在谈生物安全实验室通风空调系统设计

前言

春节期间，有幸拜读了王清勤教授关于生物安全实验室通风空调系统设计（2005年12月27日）的文章，这里仅就对文章中的中国疾病预防控制中心P3实验室的设计方案实例中的几个主要问题提出来，结合本人在设计和建设P3实验室的实践经验，大家一起探讨。如有冒犯均敬请原谅，有不妥之处请专家批评指正。

1、两台排风机一主一备，能做到在工作的排风机发生故障时，系统和生物安全柜都能不间断地正常运行吗？

2、当排风机发生故障时，是否需要停送风机和生物安全柜排风机；若停后再重新启动室内就会有短暂的失压又如何处理？能符合规范要求吗？若不停，室内会产生正压吗？生物安全柜排风会向室内倒灌吗？又假如送风机发生故障时应该怎么办？，排风机能够不停吗？

3、在同一个房间的排风上，既使用了变风量阀，同时又使用了定风量阀；它们之间没有相互干涉或影响吗？每一个定风量阀和变风量阀的支管上还需安装要手动调节阀来调节吗？

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，通常有以下三种设计方案：

一、房间送、排风均为变风量

即安全柜开、停时，自动调节该房间的送、排风风量，使实验室各房间负压和压差梯度保持不变。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。

二、房间送风为定风量、排风为变风量

采用此方案，通常安全柜的排风风管直接接在排风总管上，与房间的排风分开，即不受房间排风变风量风阀的约束，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，以维持室内压差不变。实质上调节房间排风量的大小，也就是在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，系统始终处于稳定状态，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、停过程可能会使室内压差和压力梯度引起的波动，甚至有倒灌的可能，必须采取有效措施加以防范。

三、    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约束，使得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。因此在安全柜启用或停止时，对房间的压差和压力梯度基本无影响，系统非常稳定，控制也很简单，投资最省，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房间风量要留有足够的余量，以避免安全柜启动时发生“倒灌”现象。

而在同一个房间的排风上即使用变风量阀，同时又使用定风量阀；我认为是画蛇添足，不但没有必要，反而会相互干涉和影响，还可能引起系统的波动或不稳定。

四、通风系统与备用风机问题

在2004年版《生物安全实验室建筑技术规范》中提出；P3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”。

如何才能做到在工作的排风机发生故障时，备用排风机能自动启动并能保证系统不间断地正常运行呢？目前，据我所知，现有的P3实验室大多还不能做到规范中提出的要求；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（一般电动风阀动作时间为90秒，快速电动风阀动作也在15秒以上）特性，仅*增加一台排风机，即一送二排，排风机一主一备，很难真正做到“不间断跟进”（即当工作的排风机发生故障时，备用排风机自动跟进，系统能不间断地维持负压和压力梯度；生物安全柜也能不间断运行）。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，排风风量急剧减少，即使立即停送风机和生物安全柜的排风机（否则室内极有可能产生正压和“倒灌”，这就相当于，在停机时，先停排风机后停送风机一样会出现正压，非常危险），然后再利用备用排风机重新启动系统；这个过程至少也在十秒钟以上，这期间室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方案不可行！

另外，一旦假设送风机发生了故障又怎么办呢？笔者认为；在P3实验室通风系统中，送风机也应设有备用。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、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再增加一台送风机和一台排风机，即二送三排，排风机为二用一备。这样就能做到在工作的二台排风机其中一台发生故障时，另一台备用排风机自动“不间断跟进”，保证在切换过程中，室内的负压和压力梯度不被破坏，整个系统就能不间断地正常运行。

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，其动力或压头还能继续维持，虽然系统的排风风量也会逐渐减少，但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，从而保证了系统不间断地正常运行。

通过笔者在两个P3实验室项目上的实践证明，二送三排系统即使在其中一台工作的排风机发生故障，另一台备用排风机自动跟进时，系统的压差和压力梯度非常稳定，效果甚佳。

在二送三排系统中，一旦两台送风机其中一台发生故障时，也能切换为一送一排方式使系统继续工作。一送一排系统配以二位定风量阀，仍然可以维持室内负压和压力梯度，或作为值班系统使用，从而又可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。

可以看出在二送三排的通风系统中，送风机还是没有真正意义上的备用风机。即当两台在工作的送风机其中一台发生故障时，也只能切换为一送一排方式继续工作，以维持室内负压和系统的压力梯度。此时生物安全柜可能会由于风量或压头不够而不能继续正常工作。

要做到无论是有一台排风机；还是一台送风机发生故障时，系统和生物安全柜都能不间断地继续工作，只有三送三排才能彻底解决问题，因此对要求较高的P3或者P4实验室最适宜采用三送三排通风系统方案。

究竟选择以上那一种通风系统方案，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实验室更加安全可*。否则不设置备用风机，采用一送一排，当主风机故障时，利用值班系统作为备用自动跟进；或者*生物安全柜的排风机维持负压，也可保证工作人员安全，也并非不可。若增加了备用风机，而在排风机故障时，仍然不能做到不间断地继续正常工作，实际上也就毫无意义了。

关于生物安全柜的排风机是否也需设有备用风机？笔者认为；若安全柜排风直接排到室外，即为独立系统，则有必要；若接在系统的排风管上，则不需要，因为即使在生物安全柜运行时，其生物安全柜排风机发生故障，由于主排风机在工作，安全柜内仍能维持负压。

结语

由于P3实验室的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。设计人员不但要熟悉生物安全要求；还要精通空调通风和净化，尤其是要有负压系统的设计经验；更要懂得负压系统自动控制的原理，即对自控的硬件（变送器、执行器，和监控布点等）和软件（如编写程序、对监控参数的分析和故障应急处理）非常熟悉，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比较狭窄，有的没有生物安全的概念，或无负压系统设计的经验（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。

2006年1月30日

笔者简介：胡汉江 男  联系方式：hyf810809@sohu.com

    工作单位：中国生物技术集团公司武汉生物制品研究所