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系統(tǒng)，與回風系統(tǒng)不同，系統(tǒng)排風與送風是解耦的，因此送、排風是“定”還是“變”不是主要問題，而安全柜啟停時室內(nèi)相應的變風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.排風量不足，安全柜無法正常啟動

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

如持續(xù)一段時間后停止，則說明系統(tǒng)總排風量是能夠滿足要求的，但在變風量控制模式上存在一定的時間誤差，導致開啟之初排風量不足，隨著系統(tǒng)慢慢穩(wěn)定，系統(tǒng)緩慢達到了設(shè)定值，這種情況也需要現(xiàn)場調(diào)試送、排風閥執(zhí)行機構(gòu)的行程調(diào)節(jié)速度和響應時間，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)互相作用導致的結(jié)果。當切換過程某一時段房間送風量超過房間及安全柜排風量之和，實驗室即出現(xiàn)絕對壓差逆轉(zhuǎn)；當工況轉(zhuǎn)換工程匯總核心工作間負壓風量與其相鄰的緩沖間負壓風量不匹配時，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險，均為檢測及 CNAS 認可時現(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、排風閥的控制邏輯及其執(zhí)行速度和響應時間。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.切換時負壓過大

過大的負壓對實驗室圍護結(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.閥門的預設(shè)動作和快速響應

不論何種控制模式，如在安全柜啟閉的整個過程中出現(xiàn)送風量大于排風量的情況，則出現(xiàn)壓差逆轉(zhuǎn)：如果排風量遠大于送風量，則出現(xiàn)房間瞬時絕對負壓值過大情況，因此,送、排風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，送風變化往往更多導致壓差逆轉(zhuǎn)，這是因為安全柜的啟閉本身已經(jīng)對排風產(chǎn)生了較大影響，同時又伴隨著送風較大的波動，同一時刻送、排風均需控制。如控制不力，則更易出現(xiàn)送、排風瞬時不匹配的情況。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壓，即送風量小于排風量;安全柜僅有排風。因此，房間送、排風閥的控制邏輯應圍繞任何時間均保證房間送風滯后且小于排風展開。

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

通過同時對閥門響應不及時的情況做出統(tǒng)計?？梢钥闯鲩y門的響應速度對工況順利轉(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，響應時間平均 2～3s。文丘里閥采用前饋控制方式，最快的響應時間可在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,復雜程度和要求進行評估，但選擇快速響應閥門是毫無疑同的，根據(jù)現(xiàn)場實測經(jīng)驗來看，建議響應速度不要超過2s。

由于變風量控制多采用PID控制調(diào)節(jié)模式，送風量往往會圍繞排風量振蕩收斂，這意味著控制邏輯決定了某一時刻難免會出現(xiàn)送風量大于排風量的現(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，應通過設(shè)置合理的閥門動作順序和減少閥門響應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、排風閥同時動作，瞬時風量不匹配；控制風閥響應速度過慢。現(xiàn)場改變控制策略：首先快速啟動安全柜排風閥門，將送、排風閥同時動作改為送風 VAV 滯后動作，且減小 VAV 開大時執(zhí)行幅度，緩慢補風。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)。最終將變風量閥更換為響應時間不超過 1s的快速閥;并對系統(tǒng)送排風控制系統(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慣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也具有一定影響。瞬間較大的風量波動要靠系統(tǒng)的復雜控制和閥門的快速響應去抵消，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量巨變。

現(xiàn)實中，生物安全柜保持部分排風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要求的通風櫥的控制模式：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量。規(guī)范強調(diào)了“不得只利用生物安全柜或其他負壓隔離裝置作為房間排風出口”，但并未規(guī)定當房間設(shè)有明確的排風口和排風量時，生物安全柜不能在非工作時段保持一定的排風量。事實上目前國內(nèi)外很多廠家均生產(chǎn)了保證最小排風量的生物安全柜，在關(guān)閉安全柜內(nèi)自帶風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經(jīng)系統(tǒng)排風機排出。此時，所謂的生物安全柜關(guān)閉狀態(tài)，其實質(zhì)應該是生物安全柜自帶的頂部引風機關(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壓排風通道。

3.定送變排，安全柜排風等量切換模式探討

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)嚴密性較高的實驗室而言，風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，當然前已述及，為達到穩(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)的科學性和經(jīng)濟性永遠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，將房間排風和設(shè)備排風根據(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

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

因此，該模式下房間排風由兩部分組成：1）Ⅱ B2 型生物安全柜排風與房間內(nèi)對應的同風量（調(diào)試獲得）高效排風口排風并聯(lián)接人同一支干管，經(jīng)定風量閥（CAV)接入總排風系統(tǒng)，此部分排風量恒定，且獨立于房間排風，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）在各房間排風總管上設(shè)置變風量閥（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)排風變風量閥開度，以滿足房間設(shè)定壓力的要求。

當II B2 型生物安全柜開啟時，該生物安全柜排風管上的電動密閉閥開啟，與之對應的房間排風管上密閉閥關(guān)閉；反之，當ⅡB2 型生物安全柜關(guān)閉時，該生物安全柜排風管上的電動密閉閥關(guān)閉，與之對應的房間排風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)換時的絕對負壓效果，兩個對應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壓風量變小的情況。另外，為了保證房間絕對壓差和相對壓差的平衡和穩(wěn)定，房間排風管設(shè)置變風量 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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