洁净实验室气流控制的安全性设计

洁净实验室的建设过程中，气流控制的效果直接关系到实验室的安全标准能否实现。本文从暖通自控的角度重点阐述了实验室气流控制需要考虑（consider)的几个重要参数(parameter)。 　　
　　目前，在我国洁净实验室的发展进入了一个新的发展阶段，在实验室的建设中对通风控制有着严格的要求，洁净度、压力、自控等都围绕暖通来展开，这是实验室建设工程中的重要一环，也是实验室安全保障建设的重要方面。
　　实验室的通风设计首要解决的问题是安全性问题，通风柜的捕捉集尘能力要符合一定的标准和规定，气流方向为流向实验室，实验室要随时保持负压。
　　传统的实验室控制方式采用的是定风量控制方式。实验室装修由于洁净实验室-生物安全实验室的特殊性，除了进行严格的设计、施工、调试外，为确保其安全性，必须对其进行必要的工程检测和严格的验收，达到安全要求和使用要求后才可投入运行。70年代，又出现了双稳态控制方式，通过不同工况下的气流控制以提高效益，例如降低（reduce)夜间设定值。80年代出现的变风量控制方式是更加复杂的实验室气流控制方法，在这种方式下，空气流量根据通风柜调节门位置进行变化。目前，新的控制方式是适应性的控制方式，气流速率保持在最低安全限上，根据使用者的状态进而调整通风柜的工况，系统响应灵敏，控制精确，确保人员安全，尽量降低能源消耗及维护费用。为了确保操作人员及环境的安全，以下几点是现代实验室建设需要重点考虑的因素。
　　一、稳定的通风柜面风速
　　在定风量通风系统中，当调节门降低时，会产生多余的面风速，从而产生涡流(又称:傅科电流) 干扰，影响通风柜集尘能力，释放出有毒颗粒。变风量的通风控制系统中，排风量和调节门开度为线性函数关系，如60%的流量(单位:立方米每秒)对应60%的调节门开度，通过这一闭环控制系统，可以保持通风柜开口的面风速恒定，消除面风速过大产生的风险。
　　通风柜有效的面风速设定值，通用的工业标准是60―100fpm（0.3―0.6m/s），一般100pfm(0.5m/s)被接受作为安全运行标准。图1所示，操作人员的移动在面风速80―100 fpm时对集尘几乎没有影响，但在80 fpm以下时会有扰动影响。在没有操作人员移动时，60 fpm 以下一般性集尘可以实现。
　　图1 操作人员对通风柜保护性能的影响
　　二、快速的系统响应时间
　　该响应时间主要是指实验室范围内通风柜及其阀门(作用:控制部件)调节系统。实验室建设实验室布局按照安全要求合理地划分成清洁区、半污染区和污染区，采用人与物分别设置专用通道，设置必要的缓冲间，采用一次隔离和二次隔离等措施，能有效的避免交叉污染，从根本上防止危险性微生物的扩散。响应时间的大小将直接决定气流控制的效果。快速、稳定的控制会防止有毒颗粒跟随调节过程可能（maybe)产生的振荡或过冲逸出通风柜。排风量对调节门开度的快速响应时间必须在调节门到位后1秒钟内达到其指令值，有效保证通风柜的集尘能力。图2中从调节门移动到通风柜排风量的总的响应时间大约0.6秒。缓慢的响应时间将会产生多余的面风速，危害到实验的安全，例如燃烧器被吹灭，器皿被吹翻，或者药品等受到损失。
　　图2通风柜响应速度测试
　　三、保证房间压力
　　房间净负压主要控制房间气流由外到内的流动，防止房间外部被污染，是实验（experiment)室安全控制的一个重要指标（target aim)。负压的产生也就是房间的排风量(定义:单位时间内空气的流通量)或补风量和送风量之差等于房间的余风量。余风量是送风以外从房间门、传递（transmission)窗或其他缝隙进入房间的空气量。
　　当房间温度（temperature)调节与通风所需气流量大于通风柜所需气流量的时候，房间的送风量增加了，这就要求控制系统还必须把这部分“过剩”的送风量排出去，以保证房间负压。实验室净化主要用于微生物学、生物医学、生物化学、动物实验、基因重组以及生物制品等研究使用的实验室统称洁净实验室-生物安全实验室。无菌试验室、生物安全实验室由主实功能验室与其他实验室及辅助功能用房组成。实验室总的空气交换率由总的排风、制冷负荷和最低通风率决定。最小通风速率一般为占用时每小时 6?10 次换气。这可通过增大房间综合排风阀门的开度来实现，该控制涉及(to involve)房间总送风量和排风量的计算，以及信息采集、风机变频的控制等，系统调试的难度大为增加。
　　四、压力无关性
　　通风柜调节门的移动造成风量快速变化导致风道静压发生变化，或者在通风柜面风速未要求变化时，总管中风压的变化也会引起排风柜上部支排风管道中风压的变化，如果此时风量控制（control)系统不能化解管道的风压变化，就会使排风柜的排风量变大或变小，进而影响此时本该稳定的面风速。
　　传统的变风量(定义:单位时间内空气的流通量)调节系统是根据管道的压差反馈信号进行排风量的调节，响应速度一般在20~30s之间，为了保证实验（experiment)室的安全性，实验室气流控制系统的响应时间必须控制在1s之内。目前，采用文丘里阀的通风柜控制系统可以很好的解决这一问题。
　　阀门是一个椎形的构造，内置不锈钢弹簧，根据系统压力的变化调整文丘里打开的面积，以维持固定的空气流量。压力降低（reduce)时，弹簧张开，阀芯分离，增大通风量，如图3；压力增大时，弹簧压缩，阀芯接近，减少通风量，如图4。
　　图3图4
　　五、精确的控制（control)系统
　　系统排风量控制（control)如果不能跟随风管内静压的变化快速、精确的变化 ，就会造成排风柜流量无法精确控制，而产生振荡（如图5），将会使房间压力变成正压或者增大房间余风量的要求。风速的不稳定会产生大量的平衡问题，波动的送、排风系统使气流平衡复杂化，自控系统实现自动调节功能将变得更加困难。
　　面风速要在一个大的风量控制范围内得到精确控制。在达到理想的控制值时，控制系统应保证调节的过调量和欠调量小于5％，确保通风柜的集尘能力及操作人员的安全。
　　图5气流的振荡
　　完备的通风及控制系统确保实验室的安全性，这也是关系到实验室建设的成败的关键。因此系统的设计、设备的配置等必须满足以上所讲到的几点基本要求，但高标准、高质量的实验室不仅仅局限于此，还要解决好温度、气流、噪音的问题，同时要保证最低的能源消耗，系统稳定（解释:稳固安定；没有变动)，容易控制，易于操作管理。简而言之就是要从安全、舒适、节能、可靠运行方面进行全盘的考虑设计。