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对22个包括生物安全三级(BSL-3)、动物三级(ABSL-3)和四级(BSL-4)实验室项目中的共计79台ⅡB2型生物安全柜的气流控制模式进行了统计解析,介绍了“变送
定排"、“定送变排”和“变送(双稳态)变排”模式的控制方式和可能存在的问题,并
对部分环节提出解决思路。对“定送变排,安全柜排风等量切换”模式进行了商议和
实证研究,经过比较解析,认为该模式投资经济,且拥有更加灵便的适用性和牢固性。
生物安全柜是生物安全实验室的重要设备之一,是保障实验室生物安全的一级屏障
与ⅡA2型生物安全柜不同样,ⅡB2型生物安全柜采用柜内单向流的崭新风系统,对操作
人员和样品保护安全度更高,在BSL-3实验室中得以广泛应用[1]。
.
目前,国家规范要求系统运行时应保证生物安全柜与实验室送排风系统之间的压力
关系和必要的牢固性,并应在启动、运行和关停过程中保拥有序的压力梯度[2]。由
于高等级生物安全实验室围护结构严实性较高,而安全柜排风量较大,因此在实质应用过程中,安全柜的启停以及排风机发生故障及自动切换,均会致使实验室排风量的瞬
时激烈变化,如控制不当,会对其所在的核心工作间的压力产生较大影响,甚至可能致使安全柜内空气外溢以及实验室出现短时正压,从而形***员及环境安全隐患。
本文结合现行国家标准和实质检测及设计经验安全实验室的气流控制模式进行研究商议。
,对ⅡB2型生物安全柜在高级别生物
【工作原理及常有设计参数】
ⅡB2型生物安全柜工作原理
B2型生物安全柜工作原理如图1所示。ⅡB2型生物安全柜正常运行时由室内进
风。室内空气自工作窗口和柜顶进风口进入生物安全柜腔体,过滤后经与安全柜出风口
密闭连接的管道排至室外。目前国内排风接收的老例做法分为2类:
(1)安全柜排风经管道接入实验室大排风系统,一并排出;
(2)安全柜排风接独立排风机,单独排至室外,与实验室排风系统分设.
1。2常有设计参数
与通风系统相关的ⅡB2型生物安全柜设计参数主要包括安全柜排风量及其额定阻
力。需要注意,在窗口高度不高出200mm时窗口进风平均风速应不小于0。5m/s
3]。如条件赞同,应尽可能在设计阶段就确定设备厂家,这样安全柜排风量可依照厂家供应的额定风量,再考虑必然余量得出。安全柜额定阻力是系统排风机压头选型
计算的主要参数之一,但经常被设计人员忽略,美国标准给出的最小建议值为375Pa
[4],国内常有设备厂家供应的数据为500~800Pa不等。
【常有气流控制模式研究】
已经过国家建筑工程质量督查检验中心检测查收的22个(A)BSL-3和BSL—4实验室
项目中的共计79台ⅡB2型生物安全柜的气流控制模式进行了统计解析,基本可将其
划分为3种控制模式:变送定排、定送变排和变送(双稳态)变排。各项目中ⅡB2型生
物安全柜情况见表1。
注:定—定风量控制;变—变风量控制;双稳态—预设高态(安全柜开启)和低态
(安全柜关闭)两种定风量模式切换控制;
从表1能够看出,50%以上的项目采用了定送变排控制模式,而早期采用的变送(双
稳态)变排控制模式,送风在高态(安全柜开启)或低态(安全柜关闭)时段内是恒定
的,其控制核心理念仍旧是经过排风变风量(VAV)阀来调治房间压力,实质上仍属于定
ⅡB2型生物安全柜的主流控
制模式。
该模式房间送风量可变,经过房间送风主管上的变风量阀进行控制;房间排风量恒定,
排风主管设置定风量(CAV)阀;安全柜排风量恒定,排风管道设置定风量阀。系统原理如图2所示.
在核心工作间设压力传感器,依照房间压力调治房间送风主管上的变风量阀,经过
,送风主管上的变风量阀依照安全柜的启闭调治开度,送风机依照设于系统送风总干管的压力传感器调治风机频次,从而增加
(开启时)或降低(关闭时)房间送风量(与安全柜排风量相当),保证在工况变换后房间的压力平稳。
安全柜开启时,依照其窗口限位信号,启动安全柜排风机组及其电动阀门,安全柜瞬时达到其额定排风量,此时房间排风量加大,绝对负压值急剧高升;送风主管上的变风量阀依照房间压力调治开度,增加房间送风量;随着送风量的加大,,以安全柜窗前玻璃门下拉关闭柜体为信号,安全柜排风机组及其电动阀门关闭,送风系统随之进行反向操作。
该模式房间送风量恒定,
量和换气次数满足设计和规范的要求,排风量可变是指排风采用变风量系统。为了维
持房间压差满足规范要求,Ⅱ,除掉ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生的扰动,满足核心工作间运行的压差要求。系统原理如图3所示。
(双稳态)变排模式
该模式送风设定了高态(安全柜开启)和低态(安全柜关闭)2种风量,经过房间送
风主管上的双稳态阀,,依照
房间的压差要求来调治开度,除掉ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生的扰动,
满足核心工作间运行的压差要求。系统原理如图4所示。
从控制思路的角度讲,该模式实质上仍属于定送变排模式。只要送风风阀执行器选型合理、响应及时,依照实测结果来看也是可行的。
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【常有问题】
从多个三级生物安全实验室的实测结果来看,上述几种控制模式均有成功和失败案
例,,与回风系统不同样,系统排风与送风是解耦的,因此送、排风是“定”还是“变”不是主要问题,而安全柜
启停时室内相应的变风量控制逻辑才是要点。在多项实质检测中,出现很多的问题如
下。
,安全柜无法正常启动
生物安全柜开启时报警,排风量无法达到安全柜最低风量,设备无法正常开启。如
报警连续,则意味着安全柜排风量偏低,需要复核安全柜排风机选型或安全柜排风管
路的阻力、阀门等情况。如华北地区某BSL-3实验室,安全柜接独立排风机,排风机铭牌全压为1000Pa,但依照现场检测,生物安全柜出口阻力已达800Pa(安全柜额定阻力经常简单被设计人员忽略),高效过滤单元阻力200Pa,管道长约150m,考虑
管道、阀门等的沿程和局部阻力,显然风机压头已无法满足系统要求,排风量无法达
到额定值,致使设备无法开启,最后以更换风机作为解决方案.
如报警连续一段时间后停止,则说明系统总排风量能够满足要求,但在变风量控制模
式上存在必然的时间误差,致使开启之初排风量不足,随着系统慢慢牢固,排风量达到了设定值,这种情况需要现场调试送、排风阀执行机构的行程调治速度和响应时间,除掉
启动过程中的报警环节。
,经常是多种环节互相作用致使的结果。当工况变换过程某一时段房间送风量高出房间及安全柜排风量
之和时,实验室出现绝对压力逆转;当工况变换过程中核心工作间负压风量与其相邻的
缓冲间负压风量不般配时,会出现相对压力逆转。这2种逆转,特别是绝对压力逆转,大大增加了实验室使用中的生物安全风险,均为检测部门和中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可时的现场主要察看项目。各项目安全柜启闭时工况变换现场检测的压力逆转情况见表2。
从表2能够看出,逾80%的实验室工况变换时存在不同样程度的压力逆转情况,主要
问题集中在送、,个别实验室项目甚至仅能将逆转时间控制在
1min内,无法根本解决相对压力的逆转问题。
过大的负压对实验室围护结构的气密性和牢固性提出了较大的挑战,由于负压过大,
房间洁净度难以保证;较大的压力颠簸也致使房间围护结构瞬时过分缩短膨胀,对目前
主流的彩钢板围护结构而言极易产生破坏性结果。
3。4多台安全柜切换时系统凌乱
部分相对特其他项目,在一间核心工作间内设置多台ⅡB2型生物安全柜或一个系统
内多个核心工作间均设有ⅡB2型生物安全柜,同时启停多台ⅡB2型生物安全柜时会瞬
时出现巨大的风量变化,若是系统阀门切换不及时,经常简单产生房间压差梯度凌乱。
【优化解决方案】
无论何种控制模式,如在安全柜启闭过程中出现送风量大于排风量的情况,则会出
现压力逆转;如出现排风量远大于送风量,则会出现房间瞬时绝对负压值过大的情
况。因此,送、排风阀在安全柜启闭过程中的动作序次及执行速度对保证系统压力的平
稳过渡起到特别要点的作用。由表2能够看出,送风变化经常致使压力逆转,这是由于安全柜的启闭自己已经对排风产生了较大影响,同时又陪同着送风较大的颠簸,同一
时刻送、,则更易出现送、排风瞬时不般配的情况。平时,
实验室在整个工况变换过程中需掌握2个要点:任何时间房间必定处于负压,即送风量小于排风量;安全柜仅有排风。因此,房间送、排风阀的控制逻辑应围绕任何时间均
保证房间送风滞后且小于排风张开。表3为依照现场检测经验给出的送、排风阀预设动作序次的优化策略建议.
表2同时对阀门响应不及时的情况做出了统计,能够看出阀门的响应速度对工况顺
个别项目甚至由于无法解决绝对逆转问题而更换快速阀门。目前国内常用的主流定、
变风量控制阀为蝶阀和文丘里阀2各种类。蝶阀平时采用“测量—比对—执行”的闭
环控制方式,响应时间平均为2~3s左右;文丘里阀采用前馈控制方式,最快响应时
间可在1s以内(价格较高)。笔者认为,选择何各种类阀门可在设计阶段依照项目
规模、投资、复杂程度和要求进行评估,但应选择快速响应阀门,依照现场实测经验
来看,建议响应时间不要高出2s。
,
由于变风量控制多采用PID控制调治模式,送风量经常会围绕排风量振荡收敛,这意味着控制逻辑决定了某一时刻难免会出现送风量大于排风量的现象,因此在实测过程
中多数情况下会出现瞬时压力逆转情况。在调试过程中,应经过设置合理的阀门动作序次和缩短阀门响应时间来保证核心工作间不出现绝对压力逆转,而核心工作间与其
相邻缓冲间的相对压力逆转,也应控制在1min内[5]。如某大动物ABSL—3实验
室采用变送定排模式,其中某一核心工作间工况变换(ⅡB2型生物安全柜开启)时实测压力记录见表4。
从表4能够看到,在生物安全柜开启过程中,均出现绝对和相对压力逆转,现场判断主要由两方面原因组成:送、排风阀同时动作,瞬时风量不般配;控制风阀响应速度过慢。现场改变控制策略:快速启动安全柜排风阀门,将送、排风阀同时动作改为送风
VAV阀滞后动作,且减小VAV阀开大时执行幅度,缓慢补风。经过调试除掉了相对压力
逆转,但仍无法解决绝对压力逆转
.最后将变风量阀更换为响应时间不高出
1s的快速
阀,并对系统送排风控制系统重新进行了调试,才同时解决了相对和绝对压力逆转。
2
周后重测结果见表5。
实践证明,采用快速响应阀门,并在此基础上设置合理的阀门动作序次,能够在安全柜开启和关闭的整个工况变换过程中防备出现绝对和相对压力逆转。
在实质检测中发现,优异的安全柜操作****惯对系统的牢固性也有必然影响。瞬时较大的风量颠簸要靠系统的复杂控制和阀门的快速响应去抵消,但若是整个启闭动作在一个相对缓慢的过程中平稳进行,则即使在不太理想的现场条件下,压力颠簸也可能被合适控制在一个可接受的范围内。事实上,若是启闭时间足够的长,让颠簸风量带来的压差影响慢慢被抵消,则系统牢固性将大大提高。这要求使用人员拟定合理的操作规程,尽量防备快速拉起或关闭窗口玻璃而引起瞬时的风量巨变。
现实中,安全柜保持部分排风量也是很多实验室采用的牢固工况的做法之一。这一思路借鉴了大量的理化实验室中有大排风要求的通风橱的控制模式,即使在未使用Ⅱ
B2型生物安全柜时也仍旧保持安全柜必然的排风量。规范重申了“不得只利用生物安
全柜或其他负压隔断装置作为房间排风出口”[6],但并未规定当房间设有明确的排风口和排风量时,安全柜不能够在非工作时段保持必然的排风量。事实上,目前国内外
很多厂家均推出了保证最小排风量的生物安全柜,在关闭安全柜内自带风机且拉下工
作面窗口玻璃后,仍旧留有必然缝隙,,所谓的安全柜关闭状态,其实质是安全柜自带的顶部引风机关闭,保证不会有气体
外溢,整个安全柜能够理解为一个负压排风通道。
比方,北京某三级生物安全实验室单人ⅡB2型生物安全柜排风量为1500m3/h,其
在非开启状态(低态)时亦保持1000m3/h的排风量,则当安全柜开启达到工作状态
时的颠簸风量仅为500m3/h,有对于将生物安全柜从完好关闭状态开启所带来的1500
m3/h的颠簸风量要小得多,系统的牢固性大大增强。自然该方法也存在降低生物安全
柜高效过滤器使用寿命的缺点。一个极端的做法是,永远保持生物安全柜的开启状
态,仅和实验室系统同步启闭,这样就不存在工况变换问题。只要系统运行是牢固
的,全部和安全柜相关的环节就是牢固的。这种做法会大大增加安全柜内风机、高效过滤器等重要组件的耗资,减少使用寿命,同时能耗永远处于最高状态。采用较高代价来回避问题,不是一个应该被倡议的解决思路。
、安全柜排风等量切换模式商议
经过对大量工程项目的实证解析能够看出,对于围护结构严实性较高的实验室而言,风量变化是压力颠簸的最大体素。因此,在工况变换时如何降低甚至除掉颠簸风量并
配以成熟牢固的控制程序,是保证Ⅱ,提出定送变排、安全柜排风等量切换控
制模式。该模式目前在国内生物安全实验室已被少量采用并逐渐被人们所接受,而经过电动阀控制,将房间排风和设备排风依照设备启停做等量切换的方式实质上早已大量运用于制药、军工等有洁净度、压力要求的洁净室领域,由于对应性强、控制清楚、方法简单,拥有较好的适用性。
系统模式及控制思路
该模式房间送风量恒定,房间排风量可变,但无论Ⅱ其相关系的排风量(与房间排风口切换)恒定。
B2型生物安全柜可否开启,与
因此,该模式房间排风由两部分组成:
(1)ⅡB2型生物安全柜排风与房间内对应的同风量(调试获得)高效排风口排风并联
接入同一支干管,经定风量阀接入总排风系统,此部分排风量恒定,且独立于房间排
风,依照安全柜的启闭切换设在2个支管上的电动密闭阀;
(2)在各房间排风总管上设置变风量阀,房间内设置压力传感器,依照压力传感器实测
值调治排风变风量阀开度,.
当ⅡB2型生物安全柜开启时,该生物安全柜排风管上的电动密闭阀开启的房间排风管上的电动密闭阀关闭;反之,当ⅡB2型生物安全柜关闭时排风管上的电动密闭阀关闭,与之对应的房间排风管上的电动密闭阀开启。
,与之对应
,该生物安全柜
在实质调试及运行过程中,为了保证工况变换时的绝对负压收效,2个对应电动阀门
的控制逻辑经常其实不是同时反向工作,而是先将关闭的阀门开启,待2个阀门均处于完
全开启状态后,再关闭另一个阀门。这样即可防备阀门反向操作时可能带来的瞬时负
压风量变小的情况。其他,为了保证房间绝对压差和相对压差的平衡和牢固,房间排
风管设置变风量阀,依照房间的压差要求来调治VAV阀开度,除掉ⅡB2型生物安全柜
启闭时对房间压差产生的渺小颠簸,满足核心工作间运行的压差要求.
图6为笔者团队设计的东北地区某三级生物安全实验室项目中一间设有ⅡB2型生物
安全柜的核心工作间排风接收图。该项目的特点是实验室房间小,但存在大量排风设备,为了保证压力牢固,采用了定送变排、安全柜排风等量切换控制模式。
如图6所示,该项目单设2个与生物安全柜排风量相当的风口型高效过滤排风单元,并联接入同一支干管,经定风量阀接入总排风系统,恒定排风。生物安全柜与其对
,房间压力的颠簸经过设置在房间排风支干管上的变风量阀依照房间压力传感器
进行调治。由于等量切换所产生的风量实质变化较小(理论上应该没有变化),因此在实质调试过程中,大大降低了调试难度,保证了工况变换时系统压力的牢固。
优势解析
由于在该种控制模式下ⅡB2型生物安全柜的启闭对房间内的压差只会产生很小的影
响,因此拥有较高的牢固性,对于面积较小但拥有2台及以上ⅡB2型生物安全柜的核心工作间更适用。整个系统在ⅡB2型生物安全柜启闭切换过程中,都能保证核心工作间送风量和压差梯度的平衡和牢固,防备生物安全柜开启时的风量调治报警和房间压力逆转报警.
与其他几种控制模式对照VAV阀的数量,并减小了
,该控制模式诚然增加了高效排风口数量,但同时也减少了
VAV阀的型号规格,,
阀门调治幅度较小,调整频次较低,无论对VAV阀的投资还是对阀门的寿命都有益
处。
同工况变换过程中的高风险概率,是实验室用户乐于接受的思路,毕竟对于高级别生物安
全实验室而言,安全平稳运行最重要.
【结论】
(1)从工程实例来看,变送定排、定送变排、变送(双稳态)变排模式均能经过检测查收,、排风阀的控制逻辑及其执行速度和响应时间不合理是工况变换时出现压力逆转的主要原因和控制难点。
2)合理预设阀门动作序次、采用快速响应阀门、保持安全柜必然的排风量及拟定合理的安全柜操作规程等均可必然程度优化或解决安全柜启闭时压力逆转问题。
(3)对于围护结构严实性较高的实验室而言,风量变化是造成压力颠簸的最大体素因此,在工况变换时如何降低甚至除掉颠簸风量并配以成熟牢固的控制程序,是保证
.
B2型生物安全柜气流牢固的最根本路子,也是定送变排、安全柜排风等量切换模式的控制理念。
(4)定送变排、安全柜排风等量切换模式拥有投资少、系统牢固等特点,特别是对于面积较小但拥有多台大排风设备的实验室更具适用性,可经过深入研究和完满后进一步实行.