成后, 對手動調節閥進行初始風平衡調試即可, 在實際運行過程中基本不進行風量調節閥的任何調節控制, 大大簡化了自控系統。該方案在進行壓力控制時可以系統生物安全風險性最高的主實驗室絕對壓力為控制依據, 自動調節排風機組變頻器頻率實現該主實驗室的靜壓差跟蹤控制 (主要是應對動態條件下的室內壓力波動) 。該方案依靠初始值大的靜壓差減少室內壓力擾動因素的影響, 仍有一定局限性, 當擾動強烈時 (如通風量較大的局部排風設備的啟停、化學淋浴間壓縮空氣注入時等) 需要更大的靜壓差, 會造成初始狀態時主實驗室負壓過大, 此時需要采用2.1節所述的壓力控制法進行調節控制, 即存在壓力擾動強烈的房間需要設置風量調節閥進行風量控制。

當實驗室內有局部排風設備時, 其風閥配置及控制原理如圖1所示。即通過該實驗室房間自身的排風、局部排風設備的排風、房間送風三者之間的可靠有效的連鎖控制, 實現房間壓力梯度的穩定。

國內一些使用Ⅱ級B2型生物安全柜的實驗室往往容易出現3類問題:1) Ⅱ級B2型生物安全柜無法正常開啟運行;2) Ⅱ級B2型生物安全柜運行時實驗室負壓過大;3) Ⅱ級B2型生物安全柜啟停過程中, 實驗室壓力梯度劇烈波動, 甚至出現壓力逆轉。

發生上述3類問題的原因在于通風閥門及風機的設置不符合圖1所示的控制邏輯, 突出表現為3點:1) 生物安全柜上方的排風機在一些工程項目中沒有設置, 此時通風空調系統的大排風機應有足夠壓頭確保生物安全柜能正常開啟, 若大系統排風機的壓頭不夠, Ⅱ級B2型生物安全柜將無法正常開啟;2) 生物安全柜排風支管、房間自身排風支管上未設置有針對性的定風量閥或變風量閥等阻力部件, 致使2根支管的阻力不平衡, 生物安全柜排風支管阻力偏大, 排風基本從房間自身的排風支管上抽取;3) 生物安全柜排風支管、房間自身排風支管、房間送風主管上對應的定風量閥或變風量閥沒有實現很好的快速響應連鎖控制, 致使出現負壓過大、壓力波動劇烈甚至出現逆轉等問題。

正常情況下生物安全實驗室的溫濕度不會發生顯著變化, 但當室外出現較大溫濕度變化時 (如不期而至的瓢潑大雨) , 通風空調系統為控制室內相對濕度, 可能會短時間內加大冷水流量、增加再熱量 (尤其是啟動分級電加熱, 而非無級調節時) , 此時室內溫濕度會有一個顯著的變化, 由于靜壓差和溫度有一定相關性[9], 會導致室內壓力的短時波動甚至逆轉, 國內已有生物安全實驗室發生過類似情況。為此, 通風空調自控系統針對室外溫濕度發生較大波動的情況, 宜采用無級調節冷量、再熱量, 雖然可能出現一小段時間的室內相對濕度超標, 但壓力波動不至于劇烈甚至出現逆轉。

1) 生物安全實驗室房間壓力控制是實驗室通風控制的重要組成部分, 是安全運行和污染控制的保證, 國家標準對負壓梯度技術指標及抗干擾能力均有明確技術要求。

2) 高等級生物安全實驗室壓力波動的原因主要有正常運行工況下的擾動、異常故障擾動、通風系統開關機擾動3類, 其中正常運行工況下的擾動包括開關門、正壓防護服及化學淋浴釋放到室內的壓縮空氣、局部排風設備的啟停、室內溫濕度顯著變化等, 異常故障擾動包括送、排風系統故障擾動。

3) 為實現生物安全實驗室壓力梯度的快速、穩定跟蹤, 系統變風量時宜采用差值風量控制法完成過渡, 而系統處于穩態時宜通過壓力控制法進行微調, 以確保房間的壓力梯度。

4) 對于開關門對高等級生物安全實驗室壓力波動的影響, 可采用在開門瞬間停止控制系統壓差反饋的方式來防止因開關門造成潔凈室壓差波動;也可采用延遲變風量閥的響應時間消除潔凈室開關門對壓差的影響。

5) 對于正壓防護服及化學淋浴向室內釋放壓縮空氣對壓力波動的影響, 可采用初始高靜壓差的方式予以彌補, 輔以排風機變頻控制進行大偏差的糾正;也可以采用變風量閥進行動態跟蹤控制的方式解決。