摘要：对三级生物安全实验室中一更压力和安全门密封性对主实验室洁净度的影响，以及实验室运行工况转换与排风机故障切换时保持合理压力梯度的手段等问题进行了分析研究。通过实验总结出：一更保持非负压状态即可不影响主实验室的洁净度，而安全门的密封性对实验室污染区洁净度影响很大；采用设置再送风阀风量突变条件的定排风量控制，在工况转换和风机故障切换时能够维持实验室合理的压力梯度。

2003年SARS病毒大流行后，我国生物安全实验室的建设出现了前所未有的发展。国家陆续发布了关于微生物实验室建设与管理的相关条例与规范，并建立了实验室国家认可制度。

2004年施行的《病原微生物实验室生物安全管理条例》规定：可以进行高致病性病原微生物实验活动的三、四级生物安全实验室必须满足下述要求：

①符合国家生物安全实验室建筑技术规范；

②须通过国家认可；

③工程质量经建筑主管部门依法检测验收合格。

相关资料统计，目前，我国已建成和在建的三级生物安全实验室有上百家，而通过实验室国家认可的三级实验室仅16家，大部分实验室在建成后不能通过国家认可，究其原因主要有两点：一方面，建筑设计或承建单位对生物安全实验室的认识不足，致使设计施工过程中存在一些缺陷，另一方面，生物安全实验室压差控制策略还存在着一些有待突破的难点。鉴于此，课题组建造了1:1的生物安全实验室模型，对三级生物安全实验室施工及压差控制中存在的一些问题进行了研究。本文仅针对实验室的洁净度和压差控制问题进行探讨，希望在三级生物安全实验室建设和运行方面能为相关单位提供一些参考。

本课题组搭建的模型实验室总面积150m²，其中主实验室面积26m²，其余为辅助用房，包括参观走廊，监控室、洗消间、换鞋间、一更、淋浴间、二更、缓冲一、隔离走廊、缓冲二等，洁净度等级除主实验室为ISO7级外，其余的房间均为ISO8级。

平面布局如图1所示。

图1 三级生物安全实验室平面布局图

一、 洁净度的控制
在负压洁净室内，除了过滤器的过滤效果和气流分布外，影响室内洁净度的主要因素是换气次数和由非洁净区渗入的空气量。在相同的换气次数下，由非洁净区渗入的风量越小，对室内洁净度越有利。对于生物安全实验室区域，来自非洁净区的渗入风量主要通过一更门和安全门进入，因此，我们重点对这两个方面进行了实验研究。

1.1正压保护与零压保护对洁净度的影响
在实验室的平面布局中，实验室洁净区域通过一更与非洁净区连通。一更的负压将增加渗入室内的空气量，进而影响室内的洁净度，因此，人们通常将一更相对于非洁净区的压力设置为微正压或零压以阻止室外未经净化的空气渗入洁净区，称为正压或零压保护。相关参考文献认为，正压隔离对主实验室的洁净度更为有利。为了对比正压保护和零压保护的效果，我们分别对一更正压和零压情况下各房间的室内粒子浓度进行了多次检测，主要房间检测结果见表1、图2~图4.

图2 主实验室各粒径粒子浓度

图3 缓冲一各粒径粒子浓度

图4 二更各粒径粒子浓度

从测试数据可以看出，在一更相对于非洁净区为零压的情况下，二更和缓冲一测得的空气各粒径粒子浓度比在一更保持正压情况下大，而主实验室由于与外界有多重缓冲，各粒径粒子浓度在两种工况下相差不大，即一更的正压和零压仅影响相邻的二更和缓冲二的室内粒子浓度，但是对主实验室的空气洁净度不产生显著影响，由此可见，一更采取正压保护的观点，有待进一步研究和商榷。

1.2安全门的密封性对实验室洁净度的影响

基于消防安全方面考虑，三级生物安全实验室须在半污染区设置安全通道（即安全门）作为紧急出口。安全门一般设置再隔离走廊，距离主实验室较近，由于隔离走廊的负压较大（-30Pa），导致大量未经过滤的室外空气经安全门渗入室内，不仅影响了隔离走廊的洁净度，还影响到缓冲二和主实验室的洁净度。我们在主实验室换气次数为20AC/h，安全门采用不同的密封措施下分别对隔离走廊、缓冲二、主实验室进行了洁净度测试，测试结果见表2。

表2 不同密封条件下各室洁净度

测试数据表明，在安全门未采取任何密封措施的情况下，各室洁净度均不能达到设计要求，将门框缝隙全部密封后，室内洁净度均达标。通过表2还可以看出，门底部缝隙的渗漏风量占了全部渗漏风量的很大比例。因此，在生物安全实验室施工中，一定要重视安全门的安装：
① 安全门底部地板一定要水平，与门的缝隙要尽可能小，或者在门框平面的地面上设置一定高度的门槛；
② 门槛与门的平面要有足够的吻合度，加强门边缘的密封性；
③ 门关闭时与门框间要有足够的压紧力。
此外，可以考虑用密封性较好的不可开启式特种玻璃隔断来替代安全门，在发生事故时用挂在门旁墙上的安全捶打碎玻璃逃生，这种玻璃易粉碎且碎片无锐角，不会划伤人。

二、 工况转换时的压差控制
生物安全实验室在工况转换或风机切换时出现正压或超负压问题是一个难点，类似问题还包括生物安全实验台开关机时由于排风机和送风机运行步调不一致所引起的室内压力超常等。

2.1实验室稳态运行工况下的压差控制
为保证实验室的负压梯度尤其是污染区的负压梯度，生物安全实验室必须设置安全有效且反应灵敏的自动控制系统，对实验室的风量、压力按照一定的逻辑进行控制。常见控制方式如图5（图中VAD为变风量阀）所示。该控制方式采用变频风机和变风量阀共同控制送、排风量，能够实现复杂的负压控制过程和节能运行，但是这种控制方式存在多个控制对象和变量，使得控制逻辑复杂、系统繁琐。为了简化系统，人们在此基础上将送（或排）风阀改为定风量阀，取得了较好的效果，但是，当生物安全柜排风设备与主实验室共用排风管道，尤其是当室内设有大风量的排风设备时，这种控制方式将导致室内排风不足或风量失调。

综合上述分析，我们采用变风量和定风量相结合的控制方式（见图6，图中VAD为变风量阀）。这种控制方式既可以设置为定送风量模式，也可以设定为定排风量模式运行。当设定为定送风量控制时，送风阀风量根据工况需要置为某一设定值，通过调节排风阀来控制室内压差；当设定为排风量控制时，排风阀风量根据工况需要置为某一设定值，通过调节送风阀来控制室内压差。在设计中，变风量阀均采用文丘里阀，此阀门的响应速度很快，动作时间在1S之内，可满足系统对控制灵敏度的要求。

本实验室室内设置2台安全柜，正常情况下分四种运行工况，各工况下阀门设置值见表3。

图5 常见控制方式

图6 本实验室控制方式

表3 各工况阀门设置情况

注：实验室送风阀“1326”表示在定送风量情况下20ac/h换气次数下风量。

2.2生物安全柜工况转换过程的压差控制
生物安全实验室的工况转换主要是安全柜的启闭引起的室内工况变化。在工况转换时，安全柜的状态变化使得室内风量重新分配，引起室内的压力变化。下面以定排风量控制方式为例，来说明工况转换过程的压差控制。本实验室采用的压差控制流程见图7.
实验室在某一工况下运行，当安全柜开启（或关闭）时，控制器接收到信号后对各文丘里阀发出相应工况的参数设置命令，在各阀门设置过程中，送风阀进行风量调节以维持室内正常压差。多次重复试验显示，在这种控制方案模式下，室内压差在工况转换过程中不出现明显压差波动，可以保持在设定压差波动±10Pa范围内。

2.3风机切换过程的压差控制
当某台排风机出现故障需要启动备用风机时，通常过程是风机出现故障，排风量减小，风机两端压力传感器检出信号，控制器关闭故障风机密闭阀，同时开启备用风机和密闭阀。从排风机出现故障到备用风机启动直至排风量达到一定值，室内总排风量将先减少然后随着备用风机的启动再慢慢增加，这一过程尽管只有数秒的时间，也将导致室内瞬时的正压。鉴于风机特性的制约，本课题组采取了两条主要措施解决该问题：一是排风机由传统的一用一备改为两用一备，减少风机故障切换时对室内压力的影响；二是风机切换过程中利用反应灵敏的文丘里阀进行压差控制，这样可以避免由于风机启动特性的差异导致的压力震荡。风机切换过程中的控制流程见图8。图中，设定送风500m³/h是通过实验所得出的单台风机运行时维持室内一定负压值所需要的送风量。

这种控制方式，有效地避免了风机切换时主实验室室内出现的瞬时正压。控制过程见图10。从图9看出，在控制系统设置控制条件前，主实验室相对室外的压差高压零压（压差传感器量程为-100Pa~0Pa，室内正压时显示0Pa），且最大值高于缓冲二，形成气流外泄；设置控制条件后，主实验室相对室外最大压力为-25Pa左右，且小于缓冲间，不会形成从主实验室到缓冲间的气流外泄，见图10。因此，主实验室在运行中一旦发生排风机故障切换时，设置了控制条件的系统能够保证主实验室空气不会泄漏到室外及缓冲二。

图7 安全柜启闭过程控制流程图

图8 风机切换过程控制流程图

图9 常规定排风量控制

图10 本设计定排风量控制

三、 结论
在三级实验室建设领域，国内在技术和认识方面还存在着不少问题，通过本次实验室设计和调试，我们对三级实验室的认识有所深入，本文主要针对一更正压保护、零压保护的研究与工况转换时压力梯度的保持方法进行了实验分析和总结，并得出如下结论：

（1）一更正压保护有利于保证一更及与其直接相通房间的洁净度，而对主实验室的洁净度与零压保护相比并无显著影响；
（2）安全门的密封性对主实验室的洁净度有显著影响，必须采取措施改善可开启安全门缝隙的密封效果；
（3）采用定风量和变风量相结合的方法，通过调节文丘里阀的开度，能够在系统稳定运行和各种工况转换中保证各室间合理的压差梯度。

在建设过程中，我们还发现一些其它影响实验室安全性能的问题，如文丘里阀的特性与安装位置关系、不同类型的阀门动作时间的匹配、带送风的安全柜开启过程与实验室综合控制过程等，这些问题的解决还期待着生物安全实验室研究人员进一步研究和探讨。