生物安全實(shí)驗(yàn)室中ⅡB2型生物安全氣流控制

生物安全柜是生物安全實(shí)驗(yàn)室的重要設(shè)備之一，是保障實(shí)驗(yàn)室生物安全的一級屏障。與ⅡA2型生物安全柜不同，ⅡB2型生物安全柜采用柜內(nèi)單向流的全新風(fēng)系統(tǒng)，對操作人員和樣品保護(hù)安全度更高，在BSL-3實(shí)驗(yàn)室中得以廣泛應(yīng)用[1]。

目前，國家規(guī)范要求系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)確保生物安全柜與實(shí)驗(yàn)室送排風(fēng)系統(tǒng)之間的壓力關(guān)系和必要的穩(wěn)定性，并應(yīng)在啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)停過程中保持有序的壓力梯度[2]。由于高等級生物安全實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高，而安全柜排風(fēng)量較大，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，安全柜的啟停以及排風(fēng)機(jī)發(fā)生故障及自動(dòng)切換，均會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量的瞬時(shí)劇烈變化，如控制不當(dāng)，會(huì)對其所在的核心工作間的壓力產(chǎn)生較大影響，甚至可能導(dǎo)致安全柜內(nèi)空氣外溢以及實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)短時(shí)正壓，從而形成人員及環(huán)境安全隱患。

本文結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際檢測及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對ⅡB2型生物安全柜在高級別生物安全實(shí)驗(yàn)室的氣流控制模式進(jìn)行研究探討。

1 工作原理及常見設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1  ⅡB2型生物安全柜工作原理

ⅡB2型生物安全柜工作原理如圖1所示。ⅡB2型生物安全柜正常運(yùn)行時(shí)由室內(nèi)進(jìn)風(fēng)。室內(nèi)空氣自工作窗口和柜頂進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入生物安全柜腔體，過濾后經(jīng)與安全柜出風(fēng)口密閉連接的管道排至室外。目前國內(nèi)排風(fēng)接管的常規(guī)做法分為2類：

1）安全柜排風(fēng)經(jīng)管道接入實(shí)驗(yàn)室大排風(fēng)系統(tǒng)，一并排出；

2）安全柜排風(fēng)接獨(dú)立排風(fēng)機(jī)，單獨(dú)排至室外，與實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)分設(shè)。

▲圖1  ⅡB2型生物安全柜工作原理示意圖

1.2  常見設(shè)計(jì)參數(shù)

與通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的ⅡB2型生物安全柜設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括安全柜排風(fēng)量及其額定阻力。需要注意，在窗口高度不超過200 mm時(shí)窗口進(jìn)風(fēng)平均風(fēng)速應(yīng)不小于0.5 m/s[3]。如條件允許，應(yīng)盡可能在設(shè)計(jì)階段就確定設(shè)備廠家，這樣安全柜排風(fēng)量可根據(jù)廠家提供的額定風(fēng)量，再考慮一定余量得出。安全柜額定阻力是系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)壓頭選型計(jì)算的主要參數(shù)之一，但往往被設(shè)計(jì)人員忽略，美國標(biāo)準(zhǔn)給出的最小建議值為375 Pa[4]，國內(nèi)常見設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)為500~800 Pa不等。

2 常見氣流控制模式研究

筆者對已通過國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測驗(yàn)收的22個(gè)(A)BSL-3和BSL-4實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中的共計(jì)79臺ⅡB2型生物安全柜的氣流控制模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，基本可將其劃分為3種控制模式：變送定排、定送變排和變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排。各項(xiàng)目中ⅡB2型生物安全柜情況見表1。

 注：定—定風(fēng)量控制；變—變風(fēng)量控制；雙穩(wěn)態(tài)—預(yù)設(shè)高態(tài)（安全柜開啟）和低態(tài)（安全柜關(guān)閉）兩種定風(fēng)量模式切換控制；

從表1可以看出，50%以上的項(xiàng)目采用了定送變排控制模式，而早期采用的變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排控制模式，送風(fēng)在高態(tài)（安全柜開啟）或低態(tài)（安全柜關(guān)閉）時(shí)段內(nèi)是恒定的，其控制核心理念依然是通過排風(fēng)變風(fēng)量（VAV）閥來調(diào)節(jié)房間壓力，實(shí)質(zhì)上仍屬于定送變排控制模式。這也基本反映出目前定送變排控制模式為ⅡB2型生物安全柜的主流控制模式。

2.1  變送定排模式

該模式房間送風(fēng)量可變，通過房間送風(fēng)主管上的變風(fēng)量閥進(jìn)行控制；房間排風(fēng)量恒定，排風(fēng)主管設(shè)置定風(fēng)量（CAV）閥；安全柜排風(fēng)量恒定，排風(fēng)管道設(shè)置定風(fēng)量閥。系統(tǒng)原理如圖2所示。

SA 送風(fēng)  EA 排風(fēng)  ED 電動(dòng)密閉閥

▲圖2  變送定排模式系統(tǒng)原理示意圖

在核心工作間設(shè)壓力傳感器，根據(jù)房間壓力調(diào)節(jié)房間送風(fēng)主管上的變風(fēng)量閥，通過調(diào)節(jié)房間送風(fēng)量來穩(wěn)定房間壓力。安全柜啟閉時(shí)，送風(fēng)主管上的變風(fēng)量閥根據(jù)安全柜的啟閉調(diào)節(jié)開度，送風(fēng)機(jī)根據(jù)設(shè)于系統(tǒng)送風(fēng)總干管的壓力傳感器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，從而增加（開啟時(shí)）或降低（關(guān)閉時(shí)）房間送風(fēng)量（與安全柜排風(fēng)量相當(dāng)），保證在工況轉(zhuǎn)換后房間的壓力平穩(wěn)。

安全柜開啟時(shí)，根據(jù)其窗口限位信號，啟動(dòng)安全柜排風(fēng)機(jī)組及其電動(dòng)閥門，安全柜瞬時(shí)達(dá)到其額定排風(fēng)量，此時(shí)房間排風(fēng)量加大，絕對負(fù)壓值急劇升高；送風(fēng)主管上的變風(fēng)量閥根據(jù)房間壓力調(diào)節(jié)開度，增加房間送風(fēng)量；隨著送風(fēng)量的加大，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)至原有壓力范圍。安全柜關(guān)閉時(shí)，以安全柜窗前玻璃門下拉封閉柜體為信號，安全柜排風(fēng)機(jī)組及其電動(dòng)閥門關(guān)閉，送風(fēng)系統(tǒng)隨之進(jìn)行反向操作。

2.2  定送變排模式

該模式房間送風(fēng)量恒定，房間排風(fēng)量可變。送風(fēng)量恒定是為了保證核心工作間的送風(fēng)量和換氣次數(shù)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，排風(fēng)量可變是指排風(fēng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)。為了維持房間壓差滿足規(guī)范要求，ⅡB2型生物安全柜的排風(fēng)管采用定風(fēng)量閥控制。房間排風(fēng)管上的變風(fēng)量閥根據(jù)房間的壓差要求來調(diào)節(jié)開度，消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時(shí)對房間壓差產(chǎn)生的擾動(dòng)，滿足核心工作間運(yùn)行的壓差要求。系統(tǒng)原理如圖3所示。

▲圖3  定送變排模式系統(tǒng)原理示意圖

2.3  變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排模式

該模式送風(fēng)設(shè)定了高態(tài)（安全柜開啟）和低態(tài)（安全柜關(guān)閉）2種風(fēng)量，通過房間送風(fēng)主管上的雙穩(wěn)態(tài)閥，保證在每一種工況下風(fēng)量恒定。房間排風(fēng)管設(shè)置變風(fēng)量閥，根據(jù)房間的壓差要求來調(diào)節(jié)開度，消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時(shí)對房間壓差產(chǎn)生的擾動(dòng)，滿足核心工作間運(yùn)行的壓差要求。系統(tǒng)原理如圖4所示。

CAV-T 雙穩(wěn)態(tài)定風(fēng)量閥

▲圖4  變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排模式系統(tǒng)原理示意圖

從控制思路的角度講，該模式實(shí)質(zhì)上仍屬于定送變排模式。只要送風(fēng)風(fēng)閥執(zhí)行器選型合理、響應(yīng)及時(shí)，根據(jù)實(shí)測結(jié)果來看也是可行的。

3 常見問題

從多個(gè)三級生物安全實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測結(jié)果來看，上述幾種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(shí)驗(yàn)室均采用全新風(fēng)系統(tǒng)，與回風(fēng)系統(tǒng)不同，系統(tǒng)排風(fēng)與送風(fēng)是解耦的，因此送、排風(fēng)是“定”還是“變”不是主要問題，而安全柜啟停時(shí)室內(nèi)相應(yīng)的變風(fēng)量控制邏輯才是關(guān)鍵。在多項(xiàng)實(shí)際檢測中，出現(xiàn)較多的問題如下。

3.1  排風(fēng)量不足，安全柜無法正常啟動(dòng)

生物安全柜開啟時(shí)報(bào)警，排風(fēng)量無法達(dá)到安全柜最低風(fēng)量，設(shè)備無法正常開啟。如報(bào)警持續(xù)，則意味著安全柜排風(fēng)量偏低，需要復(fù)核安全柜排風(fēng)機(jī)選型或安全柜排風(fēng)管路的阻力、閥門等情況。如華北地區(qū)某BSL-3實(shí)驗(yàn)室，安全柜接獨(dú)立排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)銘牌全壓為1 000 Pa，但根據(jù)現(xiàn)場檢測，生物安全柜出口阻力已達(dá)800 Pa（安全柜額定阻力往往容易被設(shè)計(jì)人員忽視），高效過濾單元阻力200 Pa，管道長約150 m，考慮管道、閥門等的沿程和局部阻力，顯然風(fēng)機(jī)壓頭已無法滿足系統(tǒng)要求，排風(fēng)量無法達(dá)到額定值，導(dǎo)致設(shè)備無法開啟，最終以更換風(fēng)機(jī)作為解決方案。

如報(bào)警持續(xù)一段時(shí)間后停止，則說明系統(tǒng)總排風(fēng)量能夠滿足要求，但在變風(fēng)量控制模式上存在一定的時(shí)間誤差，導(dǎo)致開啟之初排風(fēng)量不足，隨著系統(tǒng)慢慢穩(wěn)定，排風(fēng)量達(dá)到了設(shè)定值，這種情況需要現(xiàn)場調(diào)試送、排風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程調(diào)節(jié)速度和響應(yīng)時(shí)間，消除啟動(dòng)過程中的報(bào)警環(huán)節(jié)。

3.2 切換時(shí)出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)

該類情況是實(shí)際工況轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)最多的一種。其影響因素眾多，往往是多種環(huán)節(jié)互相作用導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)工況轉(zhuǎn)換過程某一時(shí)段房間送風(fēng)量超過房間及安全柜排風(fēng)量之和時(shí)，實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)絕對壓力逆轉(zhuǎn)；當(dāng)工況轉(zhuǎn)換過程中核心工作間負(fù)壓風(fēng)量與其相鄰的緩沖間負(fù)壓風(fēng)量不匹配時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相對壓力逆轉(zhuǎn)。這2種逆轉(zhuǎn)，尤其是絕對壓力逆轉(zhuǎn)，大大增加了實(shí)驗(yàn)室使用中的生物安全風(fēng)險(xiǎn)，均為檢測部門和中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）認(rèn)可時(shí)的現(xiàn)場主要考察項(xiàng)目。各項(xiàng)目安全柜啟閉時(shí)工況轉(zhuǎn)換現(xiàn)場檢測的壓力逆轉(zhuǎn)情況見表2。

從表2可以看出，逾80%的實(shí)驗(yàn)室工況轉(zhuǎn)換時(shí)存在不同程度的壓力逆轉(zhuǎn)情況，主要問題集中在送、排風(fēng)閥的控制邏輯及其執(zhí)行速度和響應(yīng)時(shí)間。部分實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)場調(diào)試無效后需要采取更換閥門等措施進(jìn)行整改，個(gè)別實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目甚至僅能將逆轉(zhuǎn)時(shí)間控制在1 min內(nèi)，無法根本解決相對壓力的逆轉(zhuǎn)問題。

3.3  切換時(shí)負(fù)壓過大

過大的負(fù)壓對實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)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(fù)壓過大，房間潔凈度難以保證；較大的壓力波動(dòng)也致使房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)瞬時(shí)過度收縮膨脹，對目前主流的彩鋼板圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言極易產(chǎn)生破壞性后果。

3.4 多臺安全柜切換時(shí)系統(tǒng)紊亂

部分相對特殊的項(xiàng)目，在一間核心工作間內(nèi)設(shè)置多臺ⅡB2型生物安全柜或一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)核心工作間均設(shè)有ⅡB2型生物安全柜，同時(shí)啟停多臺ⅡB2型生物安全柜時(shí)會(huì)瞬時(shí)出現(xiàn)巨大的風(fēng)量變化，如果系統(tǒng)閥門切換不及時(shí)，往往容易產(chǎn)生房間壓差梯度紊亂。

4 優(yōu)化解決方案

4.1  閥門的預(yù)設(shè)動(dòng)作和快速響應(yīng)

不論何種控制模式，如在安全柜啟閉過程中出現(xiàn)送風(fēng)量大于排風(fēng)量的情況，則會(huì)出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)；如出現(xiàn)排風(fēng)量遠(yuǎn)大于送風(fēng)量，則會(huì)出現(xiàn)房間瞬時(shí)絕對負(fù)壓值過大的情況。因此，送、排風(fēng)閥在安全柜啟閉過程中的動(dòng)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。由表2可以看出，送風(fēng)變化往往導(dǎo)致壓力逆轉(zhuǎn)，這是因?yàn)榘踩竦膯㈤]本身已經(jīng)對排風(fēng)產(chǎn)生了較大影響，同時(shí)又伴隨著送風(fēng)較大的波動(dòng)，同一時(shí)刻送、排風(fēng)均需控制。如控制不當(dāng)，則更易出現(xiàn)送、排風(fēng)瞬時(shí)不匹配的情況。通常，實(shí)驗(yàn)室在整個(gè)工況轉(zhuǎn)換過程中需把握2個(gè)要點(diǎn)：任何時(shí)間房間必須處于負(fù)壓，即送風(fēng)量小于排風(fēng)量；安全柜僅有排風(fēng)。因此，房間送、排風(fēng)閥的控制邏輯應(yīng)圍繞任何時(shí)間均保證房間送風(fēng)滯后且小于排風(fēng)展開。表3為根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)給出的送、排風(fēng)閥預(yù)設(shè)動(dòng)作順序的優(yōu)化策略建議。

表2同時(shí)對閥門響應(yīng)不及時(shí)的情況做出了統(tǒng)計(jì)，可以看出閥門的響應(yīng)速度對工況順利轉(zhuǎn)換有決定性作用。接近一半的項(xiàng)目由于閥門響應(yīng)不及時(shí)而無法根除相對逆轉(zhuǎn)的問題，個(gè)別項(xiàng)目甚至由于無法解決絕對逆轉(zhuǎn)問題而更換快速閥門。目前國內(nèi)常用的主流定、變風(fēng)量控制閥為蝶閥和文丘里閥2種類型。蝶閥通常采用“測量—比對—執(zhí)行”的閉環(huán)控制方式，響應(yīng)時(shí)間平均為2~3 s左右；文丘里閥采用前饋控制方式，最快響應(yīng)時(shí)間可在1 s以內(nèi)（價(jià)格較高）。筆者認(rèn)為，選擇何種類型閥門可在設(shè)計(jì)階段根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模、投資、復(fù)雜程度和要求進(jìn)行評估，但應(yīng)選擇快速響應(yīng)閥門，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測經(jīng)驗(yàn)來看，建議響應(yīng)時(shí)間不要超過2 s。

由于變風(fēng)量控制多采用PID控制調(diào)節(jié)模式，送風(fēng)量往往會(huì)圍繞排風(fēng)量振蕩收斂，這意味著控制邏輯決定了某一時(shí)刻難免會(huì)出現(xiàn)送風(fēng)量大于排風(fēng)量的現(xiàn)象，因此在實(shí)測過程中多數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)壓力逆轉(zhuǎn)情況。在調(diào)試過程中，應(yīng)通過設(shè)置合理的閥門動(dòng)作順序和縮短閥門響應(yīng)時(shí)間來保證核心工作間不出現(xiàn)絕對壓力逆轉(zhuǎn)，而核心工作間與其相鄰緩沖間的相對壓力逆轉(zhuǎn)，也應(yīng)控制在1 min內(nèi)[5]。如某大動(dòng)物ABSL-3實(shí)驗(yàn)室采用變送定排模式，其中某一核心工作間工況轉(zhuǎn)換（ⅡB2型生物安全柜開啟）時(shí)實(shí)測壓力記錄見表4。

從表4可以看到，在生物安全柜開啟過程中，均出現(xiàn)絕對和相對壓力逆轉(zhuǎn)，現(xiàn)場判斷主要由兩方面原因構(gòu)成：送、排風(fēng)閥同時(shí)動(dòng)作，瞬時(shí)風(fēng)量不匹配；控制風(fēng)閥響應(yīng)速度過慢。現(xiàn)場改變控制策略：快速啟動(dòng)安全柜排風(fēng)閥門，將送、排風(fēng)閥同時(shí)動(dòng)作改為送風(fēng)VAV閥滯后動(dòng)作，且減小VAV閥開大時(shí)執(zhí)行幅度，緩慢補(bǔ)風(fēng)。通過調(diào)試消除了相對壓力逆轉(zhuǎn)，但仍無法解決絕對壓力逆轉(zhuǎn)。最終將變風(fēng)量閥更換為響應(yīng)時(shí)間不超過1 s的快速閥，并對系統(tǒng)送排風(fēng)控制系統(tǒng)重新進(jìn)行了調(diào)試，才同時(shí)解決了相對和絕對壓力逆轉(zhuǎn)。2周后重測結(jié)果見表5。

實(shí)踐證明，采用快速響應(yīng)閥門，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置合理的閥門動(dòng)作順序，可以在安全柜開啟和關(guān)閉的整個(gè)工況轉(zhuǎn)換過程中避免出現(xiàn)絕對和相對壓力逆轉(zhuǎn)。

4.2  優(yōu)化操作模式和設(shè)備性能

在實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，良好的安全柜操作習(xí)慣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有一定影響。瞬間較大的風(fēng)量波動(dòng)要靠系統(tǒng)的復(fù)雜控制和閥門的快速響應(yīng)去抵消，但如果整個(gè)啟閉動(dòng)作在一個(gè)相對緩慢的過程中平穩(wěn)進(jìn)行，則即使在不太理想的現(xiàn)場條件下，壓力波動(dòng)也可能被適當(dāng)控制在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。事實(shí)上，如果啟閉時(shí)間足夠的長，讓波動(dòng)風(fēng)量帶來的壓差影響慢慢被抵消，則系統(tǒng)穩(wěn)定性將大大提高。這要求使用人員制定合理的操作規(guī)程，盡量避免快速拉起或關(guān)閉窗口玻璃而引起瞬時(shí)的風(fēng)量巨變。

現(xiàn)實(shí)中，安全柜保持部分排風(fēng)量也是很多實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中有大排風(fēng)要求的通風(fēng)櫥的控制模式，即使在未使用ⅡB2型生物安全柜時(shí)也依然保持安全柜一定的排風(fēng)量。規(guī)范強(qiáng)調(diào)了“不得只利用生物安全柜或其他負(fù)壓隔離裝置作為房間排風(fēng)出口”[6]，但并未規(guī)定當(dāng)房間設(shè)有明確的排風(fēng)口和排風(fēng)量時(shí)，安全柜不能在非工作時(shí)段保持一定的排風(fēng)量。事實(shí)上，目前國內(nèi)外很多廠家均推出了保證最小排風(fēng)量的生物安全柜，在關(guān)閉安全柜內(nèi)自帶風(fēng)機(jī)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(fēng)經(jīng)系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)排出。此時(shí)，所謂的安全柜關(guān)閉狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是安全柜自帶的頂部引風(fēng)機(jī)關(guān)閉，保證不會(huì)有氣體外溢，整個(gè)安全柜可以理解為一個(gè)負(fù)壓排風(fēng)通道。

例如，北京某三級生物安全實(shí)驗(yàn)室單人ⅡB2型生物安全柜排風(fēng)量為1 500 m3/h，其在非開啟狀態(tài)（低態(tài)）時(shí)亦保持1 000 m3/h的排風(fēng)量，則當(dāng)安全柜開啟達(dá)到工作狀態(tài)時(shí)的波動(dòng)風(fēng)量僅為500 m3/h，相對于將生物安全柜從完全關(guān)閉狀態(tài)開啟所帶來的1 500 m3/h的波動(dòng)風(fēng)量要小得多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。當(dāng)然該方法也存在降低生物安全柜高效過濾器使用壽命的缺點(diǎn)。一個(gè)極端的做法是，永遠(yuǎn)保持生物安全柜的開啟狀態(tài)，僅和實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)同步啟閉，這樣就不存在工況轉(zhuǎn)換問題。只要系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的，所有和安全柜相關(guān)的環(huán)節(jié)就是穩(wěn)定的。這種做法會(huì)大大增加安全柜內(nèi)風(fēng)機(jī)、高效過濾器等重要組件的消耗，縮減使用壽命，同時(shí)能耗永遠(yuǎn)處于最高狀態(tài)。采用較高代價(jià)來回避問題，不是一個(gè)應(yīng)該被提倡的解決思路。

4.3  定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換模式探討

通過對大量工程項(xiàng)目的實(shí)證分析可以看出，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高的實(shí)驗(yàn)室而言，風(fēng)量變化是壓力波動(dòng)的最大因素。因此，在工況轉(zhuǎn)換時(shí)如何降低甚至消除波動(dòng)風(fēng)量并配以成熟穩(wěn)定的控制程序，是保證ⅡB2型生物安全柜氣流穩(wěn)定的最根本途徑。這里結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)多年來設(shè)計(jì)和檢測的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換控制模式。該模式目前在國內(nèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室已被少量采用并逐步被人們所接受，而通過電動(dòng)閥控制，將房間排風(fēng)和設(shè)備排風(fēng)根據(jù)設(shè)備啟停做等量切換的方式實(shí)際上早已大量運(yùn)用于制藥、軍工等有潔凈度、壓力要求的潔凈室領(lǐng)域，由于對應(yīng)性強(qiáng)、控制清晰、方法簡單，具有較好的適用性。

4.3.1  系統(tǒng)模式及控制思路

該模式房間送風(fēng)量恒定，房間排風(fēng)量可變，但無論ⅡB2型生物安全柜是否開啟，與其相關(guān)聯(lián)的排風(fēng)量（與房間排風(fēng)口切換）恒定。

因此，該模式房間排風(fēng)由兩部分組成：

1）ⅡB2型生物安全柜排風(fēng)與房間內(nèi)對應(yīng)的同風(fēng)量（調(diào)試獲得）高效排風(fēng)口排風(fēng)并聯(lián)接入同一支干管，經(jīng)定風(fēng)量閥接入總排風(fēng)系統(tǒng)，此部分排風(fēng)量恒定，且獨(dú)立于房間排風(fēng)，根據(jù)安全柜的啟閉切換設(shè)在2個(gè)支管上的電動(dòng)密閉閥；

2）在各房間排風(fēng)總管上設(shè)置變風(fēng)量閥，房間內(nèi)設(shè)置壓力傳感器，根據(jù)壓力傳感器實(shí)測值調(diào)節(jié)排風(fēng)變風(fēng)量閥開度，以滿足房間設(shè)定壓力的要求。系統(tǒng)原理如圖5所示。

▲圖5  定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換模式系統(tǒng)原理示意圖

當(dāng)ⅡB2型生物安全柜開啟時(shí)，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動(dòng)密閉閥開啟，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上的電動(dòng)密閉閥關(guān)閉；反之，當(dāng)ⅡB2型生物安全柜關(guān)閉時(shí)，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動(dòng)密閉閥關(guān)閉，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上的電動(dòng)密閉閥開啟。

在實(shí)際調(diào)試及運(yùn)行過程中，為了保證工況轉(zhuǎn)換時(shí)的絕對負(fù)壓效果，2個(gè)對應(yīng)電動(dòng)閥門的控制邏輯往往并非同時(shí)反向工作，而是先將關(guān)閉的閥門開啟，待2個(gè)閥門均處于完全開啟狀態(tài)后，再關(guān)閉另一個(gè)閥門。這樣即可避免閥門反向操作時(shí)可能帶來的瞬時(shí)負(fù)壓風(fēng)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(fēng)管設(shè)置變風(fēng)量閥，根據(jù)房間的壓差要求來調(diào)節(jié)VAV閥開度，消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時(shí)對房間壓差產(chǎn)生的微小波動(dòng)，滿足核心工作間運(yùn)行的壓差要求。

圖6為筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的東北地區(qū)某三級生物安全實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中一間設(shè)有ⅡB2型生物安全柜的核心工作間排風(fēng)接管圖。該項(xiàng)目的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室房間小，但存在大量排風(fēng)設(shè)備，為了保證壓力穩(wěn)定，采取了定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換控制模式。

1 與安全柜切換的房間高效排風(fēng)口  2 ⅡB2型生物安全柜  3 生物安全柜排風(fēng)  4 定風(fēng)量閥  5 接排風(fēng)機(jī)組  6 變風(fēng)量閥  7 房間高效排風(fēng)口  8 切換電動(dòng)閥

▲圖6  東北地區(qū)某三級生物安全實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)接管平面圖（局部）

如圖6所示，該項(xiàng)目單設(shè)2個(gè)與生物安全柜排風(fēng)量相當(dāng)?shù)娘L(fēng)口型高效過濾排風(fēng)單元，并聯(lián)接入同一支干管，經(jīng)定風(fēng)量閥接入總排風(fēng)系統(tǒng)，恒定排風(fēng)。生物安全柜與其對應(yīng)高效排風(fēng)口通過電動(dòng)啟閉閥進(jìn)行等風(fēng)量切換。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行或生物安全柜啟閉切換過程中，房間壓力的波動(dòng)通過設(shè)置在房間排風(fēng)支干管上的變風(fēng)量閥根據(jù)房間壓力傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于等量切換所產(chǎn)生的風(fēng)量實(shí)際變化較小（理論上應(yīng)該沒有變化），因此在實(shí)際調(diào)試過程中，大大降低了調(diào)試難度，保證了工況轉(zhuǎn)換時(shí)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

4.3.2  優(yōu)勢分析

由于在該種控制模式下ⅡB2型生物安全柜的啟閉對房間內(nèi)的壓差只會(huì)產(chǎn)生很小的影響，因此具有較高的穩(wěn)定性，對于面積較小但具有2臺及以上ⅡB2型生物安全柜的核心工作間更適用。整個(gè)系統(tǒng)在ⅡB2型生物安全柜啟閉切換過程中，都能保證核心工作間送風(fēng)量和壓差梯度的平衡和穩(wěn)定，避免生物安全柜開啟時(shí)的風(fēng)量調(diào)節(jié)報(bào)警和房間壓力逆轉(zhuǎn)報(bào)警。

與其他幾種控制模式相比，該控制模式雖然增加了高效排風(fēng)口數(shù)量，但同時(shí)也減少了VAV閥的數(shù)量，并減小了VAV閥的型號規(guī)格，因此在經(jīng)濟(jì)性上并沒有明顯變化。另外，閥門調(diào)節(jié)幅度較小，調(diào)整頻次較低，不論對VAV閥的投資還是對閥門的壽命都有益處。更主要的是能滿足核心工作間的各種工況切換要求。通過提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來降低不同工況轉(zhuǎn)換過程中的高風(fēng)險(xiǎn)概率，是實(shí)驗(yàn)室用戶樂于接受的思路，畢竟對于高級別生物安全實(shí)驗(yàn)室而言，安全平穩(wěn)運(yùn)行最重要。

5 結(jié)論

1）從工程實(shí)例來看，變送定排、定送變排、變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排模式均能通過檢測驗(yàn)收，但也均有不足。送、排風(fēng)閥的控制邏輯及其執(zhí)行速度和響應(yīng)時(shí)間不合理是工況轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)的主要原因和控制難點(diǎn)。

2）合理預(yù)設(shè)閥門動(dòng)作順序、采用快速響應(yīng)閥門、保持安全柜一定的排風(fēng)量及制定合理的安全柜操作規(guī)程等均可一定程度優(yōu)化或解決安全柜啟閉時(shí)壓力逆轉(zhuǎn)問題。

3）對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高的實(shí)驗(yàn)室而言，風(fēng)量變化是造成壓力波動(dòng)的最大因素。因此，在工況轉(zhuǎn)換時(shí)如何降低甚至消除波動(dòng)風(fēng)量并配以成熟穩(wěn)定的控制程序，是保證ⅡB2型生物安全柜氣流穩(wěn)定的最根本途徑，也是定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換模式的控制理念。

4）定送變排、安全柜排風(fēng)等量切換模式具有投資少、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別是對于面積較小但具有多臺大排風(fēng)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室更具適用性，可通過深化研究和完善后進(jìn)一步推廣。