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    生物安全實驗室暖通空調系統的幾個設計要點

    發布日期:2021-09-14 瀏覽次數:17

    引言

     

     生物實驗室的主要功能是進行生物科學相關的實驗場所,因此對生物實驗室的質量控制要求必須極其嚴格,才能保證生物實驗的準確性。我國近年來科學技術不斷發展,促進了極大的生物科學的發展,不斷推進生物實驗室的建設對于發展生物科技有著重要的作用。近年來,我國各省紛紛進行生物安全實驗室的建設,許多項目甚至已經進入使用階段。但是需要注意的是生物安全實驗室,因為其功用的特殊性很容易導致危害性物質的產生,因此,生物實驗室的暖通空調系統就非常重要,因為一旦暖通空調系統出現故障,輕則導致生物實驗室內部的功能無法實現,重則很容易出現污染外泄,甚至導致工作人員及其周邊居民的安全事故。確保生物實驗室暖通空調系統的良好運轉,是建設者一個非常重要的目標。

    01

    生物實驗室的暖通空調系統故障分析

    對于生物實驗室的暖通空調系統而言,隨著使用時間的持續增加,產生故障是正常的現象。通常來說,這種故障可以分為送風系統的故障,和各類風量及壓力傳感器的故障,以及排風系統的故障。

    1.1 送風系統故障

    在整個暖通空調系統當中,送風系統擔任著非常非常重要的作用。因為送風系統,能夠有力保證排風系統正常運轉,一旦實驗室發生任何的故障,需要實驗室的人員進行撤離,在此撤離期間,送風系統可以為整個生物實驗室提供良好的負壓。這樣不僅能夠給工作人員撤離提供良好的處理環境,還能保證生物實驗室內部的環境相對穩定。但是如果送風系統出現故障,則很容易導致,工作人員在撤離期間發生安全事故。

    1.2 傳感器故障

     傳感器在生物實驗室暖通空調系統當中主要承擔的是傳遞信號的職責,一旦傳感器失靈,則會導致傳遞的信號出現錯誤。這樣系統在運行的過程當中,就會與系統本身預設的程序所相背離。因此在設計的過程當中,建設者和設計者必須對傳感器的性能和穩定性進行可靠的檢測,然后投入使用。但實際上傳感器的響應特性是很容易被忽略的,這種響應特性一旦被忽略,直接會導致其調試結果的設計值出現問題,信號傳輸出現錯誤,就會導致更加嚴重的事故。

    1.3 排風系統故障

     在整個系統當中,排風機出現故障是非常嚴重的,這是因為生物安全實驗室的通風系統,必須通過排風機來進行變頻排風。這是因為生物實驗室常常進行的都是高生物危害性實驗,即便是在白天進行工作,也不允許出現任何呈現正壓的情況。因此暖通及暖通自控控制系統的設計要求非常高。具體到細節包括排風機或者排風機變頻故障發生之時,系統需要能夠自動切換至備用的排風機及其變頻器。這樣才能保證整個實驗室的房間內負壓情況良好。但實際上一旦排風機出現問題則會導致排風機停機,而這種停機將會導致整個系統出現故障。

    02

    生物實驗室的設計原則

     為了對生物實驗室的設計原則進行論述,本文以p3級生物實驗安全實驗室為例,對其設計原則進行逐一分析與闡述。文章中所引用的示例工程為PLC控制系統,該實驗室的房間排風和生物安全柜是同一個排風系統。通過對該實驗室的分析,得出以下結論。首先生物實驗室在設計的過程中,要對排風系統的停機故障瞬間進行分析,這樣才能做好記錄,不斷優化排風系統。除此之外,實驗室在暖通空調系統的設計上,要避免出現增壓的設計思路,同時進行相應的技術措施預備。

    2.1 排風系統故障瞬間分析與研究

     本實驗室的暖通自控系統設置分別具有以下特點。首先,排風系統在發生停機故障的過程中,其重要的表現就是,房間并沒有出現任何避免鎮壓的措施和策略。其次,排風系統一旦出現故障信號時,系統并沒有發出故障信號。例如流量開關并沒有發出on或者off的信號,因此系統并不能對停機故障作出反應。


     對于上述假設,需要對生物實驗室的排風系統故障,進行一定的記錄。例如,本身是在排風系統發生停機故障之后的5s內,房間出現正壓情況。而此時控制中心并沒有感知到排風系統出現故障,真正對排風系統,出現反應則是在12s。雖然不同的工程會有不同的差異,但是,本組實驗數據,可以對排風系統故障情況作出一定的反饋。那就是房間出現正壓的時間非常短,大概在5s左右。對其主要原因進行分析,這是因為生物安全實驗室中,排風量的差值本來就不大,通常每個小時只有一二百cm3。一旦排風系統出現停機故障,排風量當然能夠在極短的時間出現非常多的減少。因此雖然5s是一個實驗數據,不同的實驗室也會產生差異,但是卻從本質上表明排風系統一旦出現故障,實驗室出現正壓的時間非常短。當然雖然排風系統,在10s之后,會呈現出一定的對策,但是卻無法消除致命的安全運行問題。而在這一過程當中,控制中心對系統故障的感知時間并不靈敏。對這個原因進行分析主要是因為風機從停機到風量下降,需要經歷的時間過長,大多是在10s左右。這是所有風機所面臨的問題,因此,會極大的影響控制中心對系統故障的感知周期。

    2.2 避免出現正壓的設計思路

     根據上述對排風系統停機故障瞬間分析的內容可以得出,避免實驗室內部出現正壓是非常必要的。通常為了實現避免正壓的這種設計思路,必須采取一定的步驟。如控制中心必須能夠快速對排風系統出現停機故障進行感知,這樣才能做出及時的回應。除此之外控制中心在感知到排風系統故障之后,必須能夠快速的進行措施補救,以避免房間出現正壓。鑒于以上的實驗數據,這兩個步驟必須在5s之內完成。


    2.2.1 風量傳感器優化

     風量傳感器的優化可以加強排風系統的敏銳度,因此可以在排風總管上進行反應速度較快的風量傳感器的安裝與設置。這樣風量傳感器可以專門應用于對排風系統故障的分析。在進行設置的過程當中,可以將排風系統停機故障的排風量,設定在一個比較高的水平之上,這樣可以使控制中心不至于誤判,又能在控制中心感受到之后,及時作出反應。之所以將風量傳感器設置在排風總管上,是因為排風總管上的另一個傳感器的響應速度相對較差。該傳感器實際的作用,是為了保證房間的壓力穩定。因此在風量傳感器的設計上,必須考慮到不同的作用和效果。


    2.2.2 電動蝶閥的設計

     電動蝶閥的設計是為了實現完全關斷的功能。該電動蝶閥的響應速度在2s以內,這樣做才能夠保證控制系統在感知到排風系統出現故障之后的2s之內,就能迅速對系統的送風進行切斷。以此來保證房間不會出現正壓。當然,其他的措施也可以對送風量進行良好的減少。例如,定風量閥可以保證房間處于負壓的狀態。同時送風機變頻控制的速度也可以不斷得到加大,在故障發生的同時,能夠在瞬間就對送風機進行關斷。不過需要注意的是,這些方法都必須建立在電動蝶閥的基礎之上,這樣才能滿足快速響應的要求。當然,對于許多生物實驗室而言,排風系統上采用變風量閥是比較基礎的配置。但是定風量閥也是不可缺少的,因為定風量閥可以促進系統固定送風,而變風量閥則是減少送風量。兩者起到的作用完全不同,但是卻又不可缺少。在對實驗室的暖通空調系統進行調試的過程當中,其測試結果表明僅僅依靠這些其他手段,是無法保證實驗室在出現排放系統停機故障之時,房間不會出現正壓情況。因此,電動蝶閥的設置和風量傳感器的優化是非常必要的。

    03

    案例簡述

     為了對生物實驗室的暖通空調系統設計要點進行細致的闡述,本文選取某家國家級實驗動物生產環境作為具體的案例,對其生產環境設施和指標控制進行分析和論述。

    3.1  實驗室概況

     本次選取的案例為實驗動物生產環境,簡稱動物房。因為動物房在特殊的領域當中,必須具有潔凈的環境。首先它的存在目的是為人類的科研事業服務的。主要是將某一類或數類動物進行無菌培育,無菌飼養,以便于進行各類無毒性生物和藥物實驗所用。從解禁系統類型劃分來講,它屬于比較復雜也比較特殊的門類。因此為了為實驗類動物生存環境營造一個適合的環境,就必須保證室內的溫度,室內的濕度,光照度以及噪聲等指標。但是在這一過程當中還必須保證,不能給周圍的環境帶來污染和不利影響。因此本實驗室在設計的過程當中采用了全新風處理方式,即全送全排方式。除此之外為了消除外界和季節對室內的影響,采用了升溫降溫加濕除濕等手段。對于實驗室內部的壓力差問題,能量回收等問題也需要進行解決。因此,該實驗動物生產環境設施的設計與建造是非常復雜的,需要設計者不斷對這些工作指標進行分析,進而實現智能化控制。

    3.2 受控范圍及選材

     本人所選擇的屏障型動物房,其布局是中分左右對稱的結構。實驗室的區域是由若干個形式相同,但是功能相似的小區間組成。實驗室的四壁和頂采用的是不會擊沉,不會產生塵土,并且能夠保溫隔聲,防火等綜合性能的,凈化專用鋼材板。在建設的過程當中,板縫經過嚴格的處理,地面輔以堅固耐磨的環氧自流坪。而從功能去看待其分區,則可以看出,該實驗室是由這些區域組成的,分別有潔凈內走道,前室飼養室后室,環形污物通道。

    3.3 暖通空調系統

     該實驗的暖通空調系統,包括空調送風系統和空調排風系統。但是因為該實驗室的特殊性,與常規凈化空調系統相比,它的不同之處也比較明顯。首先為了避免二次污染和交叉污染,新風經過處理,送入各潔凈區之后,必須全部排除。因此整個系統所消耗的能源是非常巨大的,為了促進系統的節能效果,配備了必要的能量回收裝置。這樣做也是為了提升動物房內的環境質量。其次,排風系統專門設置了包括活性炭在內的過濾裝置,這樣能夠對室外環境,進行一定的保護,過濾掉有害物質。最后個系統單元采用了空調送風和排風的定量裝置。這樣才能保證實驗室內部的壓差梯度不會受到外界太多的影響。

    3.4 配套設施簡介

     屏障型動物房的配套設施是環境設施的重要組成部分,這些設備的合理選用和有機組合能夠有效維持整個系統正常運行。在本實驗室的設備配置過程中,其情況如下。首先,新風預處理機組二套。其次,板式通道熱交換器一套。第三,二級過濾,三組加熱,三組加濕,以及表冷組合式空調器一套。最后,活性炭除臭裝置兩套,而且需要帶過濾排風機組兩套。除此之外,各個獨立的單元需要配備定風量閥,這樣才能保證各個單元的風量,壓差梯度等指標,能夠持續保持在平穩的狀態當中。

    3.5 指標控制簡述

     在本市的系統控制當中,我們設置了比較全面和完整的控制點位,配置了功能齊全的自控系統。自控系統包括對室內溫度的控制,室內正壓的控制,以及防火閥關閉控制等等。


    3.5.1 室內溫度

     該系統能夠實現對室內溫度的自動化控制,通過設在室內的溫度信號顯示器以溫度信號優先的原則,來控制冷水熱水的電動雙通閥及加濕電動雙通閥的開度。從而保證整個實驗室的溫濕度處在合適的范圍之內。


    3.5.2 正壓控制

     最初在運行的過程當中,室內壓力調整在設定之后,通常,運行中的室內正壓,可以通過送風和回風的定風量來進行保證。


    3.5.3 防火閥的關閉

     如果主風道內溫度達到70℃之后,防煙防火閥就會關閉,同時,這種信號也會被傳送給消防中心,除此之外關閉此系統的送風機和排風機以及排風電動閥,或者當有火情爆發時,防煙防火閥接受消防值班中心傳送的信號,防火閥就會自動關閉,同時連鎖的送排風和新風閥門也會同時進行關閉。


    3.5.4 空調送風機停止運行

    一旦暖通空調系統當中的送風機停止運行,與之相關的電動排風閥和排風機和電動新風閥也會同時關閉。除此以外,空調器送排風機常設變頻器,這樣可以通過定風量閥兩端的壓差,來對供電頻率進行調節,進而能夠對送風機排風機的轉速進行一定的改變,使風量得到良好的調節。


    3.5.5 送風機排風機運行故障切換

     一旦送風機或排風機的負荷較大之時,動力柜傳出的過負荷信號也會自動切換到備用風機及備用系統,同時主運行的風機及系統也會進行關閉。風機皮帶在發生故障的過程當中,微壓差開關檢測出送風機前后壓差的降低,也會自動切換到備用風機和系統。同時,運行風機及其系統也會關閉。板式換熱器需要定時定期進行檢修。在檢修的過程當中必須考慮工藝的特性,這樣才能保證多個控制信號得到有效的控制。實驗動物與普通的形式不同,它對潔凈度的要求也更高,因此在暖通空調系統的設計過程當中,必須對設計要點進行細致的考慮。

    04

    結語

     本文在進行生物實驗室暖通空調系統設計要點闡述的過程中,采用了實驗模擬的方式,以切斷電源模擬出排風系統停機故障發生時會產生的狀況,來對實驗室出現的情況進行記錄。筆者將本次實驗結果與美國的專業檢測機構進行了內容的對比。需要明確的是,一旦排風系統發生故障之后,控制中心接到指令來完成響應。響應時間必須確保的最少,這樣才能保證實驗室不會出現負壓較大的狀態。但是,暖通系統可以被劃分為,實驗室房間排風和實驗設備排風。這兩者可以共用一個排風系統,也可以不共用。但是優先選擇共用排風系統,這是因為這樣可以消除房間的正壓情況,因此在案例分析當中,生物實驗動物房采用的也是共用排風系統。



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