摘要 對22個包括生物安全三級（BSL-3）、動物三級（ABSL-3）和四級（BSL-4）實驗室項目中的共計79臺ⅡB2型生物安全柜的氣流控制模式進行了統(tǒng)計分析，介紹了“變送定排”、“定送變排”和“變送（雙穩(wěn)態(tài)）變排”模式的控制方式和可能存在的問題，并對部分環(huán)節(jié)提出解決思路。對“定送變排，安全柜排風(fēng)等量切換”模式進行了探討和實證研究，通過比較分析，認(rèn)為該模式投資經(jīng)濟，且具有更加靈活的適用性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 ⅡB2型生物安全柜 生物安全實驗室 壓力逆轉(zhuǎn) 變風(fēng)量（VAV） 定風(fēng)量（CVA）
Research on airflow control model of ⅡB2 Bio-safety Cabinet in high level bio-safety laboratory
By Liang Lei, FengXin, Zhang Chandong, Cao Guoqing, Guan Yuntao
Abstract Statistics and analysis the air control models of 79 Bio-safety Cabinets in 22 (A)BSL-3 or BSL-4 Labs. Introduces the control mode and possible problems of "supply variable and exhaustconstant" ,"supply constant and exhaust variable", and "supply variable (Bistability) and exhaust variable" models, and put forward some solutions. Discuss and empirically studies "supply constant and exhaust variable for the system, meanwhile the air discharge between bio-safety cabinet and rooms witching equivalently " model. based on the analyses, point out that this model is more flexible and applicable.
KeywordsⅡB2 Bio-safety Cabinet, bio-safety laboratory, pressure reversal, variable air volume, constant air volume
引言
生物安全柜是生物安全實驗室的重要設(shè)備之一，是保障實驗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安全度更高，在BSL-3實驗室中得以廣泛應(yīng)用[1]。
目前，國家規(guī)范要求系統(tǒng)運行時應(yīng)確保生物安全柜與實驗室送排風(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、運行和關(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驗室圍護結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高，而安全柜排風(fēng)量較大，因此在實際應(yīng)用過程中，安全柜的啟停以及排風(fēng)機發(fā)生故障及自動切換，均會導(dǎo)致實驗室排風(fēng)量的瞬時劇烈變化，如控制不當(dāng)，會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)空氣外溢以及實驗室出現(xiàn)短時正壓，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)和實際檢測及設(shè)計經(jīng)驗，對ⅡB2型生物安全柜在高級別生物安全實驗室的氣流控制模式進行研究探討。
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工作原理及常見設(shè)計參數(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行時由室內(nèi)進風(fēng)。室內(nèi)空氣自工作窗口和柜頂進風(fēng)口進入生物安全柜腔體，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)管道接入實驗室大排風(fēng)系統(tǒng)，一并排出；
2）安全柜排風(fēng)接獨立排風(fēng)機，單獨排至室外，與實驗室排風(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)計參數(shù)
與通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的ⅡB2型生物安全柜設(shè)計參數(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時窗口進風(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)機壓頭選型計算的主要參數(shù)之一，但往往被設(shè)計人員忽略，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。
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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)督檢驗中心檢測驗收的22個(A)BSL-3和BSL-4實驗室項目中的共計79臺ⅡB2型生物安全柜的氣流控制模式進行了統(tǒng)計分析，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，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)機頻率，從而增加（開啟時）或降低（關(guān)閉時）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，根據(jù)其窗口限位信號，啟動安全柜排風(fēng)機組及其電動閥門，安全柜瞬時達到其額定排風(fēng)量，此時房間排風(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，以安全柜窗前玻璃門下拉封閉柜體為信號，安全柜排風(fēng)機組及其電動閥門關(guān)閉，送風(fēng)系統(tǒng)隨之進行反向操作。
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對房間壓差產(chǎn)生的擾動，滿足核心工作間運行的壓差要求。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對房間壓差產(chǎn)生的擾動，滿足核心工作間運行的壓差要求。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，根據(jù)實測結(jié)果來看也是可行的。
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常見問題
從多個三級生物安全實驗室的實測結(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驗室均采用全新風(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，而安全柜啟停時室內(nèi)相應(yīng)的變風(fēng)量控制邏輯才是關(guān)鍵。在多項實際檢測中，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
生物安全柜開啟時報警，排風(fēng)量無法達到安全柜最低風(fēng)量，設(shè)備無法正常開啟。如報警持續(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實驗室，安全柜接獨立排風(fēng)機，排風(fēng)機銘牌全壓為1 000 Pa，但根據(jù)現(xiàn)場檢測，生物安全柜出口阻力已達800 Pa（安全柜額定阻力往往容易被設(shè)計人員忽視），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)機壓頭已無法滿足系統(tǒng)要求，排風(fēng)量無法達到額定值，導(dǎo)致設(shè)備無法開啟，最終以更換風(fēng)機作為解決方案。
如報警持續(xù)一段時間后停止，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)行機構(gòu)的行程調(diào)節(jié)速度和響應(yīng)時間，消除啟動過程中的報警環(huán)節(jié)。
3.2 切換時出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)
該類情況是實際工況轉(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)換過程某一時段房間送風(fēng)量超過房間及安全柜排風(fēng)量之和時，實驗室出現(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，會出現(xiàn)相對壓力逆轉(zhuǎn)。這2種逆轉(zhuǎn)，尤其是絕對壓力逆轉(zhuǎn)，大大增加了實驗室使用中的生物安全風(fēng)險，均為檢測部門和中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）認(rèn)可時的現(xiàn)場主要考察項目。各項目安全柜啟閉時工況轉(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%的實驗室工況轉(zhuǎn)換時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逆轉(zhuǎn)時間控制在1 min內(nèi)，無法根本解決相對壓力的逆轉(zhuǎn)問題。
3.3 切換時負(fù)壓過大
過大的負(fù)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(fù)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)瞬時過度收縮膨脹，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。
3.4 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ⅡB2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ⅡB2型生物安全柜，同時啟停多臺ⅡB2型生物安全柜時會瞬時出現(xiàn)巨大的風(fēng)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。
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優(yōu)化解決方案
4.1 閥門的預(yù)設(shè)動作和快速響應(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，則會出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)；如出現(xiàn)排風(fēng)量遠大于送風(fēng)量，則會出現(xiàn)房間瞬時絕對負(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)，這是因為安全柜的啟閉本身已經(jīng)對排風(fēng)產(chǎn)生了較大影響，同時又伴隨著送風(fēng)較大的波動，同一時刻送、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2個要點：任何時間房間必須處于負(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)驗給出的送、排風(fēng)閥預(yù)設(shè)動作順序的優(yōu)化策略建議。
表2同時對閥門響應(yīng)不及時的情況做出了統(tǒng)計，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。接近一半的項目由于閥門響應(yīng)不及時而無法根除相對逆轉(zhuǎn)的問題，個別項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)時間可在1 s以內(nèi)（價格較高）。筆者認(rèn)為，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(fù)雜程度和要求進行評估，但應(yīng)選擇快速響應(yīng)閥門，根據(jù)現(xiàn)場實測經(jīng)驗來看，建議響應(yīng)時間不要超過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)量往往會圍繞排風(fēng)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(fēng)量大于排風(fēng)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)置合理的閥門動作順序和縮短閥門響應(yīng)時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]。如某大動物ABSL-3實驗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）時實測壓力記錄見表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)閥同時動作，瞬時風(fēng)量不匹配；控制風(fēng)閥響應(yīng)速度過慢?，F(xiàn)場改變控制策略：快速啟動安全柜排風(fēng)閥門，將送、排風(fēng)閥同時動作改為送風(fēng)VAV閥滯后動作，且減小VAV閥開大時執(zhí)行幅度，緩慢補風(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)重新進行了調(diào)試，才同時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)置合理的閥門動作順序，可以在安全柜開啟和關(guān)閉的整個工況轉(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(dāng)控制在一個可接受的范圍內(nèi)。事實上，如果啟閉時間足夠的長，讓波動風(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的風(fēng)量巨變。
現(xiàn)實中，安全柜保持部分排風(fēng)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(fēng)要求的通風(fēng)櫥的控制模式，即使在未使用ⅡB2型生物安全柜時也依然保持安全柜一定的排風(fēng)量。規(guī)范強調(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，安全柜不能在非工作時段保持一定的排風(fēng)量。事實上，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)機排出。此時，所謂的安全柜關(guān)閉狀態(tài)，其實質(zhì)是安全柜自帶的頂部引風(fēng)機關(guān)閉，保證不會有氣體外溢，整個安全柜可以理解為一個負(fù)壓排風(fēng)通道。
例如，北京某三級生物安全實驗室單人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)）時亦保持1 000 m3/h的排風(fēng)量，則當(dāng)安全柜開啟達到工作狀態(tài)時的波動風(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的波動風(fēng)量要小得多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大增強。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。一個極端的做法是，永遠保持生物安全柜的開啟狀態(tài)，僅和實驗室系統(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。這種做法會大大增加安全柜內(nèi)風(fēng)機、高效過濾器等重要組件的消耗，縮減使用壽命，同時能耗永遠處于最高狀態(tài)。采用較高代價來回避問題，不是一個應(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
通過對大量工程項目的實證分析可以看出，對于圍護結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高的實驗室而言，風(fēng)量變化是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除波動風(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)合筆者團隊多年來設(shè)計和檢測的工程實踐經(jīng)驗，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)生物安全實驗室已被少量采用并逐步被人們所接受，而通過電動閥控制，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際上早已大量運用于制藥、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、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，且獨立于房間排風(fēng)，根據(jù)安全柜的啟閉切換設(shè)在2個支管上的電動密閉閥；
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，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動密閉閥開啟，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上的電動密閉閥關(guān)閉；反之，當(dāng)ⅡB2型生物安全柜關(guān)閉時，該生物安全柜排風(fēng)管上的電動密閉閥關(guān)閉，與之對應(yīng)的房間排風(fēng)管上的電動密閉閥開啟。
在實際調(diào)試及運行過程中，為了保證工況轉(zhuǎn)換時的絕對負(fù)壓效果，2個對應(yīng)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2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(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對房間壓差產(chǎn)生的微小波動，滿足核心工作間運行的壓差要求。
圖6為筆者團隊設(shè)計的東北地區(qū)某三級生物安全實驗室項目中一間設(shè)有ⅡB2型生物安全柜的核心工作間排風(fēng)接管圖。該項目的特點是實驗室房間小，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)機組 6 變風(fēng)量閥 7 房間高效排風(fēng)口 8 切換電動閥
▲圖6 東北地區(qū)某三級生物安全實驗室排風(fēng)接管平面圖（局部）
如圖6所示，該項目單設(shè)2個與生物安全柜排風(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)口通過電動啟閉閥進行等風(fēng)量切換。系統(tǒng)穩(wěn)定運行或生物安全柜啟閉切換過程中，房間壓力的波動通過設(shè)置在房間排風(fēng)支干管上的變風(fēng)量閥根據(jù)房間壓力傳感器進行調(diào)節(jié)。由于等量切換所產(chǎn)生的風(fēng)量實際變化較?。ɡ碚撋蠎?yīng)該沒有變化），因此在實際調(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的風(fēng)量調(diào)節(jié)報警和房間壓力逆轉(zhuǎn)報警。
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)險概率，是實驗室用戶樂于接受的思路，畢竟對于高級別生物安全實驗室而言，安全平穩(wěn)運行最重要。
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結(jié)論
1）從工程實例來看，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)時間不合理是工況轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)的主要原因和控制難點。
2）合理預(yù)設(shè)閥門動作順序、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壓力逆轉(zhuǎn)問題。
3）對于圍護結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性較高的實驗室而言，風(fēng)量變化是造成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除波動風(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，特別是對于面積較小但具有多臺大排風(fēng)設(shè)備的實驗室更具適用性，可通過深化研究和完善后進一步推廣。
