一、負壓系統的控制方案:
為了保證P3實(shí)驗室各房間(尤其在有全排風(fēng)的Ⅱ級生物安全柜的實(shí)驗室房間)的負壓和壓力梯度,對P3實(shí)驗室負壓系統的通風(fēng)空調控制通常有以下三種設計方案:
1、房間送、排風(fēng)均為變風(fēng)量
即安全柜開(kāi)、停時(shí),計算機通過(guò)變風(fēng)量風(fēng)閥和風(fēng)機,自動(dòng)調節送、排風(fēng)風(fēng)量,使實(shí)驗室各房間負壓和壓力梯度保持不變。從原理上來(lái)說(shuō)此方案實(shí)為最理想的方案,即節能又合理。但由于在生物安全柜開(kāi)、停時(shí),整個(gè)系統的總風(fēng)量和壓力需要重新調節和平衡,而且存在多個(gè)變量和多個(gè)控制對象以及負壓系統控制的倒相等問(wèn)題,因此實(shí)現自動(dòng)控制比較復雜,難度較大,投資成本也高,因此很少采用。
2、房間送風(fēng)為定風(fēng)量,排風(fēng)為變風(fēng)量
采用此方案,通常生物安全柜排風(fēng)管直接接在系統的排風(fēng)總管上,與房間的排風(fēng)管分開(kāi),即不受房間排風(fēng)的變風(fēng)量風(fēng)閥控制,生物安全柜啟用或停止時(shí)通過(guò)變風(fēng)量風(fēng)閥,自動(dòng)調節房間排風(fēng)量的大小,以維持室內壓力不變。實(shí)質(zhì)上調節房間排風(fēng)量的大小,也就是在生物安全柜啟用或停止時(shí)維持房間的總排風(fēng)量不變。因此系統的總送風(fēng)和總排風(fēng)風(fēng)量也不變,系統始終處于平衡狀態(tài),自動(dòng)控制實(shí)現起來(lái)比較容易,投資也較省,應用較廣。但要注意由于變風(fēng)量風(fēng)閥調節具有滯后性,安全柜的啟、停過(guò)程可能會(huì )引起室內負壓和壓力梯度的波動(dòng),甚至有倒灌的可能,必須采取有效措施加以防范。
3、房間的送風(fēng)、排風(fēng)均為定風(fēng)量
采用此方案,通常生物安全柜的排風(fēng)管直接接在該房間的排風(fēng)支管上,安全柜的排風(fēng)和房間的排風(fēng)同時(shí)受同一個(gè)排風(fēng)定風(fēng)量風(fēng)閥的控制,使得生物安全柜在啟用或停止時(shí),通過(guò)排風(fēng)定風(fēng)量風(fēng)閥維持房間總的排風(fēng)量不變。因此在生物安全柜啟用或停止時(shí),對實(shí)驗室房間的負壓和壓力梯度基本無(wú)影響,系統比較穩定,控制也很簡(jiǎn)單,投資較省,屬目前最流行,采用最多的方案之一。該方案在設計時(shí)要注意,在有全排風(fēng)的Ⅱ級生物安全柜的實(shí)驗室房間的風(fēng)量要留有足夠余量,以避免生物安全柜在啟用時(shí)可能發(fā)生“倒灌”現象。
2和3兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠,但不節能。
若采用二位定風(fēng)量閥和雙風(fēng)機的變風(fēng)量系統,則可以使自動(dòng)控制變得相對簡(jiǎn)單,易于實(shí)現,符合“安全可靠、節能運行”的原則。
二、雙風(fēng)機變風(fēng)量系統設計方案
根據《規范》的要求,如何才能做到“保證正在工作的排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),室內負壓狀態(tài)不被破壞,備用排風(fēng)機必須能自動(dòng)啟動(dòng),使系統不間斷正常運行”呢?
首先要搞清楚什么是負壓和壓力梯度?“負壓”是指室內對大氣為負壓,而“壓力梯度”是指相鄰房間之間的壓差關(guān)系。
目前,據我所知,現有已建的P3實(shí)驗室大多都還不能完全做到《規范》中關(guān)于設置備用排風(fēng)機,保證在風(fēng)機故障時(shí),系統能不間斷正常運行的要求。這是由于判斷風(fēng)機故障,以及備用風(fēng)機的啟動(dòng)和電動(dòng)風(fēng)閥動(dòng)作的滯后特性所決定的。尤其是在主排風(fēng)機故障時(shí),送風(fēng)機和生生物安全柜的排風(fēng)機如何處理?是停還是不停?停送風(fēng)機室內雖然可以避免出現正壓,但會(huì )有短暫失壓;不停送風(fēng)機室內則有可能出現正壓!同樣,停生物安全柜排風(fēng)機,生物安全柜內也可能失去負壓;不停則有“倒灌”的危險。因此僅靠增加一臺備用排風(fēng)機,即一送二排,排風(fēng)機一主一備,是很難真正做到排風(fēng)機故障時(shí),系統能“不間斷”正常運行的。除非在風(fēng)機發(fā)生故障之前就能作出判斷,而提前啟動(dòng)備用排風(fēng)機。
因為當只有一臺正在工作的排風(fēng)機一旦發(fā)生故障時(shí),其系統排風(fēng)的動(dòng)力或壓頭就會(huì )立即消失;排風(fēng)風(fēng)量急劇減小,即使立即停送風(fēng)機和生物安全柜的排風(fēng)機,然后再利用備用排風(fēng)機重新啟動(dòng)系統。在這個(gè)時(shí)間過(guò)程中,室內和生物安全柜內可能已經(jīng)失壓或出現正壓了!因此一臺送風(fēng)機、二臺排風(fēng)機的通風(fēng)方案不可行!
有的單位也有不停送風(fēng)機和生物安全柜排風(fēng)機的。據說(shuō)“在排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),備用排風(fēng)機能快速切換,其房間與相鄰房間也能基本上維持負壓,即現場(chǎng)壓差表指針不過(guò)零”。究竟是否能保證維持負壓?我表示懷疑;當我問(wèn)到房間有沒(méi)有倒灌現象和該房間對大氣是否也能維持負壓?他們竟全然不知。甚至說(shuō):“我們只要保證相鄰房間能維持負壓就行了”。這是對生物安全要求的錯誤理解。
也有單位在排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),只停送風(fēng)機而不停生物安全柜排風(fēng)機,或者根本就不考慮生物安全柜排風(fēng)機的啟停,甚至生物安全柜排風(fēng)機的啟停只有手動(dòng)控制。這樣做是非常危險和絕對不允許的;在主排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),不能及時(shí)停生物安全柜排風(fēng)機,就非常有可能向房間內倒灌!因此生物安全柜的排風(fēng)機啟動(dòng)和停止必須自動(dòng)控制,不得手動(dòng)!
雖然在排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),由于房間內還有生物安全柜的排風(fēng)機在工作,也許在非常短的時(shí)間內還能維持負壓,但生物安全柜的排風(fēng)很可能會(huì )向房間內倒灌。若不停送風(fēng)機這時(shí)其它房間還有可能對大氣為正壓。所以即使該房間與相鄰房間仍為負壓,但該房間對大氣卻不一定是負壓!
P3實(shí)驗室內對大氣若為正壓或房間內發(fā)生倒灌都是非常危險的。所以在判斷或驗證排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),實(shí)驗室內是否能不間斷的維持負壓,不能僅看相鄰房間之間的壓差,而且還要監視房間對大氣是否也維持負壓和房間內的排風(fēng)是否有倒灌現象!
另外,在《規范》中,僅僅只提到了排風(fēng)機發(fā)生故障的情況,那么假設一旦送風(fēng)機發(fā)生故障又該怎么辦呢?筆者認為;在P3實(shí)驗室通風(fēng)系統中,送風(fēng)機也應該設有備用。因為送風(fēng)機一旦發(fā)生故障,排風(fēng)機也必須停。否則,過(guò)大的負壓會(huì )對實(shí)驗室內的維護結構造成一定的破壞,或對高效過(guò)濾器和實(shí)驗設備產(chǎn)生不良影響。
于是筆者提出;在一送二排的基礎上,是否可考慮再增加一臺送風(fēng)機或再增加一臺送風(fēng)機和一臺排風(fēng)機,即二送二排;或二送三排,甚至三送三排,且送風(fēng)機和排風(fēng)機均采用雙機并聯(lián)運行。這樣就能做到正在工作的送風(fēng)機和排風(fēng)機其中任何一臺發(fā)生故障時(shí),還有一送一排,在繼續工作?;蛘吡硗庖慌_備用風(fēng)機自動(dòng)跟進(jìn)。從而保證室內的負壓和壓力梯度不被破壞,整個(gè)系統才能保證不間斷地正常運行。甚至生物安全柜也能不間斷地繼續工作!
因為當二臺并聯(lián)的排風(fēng)機同時(shí)工作,其中一臺排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí);由于還有一臺排風(fēng)機仍在工作,其排風(fēng)的動(dòng)力或壓頭還能繼續維持,雖然系統的排風(fēng)風(fēng)量也會(huì )減少,但在短時(shí)間內由于有定風(fēng)量閥的作用,室內的負壓和壓力梯度還不會(huì )立即發(fā)生變化,只要能立即自動(dòng)停一臺送風(fēng)機;或者備用風(fēng)機及時(shí)地自動(dòng)跟進(jìn),就能保證系統不間斷地正常運行。
實(shí)踐證明;采用二位定風(fēng)量閥的雙風(fēng)機并聯(lián)變風(fēng)量系統,即使正在工作的送風(fēng)機和排風(fēng)機其中任何一臺風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),生物安全實(shí)驗室內的負壓和壓力梯度也非常穩定,效果甚佳;而且一送一排還可作為夜間值班使用,從而省去另外再單獨設置的值班系統,使系統更簡(jiǎn)單,更節能,更安全可靠,投資也更省。
三級生物安全實(shí)驗室通風(fēng)系統的風(fēng)機設置方案歸納如下:
一送一排:一臺送風(fēng)機一臺排風(fēng)機,運行不復雜,在風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),雖然也可利用值班風(fēng)機作備用,但系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行。室內安全性不高。
一送二排:排風(fēng)機為一主一備,運行不復雜,排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),有備用風(fēng)機。在風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行,也需另設值班系統。室內安全性不高
二送二排:送、排風(fēng)機均為一主一備,送、排風(fēng)機任何一臺發(fā)生故障時(shí),均有備用風(fēng)機。在風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行。也需另設值班系統。室內安全性不高
二送二排:送、排風(fēng)機并聯(lián)雙風(fēng)機工作;也可一送一排單機運行。送、排風(fēng)機任一臺發(fā)生故障時(shí),都可以一送一排工作。能保證系統不間斷正常運行,和維持室內或生物安全柜內的負壓,無(wú)需另設值班系統。投資費用較低,室內安全性,可靠性高。運行控制簡(jiǎn)單。在風(fēng)機故障時(shí),生物安全柜還不能做到不間斷正常運行。
二送三排:送、排風(fēng)機并聯(lián)雙風(fēng)機工作;也可一送一排單機工作。排風(fēng)機為二用一備。排風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),能保證系統和生物安全柜不間斷正常運行。送風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),可一送一排工作,以維持室內負壓和壓力梯度。無(wú)需另設值班系統。室內安全性,可靠性高。當有一臺送風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),生物安全柜不能做到不間斷正常運行,運行及控制稍復雜。
三送三排:送、排風(fēng)機并聯(lián)雙風(fēng)機工作;也可一送一排單機工作。送、排風(fēng)機均二用一備。送、排風(fēng)機任一臺發(fā)生故障時(shí),都能保證系統和生物安全柜不間斷正常運行。無(wú)需另設值班系統。室內安全性,可靠性最高。運行及控制稍復雜。
從上述可見(jiàn);二送二排雙風(fēng)機并聯(lián)運行工作的變風(fēng)量系統實(shí)屬于P3實(shí)驗室最簡(jiǎn)單節能,又安全可靠的方案;只有在要求較高的情況下(如在風(fēng)機故障時(shí),生物安全柜也要能不間斷地繼續工作),則可考慮二送三排,或三送三排的通風(fēng)系統方案。
究竟選擇以上那一種通風(fēng)系統的方案,應根據操作對象的危害程度和具體要求來(lái)選用。實(shí)際上,設置備用風(fēng)機的目的是為了生物安全實(shí)驗室更加安全可靠。否則不設置備用風(fēng)機,采用一送一排的方案,在風(fēng)機發(fā)生故障時(shí),利用值班系統作為備用自動(dòng)跟進(jìn);或者靠生物安全柜的排風(fēng)機來(lái)維持負壓,也可保證室內負壓,若采用房間送風(fēng)為定風(fēng)量、排風(fēng)為變風(fēng)量方案,甚至還可以做到能不間斷地維持室內負壓狀態(tài)(但不能保證正常的壓力梯度)和工作人員安全,也并非不可。若增加了備用風(fēng)機,在風(fēng)機故障時(shí),仍然不能做到“使系統能不間斷繼續正常運行”,實(shí)際上也是毫無(wú)意義的。
三、值班系統的設計方案
對于P3實(shí)驗室一旦啟用,就應24小時(shí)維持負壓;尤其是在室內有實(shí)驗動(dòng)物時(shí)。否則一旦失壓,室內空氣中就可能會(huì )有致病因子和氣溶膠,甚至有倒灌的可能。在第二天啟用時(shí)又必須重新進(jìn)行自?xún)艋蛳?。因此必須設值班系統。對于值班系統的設置,一種方案為;另外單獨設置一套值班系統,僅對有實(shí)驗動(dòng)物的房間送、排風(fēng)和控溫。該方案運行費用較低;但投資較高,且大小系統切換時(shí),系統可能會(huì )引起波動(dòng);另一方案即在雙風(fēng)機并聯(lián)運行的系統中,只需減少風(fēng)機的運行數量,即一送一排單機工作,而無(wú)需另外增加值班系統及切換裝置和溫控。該方案更安全實(shí)用,而且投資較省。
據了解目前大多生物安全實(shí)驗室不設值班系統,直接利用主送風(fēng)機和排風(fēng)機一套系統24小時(shí)運轉,以維持生物安全實(shí)驗室內的負壓。這種做法會(huì )使得生物安全實(shí)驗室的運行費用比較高,很不節能。
值得注意的是;P3實(shí)驗室必須全自動(dòng)運行。尤其是P3實(shí)驗室所有的風(fēng)機均不得以手動(dòng)方式操作運行,因為任何一臺風(fēng)機的誤操作都會(huì )造成通風(fēng)系統平衡的破壞和事故,一旦手動(dòng)誤操作發(fā)生事故就會(huì )無(wú)歷史記錄,給事故調查處理帶來(lái)困難?,F場(chǎng)所設的本地手動(dòng)和計算機遠程手動(dòng)都只能僅供技術(shù)人員調試和維修時(shí)使用;或系統運行時(shí)處理緊急突發(fā)事故手動(dòng)優(yōu)先作應急使用。
結語(yǔ)
實(shí)際上關(guān)于P3實(shí)驗室的建設與設計、安全與規范,都還有很多問(wèn)題值得探討;例如通風(fēng)系統的自動(dòng)控制如何才能做到最安全、穩定、節能、省投資、易維護;自動(dòng)控制和監控應如何布點(diǎn);如何編寫(xiě)監控程序或故障的應急處理以及編程中應注意哪些問(wèn)題;新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口應如何處理;安全柜如何使用才能既安全,又能延長(cháng)其高效過(guò)濾器的使用壽命;溫度波動(dòng)對室內壓差及壓差檢測的影響;如何安全地更換高效過(guò)濾器等等。
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