高等级生物安全实验室与动物房暖通净化系统的精准化设计与实践

摘要：在科技飞速发展的今天，生物研究的领域和深度在不断延伸，高等级生物安全实验室和动物房在疾病研究、疫苗生产、生物制药等众多领域中起着重要的作用，它承担着从事高致病性病原微生物试验和高风险生物实验的任务，其安全运行保障了广大科研人员的生命健康，周边环境的生物安全，乃至整个社会的公共卫生安全。运用精准的暖通净化系统控制微生物的传播和扩散，防止有害的生物因子泄漏到外界环境，确保实验活动的顺利进行和安全开展。同时，精准的设计可降低能耗，提高设备的运行效率，实现经济效益和安全效益的双赢。
关键词：生物试验室；净化系统；动物房；生物安全             
前言：由于高等级生物安全实验室和动物房的特殊性和复杂性，导致其暖通净化系统设计的困难。不同的实验室和动物房对室内环境参数的要求差异很大，因此，系统的设计必须根据不同的需求和生物安全标准进行定制设计；系统运行要求实时监控和动态调整，以适应各种突发事件和变化；还需要满足系统的可靠性、可维护性以及与其它设施的兼容性等要求。因此，开展高等级生物安全实验室和动物房暖通净化系统的精准化设计和实践具有重要的现实意义。
一、高等级生物安全实验室与动物房概述

高等级生物安全实验室指的是等级和安全性相对较高的生物安全实验室（如图所示）。从事致病性微生物实验的单位，作为各类传染病菌，必须在不同的物理性防护条件下操作，一方面防止实验人员和其他物品受污染，同时也防止其释放到环境中。随着各国重视程度的提升，生物安全逐渐成为国家安全的新领域。而高等级生物安全实验室则是支撑起一个国家生物安全能力的重要平台。美国、日本、德国、法国、澳大利亚、加拿大、瑞典等发达国家近年来先后投资兴建了高级别生物安全实验室，极大提高了实验室的安全标准。上述实验室在新冠肺炎、SARS、高致病性禽流感、尼帕病、汉得拉病、口蹄疫、猪瘟、牛瘟、非洲马瘟、埃博拉病等人畜共患传染病和动物烈性传染病的诊断和防治研究方面发挥了重要作用。通过对高等级生物安全实验室设计要点及难点的研究分析能够使读者在了解此类建筑设计时有一个基本的框架逻辑，更好地针对设计对象进行个性化、差异化的研究与设计，助力我国生物安全建设发展。

二、高等级生物安全实验室与动物房暖通净化系统设计与应用存在的问题

（一）气流组织与压力控制问题

1.气流组织不合理的后果。气流组织不合理就会造成实验室不同功能房间或同一房间不同设备位点的气流短路，产生死角区域，使污染物在实验室滞留，增加实验人员和动物感染的机会。2.压力控制不稳定的后果。高等级生物安全实验室与动物房要维持实验室与外界、不同等级环境之间的压力梯度，以防止有害生物泄露到低等级的环境，甚至到达外界。如果压力传感器精度和稳定性不够，会导致压力梯度监控不稳定；风机性能会随运行时间增加而下降，导致压力梯度控制不稳定。一旦压力梯度出现异常，容易造成严重生物安全事故。3.实验室不断衍生出新的功能间和设备。随着实验室功能不断完善和实验室设备不断升级，原本合理的气流组织和压力控制已经不能满足实验室需求。4.不合理的气流组织和压力控制难以改造。实验室面积有限，改造气流组织和压力控制涉及的设备多、改动大，导致不合理气流组织和压力控制持续存在。

（二）过滤系统的维护与更换问题

过滤系统是高等级生物安全实验室和动物房暖通净化系统的重要组成部分，其作用是阻挡空气中的有害生物和颗粒物。在使用一段时间后，过滤系统的维护和更换成为问题。1. 过滤系统的维护。过滤系统的维护需要有相应的技术人员和工具，而很多用户没有这方面的技术人员，因此，不能对过滤系统及时、有效的维护。如不及时的进行清洗、检查过滤设备，就会造成过滤器的效率下降，影响系统的净化效果。2. 过滤系统的更换。过滤系统的更换周期也是一个比较难以掌握的问题。厂家会给出一个建议的更换周期，但是在使用过程中，影响过滤系统使用寿命的因素很多，如实验室的使用频率、实验室使用类型、空气环境质量等。如果更换周期过长，过滤器就会饱和甚至破损，造成有害生物因子的泄漏；更换周期过短，会增加运行成本。3. 过滤系统的更换风险。过滤系统的更换有一定的风险。在更换过滤器时，如果操作不当，污染物就会泄漏到其他的过滤器中，或者到实验环境中，对实验人员和动物造成危害。因此，如何科学合理的确定过滤系统的维护和更换周期，和过滤系统更换过程的安全性是高等级生物安全实验室和动物房暖通净化系统面临的问题。

（三）能源消耗与节能设计问题

高等级生物安全实验室动物房暖通净化系统的能源消耗问题是不容小觑的。为了保证实验室空气的新鲜和各项指标参数要求，实验室暖通净化系统需要24小时运行，而且为了保证实验室的参数要求，其风量要求较高，对空调系统的要求也较高，因此其能耗是非常大的。往往很多实验室的暖通净化系统的能耗存在很大的浪费，比如通风系统风机选型过大，导致其实际运行的能耗过大，空调系统温度湿度控制要求不高，不能精准控制，导致设备长期在较高的能耗状态运行。节能设计方面，很多实验室在设计之初都会考虑节能的相关要求，但是由于技术上的限制和经济成本的问题，其节能效果是非常有限的，比如所选择的节能设备和技术可能还不是很成熟，或者实际运行运用也很难发挥其节能优势。实验室使用人员的节能意识淡薄，不注意实验室相关设备的合理使用，也是导致能耗增大的原因。随着能源成本的不断提升和环保要求的精准化，如何在保证生物安全和实验室环境质量的前提下，降低高等级生物安全实验室动物房暖通净化系统的能耗是一个挑战。需要从系统设计、设备选型、运行管理等角度出发，采用先进的节能技术和方法，实现精准节能。

三、高等级生物安全实验室与动物房暖通净化系统的精准化设计与实践

（一）精准的气流组织设计与实践

高等级生物安全实验室与动物房暖通净化系统的核心问题是气流组织，其设计至关重要。根据实验室、动物房的布局、功能分区、工作流程，运用专业流体力学模拟软件对气流的流向、速度、分布等进行模拟分析。如生物安全实验室的样本处理区、检测区等不同区域的气流应从低污染区流向高污染区，确保单向流，防止有危害的生物因子流向其他区域或逆流、扩散。在实践中，通过合理布置送风口、排风口的位置、数量、形式等方式，使气流得到精确组织。对于送风口，可采用高效过滤器风口，保证送入的空气洁净；排风口布置在污染源附近，及时排出污染空气。同时，对通风管道的走向、管径等进行合理计算，以减少气流阻力和噪声。动物房要布置动物活动的空间，考虑到动物的习性，保证每个饲养单元都有良好的通风效果。通过对气流组织的精心设计和实践，可以提高实验室和动物房的生物安全性及环境质量。

（二）温湿度精准控制的设计与实践

高等级生物安全实验室和动物房对温度和湿度都有较高的要求，温度湿度控制得越精准，越能确保试验数据的稳定和动物的健康。首先，在设计时要根据不同的试验和动物种类，确定不同的温度湿度指标，比如有些试验要求温度20℃±1℃、相对湿度50%±5%。然后选择高精度的温湿度传感器和空调系统，温湿度传感器布置在实验室和动物房的的关键点位，将采集到的数据反馈给控制系统，控制系统控制空调系统调节温度和湿度，使温湿度满足要求。在实践中，温湿度控制设备要定期校准和维护，确保调节精度和稳定性。另外，自然环境中的温湿度会受到多种因素的影响，比如季节变化、昼夜温差等，要对这些影响因素进行分析，制定合理的策略，温湿度控制设备能精准的设计和实践，才能真正实现高效过滤器的安装和调试。

（三）高效过滤系统的精准设计与实践

高效过滤是保证高等级生物安全实验室和动物房空气质量的关键环节。需要根据实验室和动物房的污染情况和安全等级，正确选择合适的过滤器种类和过滤效率。例如 p3、p4 级生物安全实验室应采用高效空气过滤器(hepa)或超高效空气过滤器(ulpa)，粒径≥0.3μm 的粒子过滤效率应不低于 99.97%。对于高效过滤的选用，要确保过滤器安装无泄漏。对于已经安装的过滤器也要有监测和更换制度，定期对过滤器的性能进行监测，当监测结果不符合设计要求时，应及时更换过滤器。另外还要考虑过滤器系统的维护和清洗，以延长过滤器的使用寿命。在风道的设计上，也要尽量优化设计，减少气流在风道上的阻力，以提高过滤效率。通过精准的设计和实施，高效过滤系统能够拦截和阻隔空气中的生物因子以及尘粒等颗粒物，保护实验人员和动物的安全。

结束语：高等级生物安全实验室及动物房暖通净化系统的精准化设计和实践，是一项综合性强，难度大的系统工程，涉及到生物安全、暖通空调、自动化控制等多个学科领域。通过本文的研究与实践，我们体会到精准化设计对于提高高等级生物安全实验室及动物房安全运行水平的重要性。在精准化设计过程中，我们依据生物安全要求、实验工艺条件、节能降耗要求等，充分借鉴先进的设计理念和技术手段，为用户量身定做个性化的暖通净化系统，并对系统的运行进行精细化控制。通过本工程的实践应用，证明精准化设计的暖通净化系统能够满足高等级生物安全实验室及动物房的环境要求，能够稳定而可靠的保证室内环境参数，从而为用户的科研工作保驾护航。

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