無菌生物實驗室中安全柜氣流控制常見問題及優(yōu)化方案

一、常見問題

從多個三級生物安全實驗室的實測結(jié)果來看，不同的控制模式均有成功和失敗案例，并無明顯相關(guān)性。主要原因在于該類實驗室均為全新風(fēng)系統(tǒng)，與回風(fēng)系統(tǒng)不同，系統(tǒng)排風(fēng)與送風(fēng)是解耦的，因此送、排風(fēng)是“定”還是“變”不是主要問題，而安全柜啟停時室內(nèi)相應(yīng)的變風(fēng)量控制邏輯才是真正的關(guān)鍵。在多項實際檢測中，出現(xiàn)較多的向題如下：

1.排風(fēng)量不足，安全柜無法正常啟動

生物安全柜開啟時，排風(fēng)量無法達(dá)到安全柜最低風(fēng)量，設(shè)備無法正常開啟。如持續(xù)則意味著安全柜排風(fēng)量偏低，需要復(fù)核安全柜排風(fēng)機選型（單接時）或安全柜排風(fēng)管路的阻力、閥門等情況。

如持續(xù)一段時間后停止，則說明系統(tǒng)總排風(fēng)量是能夠滿足要求的，但在變風(fēng)量控制模式上存在一定的時間誤差，導(dǎo)致開啟之初排風(fēng)量不足，隨著系統(tǒng)慢慢穩(wěn)定，系統(tǒng)緩慢達(dá)到了設(shè)定值，這種情況也需要現(xiàn)場調(diào)試送、排風(fēng)閥執(zhí)行機構(gòu)的行程調(diào)節(jié)速度和響應(yīng)時間，消除啟動過程中的報警環(huán)節(jié)。

2.切換時出現(xiàn)壓差逆轉(zhuǎn)

該類情況是實際工況轉(zhuǎn)換工程中出現(xiàn)較多的一種。其影響因素眾多，往往是多種環(huán)節(jié)互相作用導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)切換過程某一時段房間送風(fēng)量超過房間及安全柜排風(fēng)量之和，實驗室即出現(xiàn)絕對壓差逆轉(zhuǎn)；當(dāng)工況轉(zhuǎn)換工程匯總核心工作間負(fù)壓風(fēng)量與其相鄰的緩沖間負(fù)壓風(fēng)量不匹配時，即會出現(xiàn)相對壓差逆轉(zhuǎn)。這兩種逆轉(zhuǎn)尤其是絕對正壓逆轉(zhuǎn)大大增加了實驗室使用的生物安全風(fēng)險，均為檢測及 CNAS 認(rèn)可時現(xiàn)場主要考察項目。

從多個實驗數(shù)據(jù)可以看出，逾 80％的實驗室工況轉(zhuǎn)換時均存在不同程度的壓差逆轉(zhuǎn)的情況，主要問題集中在送、排風(fēng)閥的控制邏輯及其執(zhí)行速度和響應(yīng)時間。部分實驗室在現(xiàn)場調(diào)試無效后需要采取更換閥門等措施進行整改，個別實驗室項目甚至僅能將時間控制在1min 內(nèi)，無法根本解決相對壓差的逆轉(zhuǎn)問題。

3.切換時負(fù)壓過大

過大的負(fù)壓對實驗室圍護結(jié)構(gòu)的氣密性和穩(wěn)定性提出了較大的挑戰(zhàn)，由于負(fù)壓過大，房間潔凈度難以保證；較大的壓力波動也致使房間圍護結(jié)構(gòu)瞬時過渡收縮膨脹，對目前主流的彩鋼板圍護結(jié)構(gòu)而言極易產(chǎn)生破壞性后果。

4.多臺安全柜切換時系統(tǒng)紊亂

部分相對特殊的項目，在一間核心工作間內(nèi)設(shè)置多臺 Ⅱ B2 型生物安全柜或一個系統(tǒng)內(nèi)多個核心工作間均設(shè)有Ⅱ B2型生物安全柜，同時啟停多臺Ⅱ B2 型生物安全柜會瞬時出現(xiàn)巨大的風(fēng)量變化，如果系統(tǒng)閥門切換不及時，往往容易產(chǎn)生房間壓差梯度紊亂的現(xiàn)象。

二、優(yōu)化解決方案

1.閥門的預(yù)設(shè)動作和快速響應(yīng)

不論何種控制模式，如在安全柜啟閉的整個過程中出現(xiàn)送風(fēng)量大于排風(fēng)量的情況，則出現(xiàn)壓差逆轉(zhuǎn)：如果排風(fēng)量遠(yuǎn)大于送風(fēng)量，則出現(xiàn)房間瞬時絕對負(fù)壓值過大情況，因此,送、排風(fēng)閥在安全柜啟閉過程中動作順序及執(zhí)行速度對保證系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)過渡起到非常關(guān)鍵的作用。由實驗數(shù)據(jù) 可以看出，送風(fēng)變化往往更多導(dǎo)致壓差逆轉(zhuǎn)，這是因為安全柜的啟閉本身已經(jīng)對排風(fēng)產(chǎn)生了較大影響，同時又伴隨著送風(fēng)較大的波動，同一時刻送、排風(fēng)均需控制。如控制不力，則更易出現(xiàn)送、排風(fēng)瞬時不匹配的情況。通常，實驗室在整個工況轉(zhuǎn)換過程中需把握兩個要點：任何時間房間必須處于負(fù)壓，即送風(fēng)量小于排風(fēng)量;安全柜僅有排風(fēng)。因此，房間送、排風(fēng)閥的控制邏輯應(yīng)圍繞任何時間均保證房間送風(fēng)滯后且小于排風(fēng)展開。

下表 為根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗給出的送、排風(fēng)閥預(yù)設(shè)動作順序的優(yōu)化策略建議。

通過同時對閥門響應(yīng)不及時的情況做出統(tǒng)計。可以看出閥門的響應(yīng)速度對工況順利轉(zhuǎn)換的制約是決定性的。接近一半的項目由于閥門響應(yīng)不及時而無法根除相對逆轉(zhuǎn)的情況，個別項目甚至由于無法解決絕對逆轉(zhuǎn)情況而更換快速閥門。目前國內(nèi)常用的主流定、變風(fēng)量控制閥門為蝶閥和文丘里閥兩種類型，蝶閥通常采用“測量—比對一執(zhí)行”的閉環(huán)控制方式，響應(yīng)時間平均 2～3s。文丘里閥采用前饋控制方式，最快的響應(yīng)時間可在1s 以內(nèi)（價格較貴)。選擇何種類型閥門可在設(shè)計階段根據(jù)項目規(guī)模、投資,復(fù)雜程度和要求進行評估，但選擇快速響應(yīng)閥門是毫無疑同的，根據(jù)現(xiàn)場實測經(jīng)驗來看，建議響應(yīng)速度不要超過2s。

由于變風(fēng)量控制多采用PID控制調(diào)節(jié)模式，送風(fēng)量往往會圍繞排風(fēng)量振蕩收斂，這意味著控制邏輯決定了某一時刻難免會出現(xiàn)送風(fēng)量大于排風(fēng)量的現(xiàn)象，因此在實測過程中多數(shù)情況下會出現(xiàn)瞬時壓差逆轉(zhuǎn)情況。在調(diào)試過程中，應(yīng)通過設(shè)置合理的閥門動作順序和減少閥門響應(yīng)時間來保證核心工作間不出現(xiàn)絕對壓差逆轉(zhuǎn)，而核心工作向與其相鄰緩沖間的相對壓差逆轉(zhuǎn)，也應(yīng)控制在 1min 內(nèi)。如某大（中）型動物 ABSL-3 實驗室采用變送定排模式。中凈環(huán)球凈化可提供潔凈車間、GMP車間、凈化工程、無塵室、實驗室的咨詢、規(guī)劃、設(shè)計、施工、安裝改造等配套服務(wù)。

從一些實測數(shù)據(jù) 可以看到，在生物安全柜開啟過程中，均出現(xiàn)絕對和相對壓差逆轉(zhuǎn),現(xiàn)場判斷主要由兩方面原因構(gòu)成：送、排風(fēng)閥同時動作，瞬時風(fēng)量不匹配；控制風(fēng)閥響應(yīng)速度過慢。現(xiàn)場改變控制策略：首先快速啟動安全柜排風(fēng)閥門，將送、排風(fēng)閥同時動作改為送風(fēng) VAV 滯后動作，且減小 VAV 開大時執(zhí)行幅度，緩慢補風(fēng)。通過調(diào)試消除了相對逆轉(zhuǎn)，但仍無法解決絕對壓差逆轉(zhuǎn)。最終將變風(fēng)量閥更換為響應(yīng)時間不超過 1s的快速閥;并對系統(tǒng)送排風(fēng)控制系統(tǒng)重新進行了調(diào)試，才同時杜絕了相對和絕對壓差逆轉(zhuǎn)。

通過實踐證明，采用快速響應(yīng)閥門，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置合理的閥門動作順序，可以在安全柜開啟和關(guān)閉的整個工況轉(zhuǎn)換工程中避免出現(xiàn)絕對和相對壓差逆轉(zhuǎn)。

2.優(yōu)化操作模式和設(shè)備性能

在實際檢測中發(fā)現(xiàn)，良好的安全柜操作習(xí)慣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也具有一定影響。瞬間較大的風(fēng)量波動要靠系統(tǒng)的復(fù)雜控制和閥門的快速響應(yīng)去抵消，但如果整個啟閉動作在一個相對緩慢的過程中平穩(wěn)進行，則即使在不太理想的現(xiàn)場條件下，壓力波動也可能被適當(dāng)控制在一個可接受的范圍內(nèi)。事實上如果啟閉時間足夠長，讓波動風(fēng)量帶來的壓差影響慢慢被消化，則系統(tǒng)穩(wěn)定性將提高，這要求使用人員摸索和制定合理的操作規(guī)程，盡量避免快速拉起或關(guān)閉窗口玻璃而引起瞬時的風(fēng)量巨變。

現(xiàn)實中，生物安全柜保持部分排風(fēng)常量也是很多實驗室采用的穩(wěn)定工況的做法之一。這一思路借鑒了大量的理化實驗室中有大排風(fēng)要求的通風(fēng)櫥的控制模式：即使在未使用ⅡB2 型生物安全柜時也依然保持安全柜一定的排風(fēng)量。規(guī)范強調(diào)了“不得只利用生物安全柜或其他負(fù)壓隔離裝置作為房間排風(fēng)出口”，但并未規(guī)定當(dāng)房間設(shè)有明確的排風(fēng)口和排風(fēng)量時，生物安全柜不能在非工作時段保持一定的排風(fēng)量。事實上目前國內(nèi)外很多廠家均生產(chǎn)了保證最小排風(fēng)量的生物安全柜，在關(guān)閉安全柜內(nèi)自帶風(fēng)機且拉下工作面窗口玻璃后，依然留有一定縫隙，允許部分甚至全部額定排風(fēng)經(jīng)系統(tǒng)排風(fēng)機排出。此時，所謂的生物安全柜關(guān)閉狀態(tài)，其實質(zhì)應(yīng)該是生物安全柜自帶的頂部引風(fēng)機關(guān)閉，保證不會有氣體外溢，整個生物安全柜可以理解為一個負(fù)壓排風(fēng)通道。

3.定送變排，安全柜排風(fēng)等量切換模式探討

通過對大量工程項目的實證分析可以看出，對于圍護結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高的實驗室而言，風(fēng)量變化是干擾壓力波動的最大因素。因此，在工況轉(zhuǎn)換時如何降低甚至消減波動風(fēng)量并配合以成熟穩(wěn)定的控制程序，是解決Ⅱ B2 型生物安全柜氣流穩(wěn)定的最根本途徑，當(dāng)然前已述及，為達(dá)到穩(wěn)定效果而以設(shè)備的高損耗和系統(tǒng)高能耗為代價，放任安全柜乃至整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的持續(xù)高態(tài)不是解決問題的邏輯，生物安全與系統(tǒng)的科學(xué)性和經(jīng)濟性永遠(yuǎn)需要一個合理的平衡。這里結(jié)合團隊多年來設(shè)計和檢測的工程實踐經(jīng)驗，提出定送變排，人們所接受，但通過電動閥控制，將房間排風(fēng)和設(shè)備排風(fēng)根據(jù)設(shè)備啟停做等量切換的方式實際上早已大量運用于有潔凈、壓力要求的潔凈室領(lǐng)域，由于對應(yīng)性強、控制清晰、方法簡單，具有較強的適用性。

（1）系統(tǒng)模式及控制思路

該模式房間送風(fēng)量恒定，房間排風(fēng)量可變，但無論II B2 型生物安全柜是否開啟，與其相關(guān)聯(lián)的排風(fēng)量（與房間排風(fēng)口切換）恒定。定送是保持核心工作房間的送風(fēng)量和換氣次數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范的要求。變排是指Ⅱ B2 型生物安全柜排風(fēng)采用 CAV 定風(fēng)量系統(tǒng)，核心間一部分排風(fēng)采用 VAV變風(fēng)量閥，調(diào)節(jié)維持房間壓差滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

因此，該模式下房間排風(fēng)由兩部分組成：1）Ⅱ B2 型生物安全柜排風(fēng)與房間內(nèi)對應(yīng)的同風(fēng)量（調(diào)試獲得）高效排風(fēng)口排風(fēng)并聯(lián)接人同一支干管，經(jīng)定風(fēng)量閥（CAV)接入總排風(fēng)系統(tǒng)，此部分排風(fēng)量恒定，且獨立于房間排風(fēng)，根據(jù)安全柜的啟閉切換設(shè)在兩個支管上的電動密閉閥；2）在各房間排風(fēng)總管上設(shè)置變風(fēng)量閥（VAV）房間設(shè)置對大氣的壓力傳感器，根據(jù)壓力傳感器實測值調(diào)節(jié)排風(fēng)變風(fēng)量閥開度，以滿足房間設(shè)定壓力的要求。

當(dāng)II B2 型生物安全柜開啟時，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動密閉閥開啟，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上密閉閥關(guān)閉；反之，當(dāng)ⅡB2 型生物安全柜關(guān)閉時，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動密閉閥關(guān)閉，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上電動密閉閥開啟。

在實際調(diào)試及運行過程中，為了更加穩(wěn)妥地保證工祝轉(zhuǎn)換時的絕對負(fù)壓效果，兩個對應(yīng)電動閥門的控制邏輯往往并非同時反向工作，而是先將關(guān)閉的閥門開啟，待兩個閥門均處于完全開啟狀態(tài)后，再關(guān)閉另一個閥門。這樣即可避免閥門反向操作時可能帶來的瞬時負(fù)壓風(fēng)量變小的情況。另外，為了保證房間絕對壓差和相對壓差的平衡和穩(wěn)定，房間排風(fēng)管設(shè)置變風(fēng)量 VAV 閥門，根據(jù)房間設(shè)置的壓差要求來調(diào)節(jié) VAV 開度，以滿足ⅡB2 型生物安全柜啟閉時對房間壓差產(chǎn)生的微小波動，滿足核心實驗室運行的壓差要求。

（2）比較優(yōu)勢分析

由于在該種方式下Ⅱ B2 型生物安全柜的開啟和停止對房間內(nèi)的壓差變化只會產(chǎn)生很小的影響，因此本方案具有較高的穩(wěn)定性，對于面積較小卻具有 2臺及以上Ⅱ B2 型生物安全柜的核心工作間更具適用性。整個系統(tǒng)在T B2 型生物安全柜啟動和停止運行過程中，都能保證核心工作間送風(fēng)量和壓差梯度的平衡和穩(wěn)定，避免生物安全柜開啟時的風(fēng)量調(diào)節(jié)報警和房間壓差逆轉(zhuǎn)報警。

相較于前幾種方案，本方案減少了 VAV 調(diào)節(jié)閥門的數(shù)量，同時也降低了 VAV閥門型號規(guī)格，較為經(jīng)濟。閥門調(diào)節(jié)幅度較小，調(diào)整頻次較低，不論是對 VAV閥門的投資還是對閥門的使用時間都有益處，更主要是能很好滿足核心工作間各種工況的切換要求。

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