ⅡB2型生物安全系统气流控制模式研究

ⅡB2型生物安全气流控制模式研究

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分析，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”模式进行了探讨和实证研究，通过比较分析，认为该模式投资经济，且具有更加灵活的适用性和稳定性。

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，ⅡB2型生物安全柜采用柜单向流的全新风系统，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，国家规要求系统运行时应确保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稳定性，并应在启动、运行和关停过程中保持有序的压力梯度[2]。由于高等级生物安全实验室围护结构严密性较高，而安全柜排风量较大，因此在实际应用过程中，安全柜的启停以及排风机发生故障及自动切换，均会导致实验室排风量的瞬时剧烈变化，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，甚至可能导致安全柜空气外溢以及实验室出现短时正压，从而形成人员及环境安全隐患。

本文结合现行国家标准和实际检测及设计经验，对ⅡB2型生物安全柜在高级别生物安全实验室的气流控制模式进行研究探讨。

【工作原理及常见设计参数】

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图1所示。ⅡB2型生物安全柜正常运行时由室进风。室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。目前国排风接管的常规做法分为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 常见设计参数

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，在窗口高度不超过200 mm时窗口进风平均风速应不小于0.5 m/s[3]。如条件允许，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根据厂家提供的额定风量，再考虑一定余量得出。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，但往往被设计人员忽略，美国标准给出的最小建议值为375 Pa[4]，国常见设备厂家提供的数据为500~800 Pa不等。

【常见气流控制模式研究】

已通过国家建筑工程质量监督检验中心检测验收的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分析，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可以看出，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）时段是恒定的，其控制核心理念依然是通过排风变风量（VAV）阀来调节房间压力，实质上仍属于定送变排控制模式。这也基本反映出目前定送变排控制模式为ⅡB2型生物安全柜的主流控制模式。

2.1 变送定排模式

该模式房间送风量可变，通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，根据房间压力调节房间送风主管上的变风量阀，通过调节房间送风量来稳定房间压力。安全柜启闭时，送风主管上的变风量阀根据安全柜的启闭调节开度，送风机根据设于系统送风总干管的压力传感器调节风机频率，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），保证在工况转换后房间的压力平稳。

安全柜开启时，根据其窗口限位信号，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，绝对负压值急剧升高；送风主管上的变风量阀根据房间压力调节开度，增加房间送风量；随着送风量的加大，系统逐渐恢复至原有压力围。安全柜关闭时，以安全柜窗前玻璃门下拉封闭柜体为信号，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。

2.2 定送变排模式

该模式房间送风量恒定，房间排风量可变。送风量恒定是为了保证核心工作间的送风量和换气次数满足设计和规的要求，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要求，ⅡB2型生物安全柜的排风管采用定风量阀控制。房间排风管上的变风量阀根据房间的压差要求来调节开度，消除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。

2.3 变送（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，通过房间送风主管上的双稳态阀，保证在每一种工况下风量恒定。房间排风管设置变风量阀，根据房间的压差要求来调节开度，消除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，根据实测结果来看也是可行的。

市中南实验室建设工程是一家长期研发生产实验台，通风柜，PP通风柜，药品柜等实验室家具的厂家，总结不同的经验教训，吸取了国外先进技术，根据客户实际情况打造业最具性价比,专业从事实验室整体规划设计装修，实验室通风系统整体规划，实验室升级维护，无菌实验室，实验室净化，洁净项目，公司本着“质量为本，诚信经营，不断创新”的原则，为客户营造安全舒适的实验室环境实验室缔造者。

【常见问题】

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，并无明显相关性。主要原因在于该类实验室均采用全新风系统，与回风系统不同，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，而安全柜启停时室相应的变风量控制逻辑才是关键。在多项实际检测中，出现较多的问题如下。