SPF級動物實驗室的壓差控制系統(tǒng)

SPF級(無特定病源體) 動物實驗室的主要用途是營造合適的人工潔凈環(huán)境，以滿足實驗動物繁育、生存，并對其進行實驗效果觀察與研究的要求。本文結(jié)合實際SPF級動物實驗室工程探討在滿足工藝要求的前提下，采用三級壓差控制方法，結(jié)合變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，SPF級動物實驗室獲得的壓差控制運行效果。

以中國科學(xué)院上海研究所管轄的動物實驗室為例。此建筑平面以SPF級區(qū)域為核心，外圍有一些普通的辦公或?qū)嶒炇摇?/span>

SPF級區(qū)域的建筑形式為房中套房，除底部圍護結(jié)構(gòu)外，其余4個立面和頂面均脫離于大樓的主體圍護結(jié)構(gòu)。套內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)材料為內(nèi)充50mm厚保溫材料的雙層夾心彩鋼板，保溫性能極佳。潔凈區(qū)域內(nèi)有清潔走道、若干間SPF級動物飼養(yǎng)間、污物走道、緩沖間、清潔儲藏間、更衣室等工藝用房。

SPF級動物飼養(yǎng)間內(nèi)主要以開架的形式容納鼠、兔等體形較小的嚙齒類動物，它是整個動物實驗室中很重要的部分。一般情況下，每一間飼養(yǎng)間內(nèi)飼養(yǎng)動物的密度變化較大，根據(jù)需要很大可能達到數(shù)百只小鼠，密度達到40 ~50只/m², 室內(nèi)得熱量可超過200 W/m²。體形較小的嚙齒類動物在相同的體積占有率下比人體有更大的表面積，單位體積空間內(nèi)比人具有更大的散熱量、散濕量以及CO²和各種有機氣體的排放量。因此SPF級實驗單元內(nèi)不僅常年需要較大的供冷量，同時為避免各個單元之間動物的交叉感染，空調(diào)系統(tǒng)一般采用直流式空氣凈化系統(tǒng)。

室內(nèi)環(huán)境是否滿足要求將直接影響科學(xué)研究數(shù)據(jù)的準確性，通過可靠的設(shè)計手段來保證各項參數(shù)值是設(shè)計的重點。一般情況下，一個SPF區(qū)域采用一個凈化空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)重點考慮以下兩個問題。

1)三級壓差控制。所謂三級壓差控制是指：從清潔走道→SPF動物飼養(yǎng)間→污物走道→外界普通區(qū)域，形成壓力分別為60，35，100 Pa的壓力梯度，此壓力梯度能否保證是動物實驗室設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

2)室內(nèi)環(huán)境依靠全年不間斷空調(diào)運行來維持，而直流式空氣凈化系統(tǒng)帶來的是高能耗。因此須在工藝許可的范圍內(nèi)很大程度地考慮節(jié)能。

SPF級動物實驗室三級壓差控制原理

1.常規(guī)壓差控制系統(tǒng)

常規(guī)壓差控制一般都基于送/回(排)風(fēng)量差值。其基本方法是使房間的送風(fēng)量大于回(排)風(fēng)量，兩者差值越大，房間的正負壓就越大。當各房間建立了不同的壓力值時房間之間也就形成了壓差，目前動物實驗室中大量采用了此方法。

這種方法的優(yōu)點是設(shè)計簡單，只要考慮如何計算形成正(負)壓的風(fēng)量差值即可。一般情況下可以用經(jīng)驗公式L= f(A, △p )來計算，風(fēng)量差值L僅與漏風(fēng)面積A和希望建立的壓差值△p有關(guān)?？紤]到各種影響因素較難把握，實際設(shè)計中也可以用換氣次數(shù)n來估算，例如風(fēng)量差值相當于n=2 h^-1，通?？梢孕纬?/span>15~20 Pa左右壓差。

在許多已有的案例中，發(fā)現(xiàn)這種方法存在以下缺點：

1)大量風(fēng)量調(diào)節(jié)工作需要在現(xiàn)場手動完成。若系統(tǒng)很大，就需要反復(fù)調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)精度無法保證。

2)初次調(diào)節(jié)完成后基本不能再更改，三級壓差數(shù)值很難重新修正或定量化。

3)只適合定風(fēng)量系統(tǒng)，節(jié)能性不佳。有些場合中，為維持壓差的存在，送排(回)風(fēng)量與實際負荷需求偏離較大。

4)當系統(tǒng)中各類過濾器積塵到一定程度，支路或主風(fēng)道風(fēng)量衰減后引起風(fēng)量分配改變,偏離了初次調(diào)節(jié)狀態(tài)，將導(dǎo)致原來建立的壓力梯度被破壞，需要再次調(diào)節(jié)。中凈環(huán)球凈化可提供動物房、動物實驗室等的咨詢、規(guī)劃、設(shè)計、施工、安裝、 改造等配套服務(wù)。

5)實際運行時，如果需更換末端高效過濾器或維護閥門等，也會引起壓差不穩(wěn)定或失調(diào)。

送/回(排)風(fēng)量差值法僅推薦用在調(diào)試工作量不大的小型系統(tǒng)，例如SPF級動物飼養(yǎng)間不超過5個的系統(tǒng)。在示例工程的建筑平面中，有14個SPF級動物飼養(yǎng)間，加上清潔走道和污物走道，如果采用常規(guī)的送/回(排)風(fēng)量差值法，那么由于在調(diào)節(jié)單個送、回(排)風(fēng)量同時，會引起其他風(fēng)口的連帶效應(yīng)，將很難把每個房間需要的風(fēng)量按照壓力梯度的次序調(diào)節(jié)好,在今后實際運行時，仍然會出現(xiàn)上述諸多弊端。因此，對于這樣的系統(tǒng)，需要尋求另外一種建立壓差的方法。

2.新的壓差控制系統(tǒng)

從空氣在風(fēng)管內(nèi)流動的基本概念可知，當空氣流動時，因產(chǎn)生阻力而使其上游與下游間存在壓差，當上下游之間有明顯的阻力構(gòu)件時(例如風(fēng)閥)，壓差就很明顯且易于調(diào)控。

假設(shè)空氣從某個SPF級實單元流入，從污物走道流出，如果流速變化非常小，可以忽略阻力對靜壓的影響，那么SPF級實驗單元對污物走道就形成了正壓差，無論風(fēng)量如何改變，這種正壓差的梯度次序不會改變。假設(shè)SPF級實驗單元與污物走道隔墻上有一個風(fēng)閥，那么它們之間的正壓差就變得可以控制、調(diào)節(jié)，即使流入空氣量發(fā)生改變時，只要準確地調(diào)節(jié)風(fēng)閥，仍然可以維持原有的正壓差值。

上述方法給予的啟發(fā)是：1)系統(tǒng)的正壓差次序可以不再受其他因素影響，只要把需要維持壓力高的房間位居上游，需要維持壓力低的房間位居下游，那么它們之間的正壓關(guān)系就確定了，壓差值取決于，上下游間空氣流動的阻力。2)變風(fēng)量運行變得可能，壓差調(diào)節(jié)或再設(shè)定也變得可能。

潔凈空氣送入清潔走道，清潔走道與污物走道設(shè)有連通風(fēng)管，風(fēng)管上設(shè)有電動風(fēng)閥A，通過正壓排風(fēng)進入污物走道。根據(jù)二者間的壓差調(diào)節(jié)風(fēng)閥A的開度，并維持50Pa左右的壓差，此數(shù)值可以通過自動控制作調(diào)整。

潔凈空氣分別送入每個SPF級動物飼養(yǎng)間，通過正壓排風(fēng)進入污物走道。每間SPF級動物飼養(yǎng)間與污物走道之間設(shè)有電動風(fēng)閥B，根據(jù)二者間的壓力差，調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度，并維持25Pa左右的壓差，此數(shù)值可以通過自動控制作調(diào)整。

以污物走道內(nèi)的壓力為基準點，分別保持與清潔走道和每間SPF級動物飼養(yǎng)間之間的相對壓差，從而間接得到了清潔走道與每間SPF級動物飼養(yǎng)間之間25Pa左右的壓差，此數(shù)值隨上兩項相對數(shù)值的變化也可間接調(diào)整。

污物走道為整個區(qū)域的排風(fēng)區(qū)，通過調(diào)節(jié)排風(fēng)機組的排風(fēng)量來維持污物走道內(nèi)的壓力為10 Pa左右，此數(shù)值可以作調(diào)整。排風(fēng)機組采用變頻調(diào)速。

上述通過送風(fēng)的正壓作用形成壓力梯度的方法簡潔有效，理想的壓力梯度分布態(tài)勢極易獲得，它適用于有較多SPF級動物飼養(yǎng)間的系統(tǒng)。設(shè)計中須注意的是，應(yīng)尋求建筑平面設(shè)計的合理性，為理想的壓力梯度分布創(chuàng)造良好的先天條件。以功能為主的SPF級動物實驗室區(qū)域平面布局力求簡潔方正，各條流線或走道平直、簡短，房間布置整齊劃一，層高合理，機房就近布置，各種管線進出順暢。

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