P3生物实验室的通风空调系统设计

• 从2001年以后，我国对生物安全实验室的需求逐年增加，特别是SARS和高致病性

禽流感疫情的暴发，使国家对实验室生物安全技术更加重视。P3生物实验室是生物安全防护三级实验室。生物安全防护实验室是指实验室的结构和设施、安全操作规程、安全设备能够确保工作人员在处理含有致病微生物及其毒素时，不受实验对象侵染，周围环境不受

污染。根据微生物及其毒素的危害程度不同，分为四级，一级最低，四级最高。

关键字：生物实验室 [1篇] 通风空调 [11篇] 空调系统设计 [3篇]

□天津大学环境科学和工程学院 刘俊杰 赵歆治

□国家生物防护装备工程技术研究中心 祁建城

引言(一级)

从2001年以后，我国对生物安全实验室的需求逐年增加，特别是SARS和高致病性禽流感疫情的暴发，使国家对实验室生物安全技术更加重视。P3生物实验室是生物安全防护三级实验室。生物安全防护实验室是指实验室的结构和设施、安全操作规程、安全设备能够确保工作人员在处理含有致病微生物及其毒素时，不受实验对象侵染，周围环境不受污染。根据微生物及其毒素的危害程度不同，分为四级，一级最低，四级最高。P3生物实验室适用于主要通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致病的微生物及其毒素。当实验室活动涉及致病微生物传染或潜在微生物传染因子时如何避免环境污染和减少工作人员暴露的危险得到了世界范围内越来越广泛的关注。本文拟从工程应用角度介绍一下某P3生物

实验室的通风空调设计方法，旨在提高生物安全实验室的空气质量。

某P3生物实验室的HVAC设计(一级)

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工程概况(二级)

笔者参和了某P3生物实验室的设计和调试工作，现在对有关设计和调试中出现的问题做初步探讨。该P3生物实验室总面积约为25m2，共一层，建筑高度为2.900m。如图1所示该实验室由主实验间、缓冲间、更衣间、设备房组成。要求主实验间保持负压-70Pa，

如图1所示：压力梯度从主实验间向外依次增高。

设计原则和设计参数(二级)

该设计的原则是依据《生物安全实验室建筑技术规范》（GB50346-2004.）和《洁净厂房设计规范》（GB50073－2001），满足生物安全三级实验室的实验功能要求、实验室内

的温湿度、压差梯度、洁净度、气流组织等要求。

室外空气计算参数的确定(三级)

为满足P3生物实验室室内温湿度的要求，需要确定实验室所在城市的室外计算参数作为设计依据，也可以在全国五个建筑热工分区中分别选择一个具有代表性的典型城市的

室外计算参数作为设计依据。具体设计参数见表1：

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室内空气计算参数的确定(三级)

具体的设计参数如表2所示：

负荷计算(二级)

空调系统的冷负荷计算方法采用逐时冷负荷计算法，空调冷负荷包括围护结构传热形成的冷负荷、室内工艺设备、人员、照明等散热形成的冷负荷和新风冷负荷。由于该实验室门的密闭性较好且无窗，所以空调系统的热负荷仅考虑围护结构的耗热量。空调系统的

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湿负荷仅考虑人体散湿负荷。

送风量计算(二级)

按公式 计算送风量。

式中： －送风量，m3/h

－室内冷负荷，Kw

－室内状态点N的焓值，KJ/Kg

－送风状态点O的焓值，KJ/Kg

－室内湿负荷，g/s

－室内状态点N的含湿量，g/Kg

－送风状态点O的含湿量，g/Kg

排风量计算(二级)

实验室排风量根据以下公式计算：

Q＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4—Q5

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式中：Q－实验室排风量；

Q1－实验室送风量；

Q2－缝隙渗入风量；

Q3－开关门引起的渗入风量；

Q4－开关传递窗引起的渗入风量；

Q5－局部设备排风量；

空调方式及计算(二级)

该空调系统应采用全新风系统，冬夏空气处理过程如图1所示。经计算某P3生物实验室空调系统夏季所需冷量为19.66Kw，再热量为1.61Kw，冬季所需热量为16.01Kw，

加湿量为7.08Kg/h。

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冷热源方案及节能(二级)

本设计中，考虑到生物实验室体积小、灵活使用的特点，选用的加热器和加湿器均选择可调节型。选用的冷热源为VRV小型热泵机组，其制冷量为20.0kW，制热量为20.6kW，空调设备间选用窗式冷暖型空调机，辅助电加热器两个，共计18kW，加湿器选用电热加

湿型，加湿量为8kg/h。

由于P3实验室空调系统采用全新风系统，应当考虑安装热交换器回收排风中的冷、热量。为了避免交叉污染，转轮式全热回收器是不能使用的，可以使用热管和板式金属热

交换器。

气流组织(二级)

上送下回是传统的气流组织形式，由空间上部送入空气下部排出。该方式是适合生物实验室的气流组织形式，有利于改善工作区的空气质量，保证气流从低污染区域流向高污染区域，能够形成有利于实验人员安全的气流组织。该生物实验室的气流组织形式为：主实验间送、排风口对面布置，右侧三个均布高效过滤器送风口上送、左后侧高效过滤器排风口下排，形成有利于工作人员安全的气流组织。缓冲间、更防护服间进口上部设高效送风口，送风口对角线的壁板下侧设高效过滤器排风口，上送下排使得气流由洁净区流向相对污染区。但是，此种气流组织容易造成排风高效过滤器后面的操作空间过小，无法进行检漏，确保生物实验室的安全。应当在设计排风口位置是充分考虑排风高效过滤器检漏的

操作空间。

排风系统末端必须安装二级可安全更换高效空气过滤器（例如袋进－袋出过滤器），而

且必须有进行过滤器检漏和消毒的专用装置和接口。

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P3生物实验室的压差控制(一级)

针对实验室潜在的生物危险因素，应采取两级物理防护措施：（1）一级防护屏障――即把生物危险因子限定在物理防护设备内操作，使其污染的范围尽可能地缩小到最小程度。一级防护屏障主要包括生物安全柜、隔离器等为消除或减小实验人员暴露于有害微生物的工程控制设施。（2）二级防护屏障——二级防护屏障主要包括保证气流定向流动的负压通风系统和HEPA，是实验室外环境的重要保护屏障，能够防止实验室实验过程中产生的有害微生物气溶泄漏到实验室外面污染环境。为避免生物实验室周围的环境受到污染就要使

实验室保持负压。下面介绍一下P3生物实验室的压差控制方法。

生物实验室负压参考值(二级)

对于生物实验室，《微生物和生物医学实验室生物安全通用准则》规定P3生物实验室相对于实验室外部，实验室内部保持负压。实验间的相对压强以－30Pa～－40Pa为宜，缓冲间的相对压强以－15Pa～－20Pa为宜；P4生物安全实验室的安全柜室必须保持负压程度最高，其相对压强不得高于－60Pa；安全柜室、内更衣室、淋浴室和外更衣室的相对

压强依次增高，相邻房间之间应有压差，保持在10Pa～15 Pa之间[2]。

几种压差控制方案比较(二级)

对于压差控制系统来说，其所达到的结果实质上是对渗入或渗出空气的控制。下面对

常用的几种压差控制方案进行比较。

送、排风均用变风量阀控制 (三级)

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在设计的初始阶段考虑采取此方案。具体控制方案为：房间送、排风均为变风量通过变风量风阀和风机，自动调节送、排风风量，使实验室各房间负压和压力梯度保持不变。但是考虑到存在多个变量和控制对象自动控制难以实现加之该方案投资成本较高用此方案

控制房间负压难以实现。

送、排风均用定风量阀控制 (三级)

目前通过在送风管和排风管上采用定风量控制装置的定风量系统在一定程度上可以主动的、动态的调节流量，消除系统静压波动造成的对流量的影响，从而保证流量的恒定和控制的稳定[3]。系统通过控制各房间的送风量和排风量来控制各房间的压力。各功能间的送风、排风的定风量阀按照调试好的定风量运行，各功能间的负压靠送、排风量的定风量控制。采集空调机组的压力损失压差信号，调节送风机变频器保证定风量送风；排风机通过采集排风静压箱的进风口压力值，调节变频器使得整个系统排风量满足各功能间保证压差的排风量要求。但是由于定风量阀存在着调节误差，两个定风量阀互相干涉会引起压力的波动。通过对定风量阀所做定风量试验发现，采用定风量阀控制风量存在上下波动的情

况。因此采用此方案也难以保证实验室负压的稳定。

送风定风量阀，排风变风量阀控制 (三级)

该方案自动控制实现起来比较容易，且投资较省，因此应用较广。该方案也是本次设计的最终方案。具体的控制方案为：采用管路阀门和风机变频结合的控制方式，主实验间送风为定风量，排风为变风量的方式保证实验室负压值的恒定。更衣间、缓冲间送排风均采用手动调节阀，通过变频排风机稳定排风静压箱压力经过调试使其压力值满足要求。应

用本方案控制实验室负压，系统运行稳定达到了设计要求。

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结论(一级)

目前，P3生物实验室的建设在我国刚刚起步，在建造生物实验室时，规范设计十分重要。本文通过某工程实例讨论了P3生物实验室的通风空调设计方法，供设计人员参考。

天津大学环境科学和工程学院

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