国家农业生物安全科学中心 P3 实验室空调设计剖析

1 设计中的考虑

P3 实验室内工作人员身穿防护服，透气性较差。要求室内温度低一些，而相对湿度不能过高，过高容易产生“菌尘”。因此将设计参数定为温度22℃~24℃，湿度 50%~60%。根据 P3 实验室工作的特殊性，有时需要24h 工作，如冷热源接大楼中央空调显然不合理，因此我们采用单独风冷热泵机组。夏天进出水温为 7/12℃，冬天进出水（有大楼热水备用）水温为 45℃/55℃。由于 P3 实验室为全新风洁净空调系统，冷热负荷比较大，设计要求双压缩机、双风机、智能化除霜以及远程控制和报警功能。

根据规范，本工程按“三区一通道”形式布置，优点是可以减少污染源扩散空间，缺点是人、物双向进出，会造成交叉污染。根据工艺流程将P3实验室划分为污染区、半污染区、清洁区。各区之间设置缓冲间给予隔离，确保各区安全、可靠。

高级生物安全隔离实验室人员流动路线：

（1）进入路线：一次更衣 → 正压闸间 →二次更衣→负压闸间 →内走廊 → 缓冲 → 实验室。

（2）离开路线：内走廊→负压闸间→风淋→负压闸间→淋浴→正压闸间→一次更衣→清洁区走廊 。

高级生物安全隔离实验室物料污物流程：内走廊→污物闸间灭活→洗涤消毒间。

合理的压力梯度是关系到P3实验室的正常运转和工况稳定以及实验人员的舒适性，负压越大，对围护结构气密性要求越高，初投资和运行费用增加，反之负压越小，对实验室安全带来隐患。有序的压力梯度、合理的压差值是有效控制污染的前提。因此整个P3 实验室压力梯度需要综合平衡，通过设定不同区域的压力梯度，从设计上保证气流由外向内流动，生物安全隔离实验室为最低处。各房间压力详见图1。

根据工序要求高危实验室采用万级（7 级）净化，为保证实验室的安全以及洁净级别，还应采用合理的换气次数。室内空气采用臭氧消毒，臭氧发生器放在洗涤消毒间。新风经过初中效、送风机段、均流段、蒸发段、加热加湿、中效等功能段位处理后送入房间的高效风口，其中7级房间采用竖向防泄漏高效过滤正压密封排风口下排风，所有排风经过高效过滤器处理后从屋顶排出，排风出口装风帽，风帽高出屋面 2.0 m。（www.iwuchen.com）

2 设计中的困难、应对及细部缺陷

2.1 安全与气流组织

空调系统划分应根据实验对象危害程度、平面布置等情况进行划分，应采取有效措施，避免交叉污染。在条件允许的情况下，宜将污染区、半污染区、清洁区空调系统分开设置，有利于空调系统控制和节能运行。P3 实验室有生物危险性，需保证负压防止微生物污染的外逸，不仅要求除菌，更要进行隔离处理。高危生物高级隔离实验室配备了生物安全柜，它不适用循环风，为全排型。其排风由两部分组成：一部分是安全柜内部通过操作区的层流送风，使制品在百级环境下操作，这部分风量约占总排风的60%；另一部分是通过操作窗口从外部吸入，是操作过程的气流（特别是气溶胶）保持在柜内不向外漂溢，并保证操作窗口正常开启时吸入风速控制在 0.5 m/s 的安全范围内，且不出现扰动气流，这部分风量占 40%。生物安全实验室排风高效过滤器的安装应具备现场检漏的条件，如果不具备，应采用经预先检漏的专用排风高效过滤装置，本次设计即采用竖向防泄漏高效过滤型密封排风口（HEPA）。

排风系统详见图1。

根据卫生部通用准则、WHO安全手册、质监局通风要求，P3不仅有常规的紫外线灯和熏蒸消毒，还要靠空气洁净技术或一些灭菌设备，更是综合了土建、暖通、给排水、电气、工艺等多专业、多种技术的硬件，以及实验室操作规程等软件措施而形成的综合安全保障体系，集中体现了生物安全实验室与众不同的特点。安全措施中，最主要的还是一级屏障和二级屏障。一级屏障为生物安全柜和实验服，二级屏障主要为实验室气流控制及灭菌设施。WS233 规定 P3 实验室净化级别为 7~8 级，送排风都必须 HEPA 处理，且 HEPA必须安装在实验室的围护结构上，以避免污染风管。P3实验室区域的排风系统要求有 500 mm 宽度的夹道，但更衣、缓冲等房间面积本来就紧张，实施起来难度较大。实际上，实验室的HEPA承担了阻断空气中的病原微生物通过气流途径传播出去的任务，其本身是很可能受到污染的，因此对HEPA的更换也就不像普通洁净室那么简单。有两种办法解决这一问题：一是更换前将HEPA进行就地消毒，这要求在设计时采取适当措施，能将其就地隔离并消毒；二是采用专用与生物污染的高效过滤器箱，其特殊的气密袋结构能在污染过滤器完全不接触外界的情况下进行更换，然后将其焚烧或消毒处理。本次设计送排风过滤器采用一次抛弃型。另外，P3实验室的空调为全新风，为了保证实验室试验过程的连续运行采用一用一备的排风设备。净化系统原理详见图2、图3。

2.2 过滤与风量调节

净化空调系统设置粗、中、高三级空气过滤。第一级是粗效，它对粒径大于 5μm 大气尘的计数效率不低于 50%，设置在空调机组的入口处；第二级是中效过滤器，他对于粒径大于1μm大气尘的计数效率不低于 70%，设置在空调机组出口处；第三级是高效过滤器，它对粒径大于0.3μm大气尘的计数效率不低于99.99%，设置在系统末端的高效送风口内。高效过滤风口前安装一个定风量调节阀，主要是因为高效过滤器初阻力较小，后因尘粒积聚引起的阻力增加较大，进而导致送风量减小，不稳定的风量会使室内压力不易控制，最大程度的恒定室内压力。本次设计室内压力由文丘里定风量阀、文丘里变风量阀保证，7级房间下排风口采用竖向防泄漏高效过滤型密封排风口。

2.3 负压差的控制

生物安全柜安装后要进行调试以达到规定的指标，其中各运行状态的风量调整与空调密切相关，它会导致房间的排风波动，严重影响着房间的负压值，房间小而风量变化大给设计带来很大难度。排风与生物安全柜互锁，房间不许有瞬时正压的出现，排风与送风互锁，反应要灵敏，在1s内保证消除房间的正压。这里运用文丘里阀可以满足P3实验室的变风量控制要求又节能，还解决了排风口的设置困难。

在高危生物安全隔离实验室内的生物安全柜和房间共用一个排风系统，当安全柜停止使用时，通过定风量调节阀来恒定房间送风量，电动密闭调节阀关闭，通过双位定风量调节阀来恒定房间的排风量，保证负压风量和负压差。当安全柜工作时，通过定风量调节阀来恒定房间送风量，电动密闭调节阀开启，通过定风量调节阀来恒定安全柜的排风量，通过双位定风量调节阀来恒定房间排风量和负压风量、负压差。电动密闭阀性能优越，渗漏率必须小于 0.05%，这样可以防止安全柜停止时柜内的残留气体经过阀门和排风口倒流到室内。

2.4 电气联锁与自控

（a）排风与送风互锁，保证压力梯度的稳定，排风先于送风开启，后于送风关闭，排风机组出现故障时，备用排风机应能自动投入运行，同时发出报警信号，立即进行维修。

（b）空调通风设备应能自动和手动控制，控制和显示面板应设在清洁区。通过设置在房间内的压差传感器将压差值传送至自控系统中的控制器，由控制器发出信号给风机变频器，改变风量适应负压的控制。

（c）夏季需要除湿时，通过调节冷水阀进行露点除湿，控制房间湿度，并调节热水阀控制房间温度；冬季通过调节热水阀控制房间温度，并通过调节电加湿器热湿控制房间湿度。对于冬季工况，蒸发器后温度低于 5℃时，防冻开关动作，打开热水调节阀，保护盘管不被冻裂。电加湿器、电加热器设无水断电、超温断电保护以及良好的接地措施。

（d）其他监控：机组过滤器设压差报警；风机运行状态监测；手动及自动状态监测；故障报警、运行时间和启停次数记录；并对风机进行启停控制。

2.5 节能方面的考虑

P3 实验室必须是全新风空调系统，不允许回风。全新风空调系统投资大、能耗高。与我国现行节能标准有矛盾，但 P3 实验室建筑面积较小，空调工作时间为间断性，为确保使用的安全性，采用直流式空调系统是必要的。我们通过围护结构的严密性来降低送风量，而对围护结构进行保温减少冷热负荷损失，最大限度减少P3实验室运行费用，使它能安全、经济、合理地运行。

3 结语

P3实验室的研究对象是对个人和环境都有高度危害性的致病微生物，病原体逃逸出生物安全实验室造成感染的事例时有报道，通风空调系统的质量直接影响到实验室的安全性。因此，必须对通风空调系统进行周密的设计，采取可靠的措施防止病菌微生物对室内和室外环境的污染，同时保护实验对象不被污染，保证实验和生产的顺利进行。通过本次设计剖析，最后总结几点以供参考。

（1）设计的重点应考虑实验室的洁净要求和负压。

（2）防止生物安全隔离实验室持续正压增压，当负压梯度超过设定范围时，应声光报警，警告实验人员HVAC 系统出了问题。

（3）P3 实验室的安全使用除设计之外要验收合格，严格操作规程。如生物安全柜的各项测试验证，P3 消毒锅的灭菌排放达标验证，空调系统的房间负压及排放达标验证等。实验过程禁止危险操作，必须严格执行《生物安全手册》。