ⅡB2型生物安全气流控制模式研究应用.doc

ⅡB2型生物安全气流控制模式研究

对22个涉及生物安全三级（BSL-3）、动物三级（ABSL-3）和四级（BSL-4）实验室项目中共计79台ⅡB2型生物安全柜气流控制模式进行了记录分析，简介了“变送定排”、“定送变排”和“变送（双稳态）变排”模式控制方式和也许存在问题，并对某些环节提出解决思路。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，以为该模式投资经济，且具备更加灵活合用性和稳定性。

生物安全柜是生物安全实验室重要设备之一，是保障实验室生物安全一级屏障。与ⅡA2型生物安全柜不同，ⅡB2型生物安全柜采用柜内单向流全新风系统，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]。

当前，国家规范规定系统运营时应保证生物安全柜与实验室送排风系统之间压力关系和必要稳定性，并应在启动、运营和关停过程中保持有序压力梯度[2]。由于高级别生物安全实验室围护构造严密性较高，而安全柜排风量较大，因而在实际应用过程中，安全柜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瞬时激烈变化，如控制不当，会对其所在核心工作间压力产生较大影响，甚至也许导致安全柜内空气外溢以及实验室浮现短时正压，从而形成人员及环境安全隐患。

本文结合现行国标和实际检测及设计经验，对ⅡB2型生物安全柜在高档别生物安全实验室气流控制模式进行研究探讨。

【工作原理及常用设计参数】

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营时由室内进风。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管道排至室外。当前国内排风接管常规做法分为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 常用设计参数

与通风系统有关ⅡB2型生物安全柜设计参数重要涉及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不大于0.5 m/s[3]。如条件容许，应尽量在设计阶段就拟定设备厂家，这样安全柜排风量可依照厂家提供额定风量，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重要参数之一，但往往被设计人员忽视，美国原则给出最小建议值为375 Pa[4]，国内常用设备厂家提供数据为500~800 Pa不等。

【常用气流控制模式研究】

已通过国家建筑工程质量监督检查中心检测验收22个(A)BSL-3和BSL-4实验室项目中共计79台ⅡB2型生物安全柜气流控制模式进行了记录分析，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型生物安全柜状况见表1。

注：定—定风量控制；变—变风量控制；双稳态—预设高态（安全柜启动）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%以上项目采用了定送变排控制模式，而初期采用变送（双稳态）变排控制模式，送风在高态（安全柜启动）或低态（安全柜关闭）时段内是恒定，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。这也基本反映出当前定送变排控制模式为ⅡB2型生物安全柜主流控制模式。

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变风量阀进行控制；房间排风量恒定，排风主管设立定风量（CAV）阀；安全柜排风量恒定，排风管道设立定风量阀。系统原理如图2所示。

在核心工作间设压力传感器，依照房间压力调节房间送风主管上变风量阀，通过调节房间送风量来稳定房间压力。安全柜启闭时，送风主管上变风量阀依照安全柜启闭调节开度，送风机依照设于系统送风总干管压力传感器调节风机频率，从而增长（启动时）或减少（关闭时）房间送风量（与安全柜排风量相称），保证在工况转换后房间压力平稳。

安全柜启动时，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，绝对负压值急剧升高；送风主管上变风量阀依照房间压力调节开度，增长房间送风量；随着送风量加大，系统逐渐恢复至原有压力范畴。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送风量和换气次数满足设计和规范规定，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规定，ⅡB2型生物安全柜排风管采用定风量阀控制。房间排风管上变风量阀依照房间压差规定来调节开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生扰动，满足核心工作间运营压差规定。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（安全柜启动）和低态（安全柜关闭）2种风量，通过房间送风主管上双稳态阀，保证在每一种工况下风量恒定。房间排风管设立变风量阀，依照房间压差规定来调节开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生扰动，满足核心工作间运营压差规定。系统原理如图4所示。

从控制思路角度讲，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，依照实测成果来看也是可行。

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【常用问题】

从各种三级生物安全实验室实测成果来看，上述几种控制模式均有成功和失败案例，并无明显有关性。重要因素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，因而送、排风是“定”还是“变”不是重要问题，而安全柜启停时室内相应变风量控制逻辑才是核心。在多项实际检测中，浮现较多问题如下。

3.1 排风量局限性，安全柜无法正常启动

生物安全柜启动时报警，排风量无法达到安全柜最低风量，设备无法正常启动。如报警持续，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阻力、阀门等状况。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1 000 Pa，但依照现场检测，生物安全柜出口阻力已达800 Pa（安全柜额定阻力往往容易被设计人员忽视），高效过滤单元阻力200 Pa，管道长约150 m，考虑管道、阀门等沿程和局部阻力，显然风机压头已无法满足系统规定，排风量无法达到额定值，导致设备无法启动，最后以更换风机作为解决方案。

如报警持续一段时间后停止，则阐明系统总排风量可以满足规定，但在变风量控制模式上存在一定期间误差，导致启动之初排风量局限性，随着系统慢慢稳定，排风量达到了设定值，这种状况需要现场调试送、排风阀执行机构行程调节速度和响应时间，消除启动过程中报警环节。

3.2 切换时浮现压力逆转

该类状况是实际工况转换过程中浮现最多一种。其影响因素众多，往往是各种环节互相作用导致成果。当工况转换过程某一时段房间送风量超过房间及安全柜排风量之和时，实验室浮现绝对压力逆转；当工况转换过程中核心工作间负压风量与其相邻缓冲间负压风量不匹配时，会浮现相对压力逆转。这2种逆转，特别是绝对压力逆转，大大增长了实验室使用中生物安全风险，均为检测部门和中华人民共和国合格评估国家承认委员会（CNAS）承认时现场重要考察项目。各项目安全柜启闭时工况转换现场检测压力逆转状况见表2。

从表2可以看出，逾80%实验室工况转换时存在不同限度压力逆转状况，重要问题集中在送、排风阀控制逻辑及其执行速度和响应时间。某些实验室在现场调试无效后需要采用更换阀门等办法进行整治，个别实验室项目甚至仅能将逆转时间控制在1 min内，无法主线解决相对压力逆转问题。

3.3 切换时负压过大

过大负压对实验室围护构造气密性和稳定性提出了较大挑战，由于负压过大，房间干净度难以保证；较大压力波动也致使房间围护构造瞬时过度收缩膨胀，对当前主流彩钢板围护构造而言极易产生破坏性后果。

3.4 多台安全柜切换时系统紊乱

某些相对特殊项目，在一间核心工作间内设立多台ⅡB2型生物安全柜或一种系统内各种核心工作间均设有ⅡB2型生物安全柜，同步启停多台ⅡB2型生物安全柜时会瞬时浮现巨大风量变化，如果系统阀门切换不及时，往往容易产生房间压差梯度紊乱。

【优化解决方案】

4.1 阀门预设动作和迅速响应

无论何种控制模式，如在安全柜启闭过程中浮现送风量不不大于排风量状况，则会浮现压力逆转；如浮现排风量远不不大于送风量，则会浮现房间瞬时绝对负压值过大状况。因而，送、排风阀在安全柜启闭过程中动作顺序及执行速度对保证系统压力平稳过渡起到非常核心作用。由表2可以看出，送风变化往往导致压力逆转，这是由于安全柜启闭自身已经对排风产生了较大影响，同步又随着着送风较大波动，同一时刻送、排风均需控制。如控制不当，则更易浮现送、排风瞬时不匹配状况。普通，实验室在整个工况转换过程中需把握2个要点：任何时间房间必要处在负压，即送风量不大于排风量；安全柜仅有排风。因而，房间送、排风阀控制逻辑应环绕任何时间均保证房间送风滞后且不大于排风展开。表3为依照现场检测经验给出送、排风阀预设动作顺序优化方略建议。

表2同步对阀门响应不及时状况做出了记录，可以看出阀门响应速度对工况顺利转换有决定性作用。接近一半项目由于阀门响应不及时而无法根除相对逆转问题，个别项目甚至由于无法解决绝对逆转问题而更换迅速阀门。当前国内惯用主流定、变风量控制阀为蝶阀和文丘里阀2种类型。蝶阀普通采用“测量—比对—执行”闭环控制方式，响应时间平均为2~3 s左右；文丘里阀采用前馈控制方式，最快响应时间可在1 s以内（价格较高）。笔者以为，选取何种类型阀门可在设计阶段依照项目规模、投资、复杂限度和规定进行评估，但应选取迅速响应阀门，依照现场实测经验来看，建议响应时间不要超过2 s。

由于变风量控制多采用PID控制调节模式，送风量往往会环绕排风量振荡收敛，这意味着控制逻辑决定了某一时刻难免会浮现送风量不不大于排风量现象，因而在实测过程中多数状况下会浮现瞬时压力逆转状况。在调试过程中，应通过设立合理阀门动作顺序和缩短阀门响应时间来保证核心工作间不浮现绝对压力逆转，而核心工作间与其相邻缓冲间相对压力逆转，也应控制在1 min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转换（ⅡB2型生物安全柜启动）时实测压力记录见表4。

从表4可以看到，在生物安全柜启动过程中，均浮现绝对和相对压力逆转，现场判断重要由两方面因素构成：送、排风阀同步动作，瞬时风量不匹配；控制风阀响应速度过慢。现场变化控制方略：迅速启动安全柜排风阀门，将送、排风阀同步动作改为送风VAV阀滞后动作，且减小VAV阀开大时执行幅度，缓慢补风。通过调试消除了相对压力逆转，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超过1 s迅速阀，并对系统送排风控制系统重新进行了调试，才同步解决了相对和绝对压力逆转。2周后重测成果见表5。

实践证明，采用迅速响应阀门，并在此基本上设立合理阀门动作顺序，可以在安全柜启动和关闭整个工况转换过程中避免浮现绝对和相对压力逆转。

4.2 优化操作模式和设备性能

在实际检测中发现，良好安全柜操作习惯对系统稳定性也有一定影响。瞬间较大风量波动要靠系统复杂控制和阀门迅速响应去抵消，但如果整个启闭动作在一种相对缓慢过程中平稳进行，则虽然在不太抱负现场条件下，压力波动也也许被恰当控制在一种可接受范畴内。事实上，如果启闭时间足够长，让波动风量带来压差影响慢慢被抵消，则系统稳定性将大大提高。这规定使用人员制定合理操作规程，尽量避免迅速拉起或关闭窗口玻璃而引起瞬时风量巨变。

现实中，安全柜保持某些排风量也是诸多实验室采用稳定工况做法之一。这一思路借鉴了大量理化实验室中有大排风规定通风橱控制模式，虽然在未使用ⅡB2型生物安全柜时也依然保持安全柜一定排风量。规范强调了“不得只运用生物安全柜或其她负压隔离装置作为房间排风出口”[6]，但并未规定当房间设有明确排风口和排风量时，安全柜不能在非工作时段保持一定排风量。事实上，当前国内外诸多厂家均推出了保证最小排风量生物安全柜，在关闭安全柜内自带风机且拉下工作面窗口玻璃后，依然留有一定缝隙，容许某些甚至所有额定排风经系统排风机排出。此时，所谓安全柜关闭状态，其实质是安全柜自带顶部引风机关闭，保证不会有气体外溢，整个安全柜可以理解为一种负压排风通道。

例如，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1 500 m3/h，其在非启动状态（低态）时亦保持1 000 m3/h排风量，则当安全柜启动达到工作状态时波动风量仅为500 m3/h，相对于将生物安全柜从完全关闭状态启动所带来1 500 m3/h波动风量要小得多，系统稳定性大大增强。固然该办法也存在减少生物安全柜高效过滤器使用寿命缺陷。一种极端做法是，永远保持生物安全柜启动状态，仅和实验室系统同步启闭，这样就不存在工况转换问题。只要系统运营是稳定，所有和安全柜有关环节就是稳定。这种做法会大大增长安全柜内风机、高效过滤器等重要组件消耗，缩减使用寿命，同步能耗永远处在最高状态。采用较高代价来回避问题，不是一种应当被倡导解决思路。

4.3 定送变排、安全柜排风等量切换模式探讨

通过对大量工程项目实证分析可以看出，对于围护构造严密性较高实验室而言，风量变化是压力波动最大因素。因而，在工况转换时如何减少甚至消除波动风量并配以成熟稳定控制程序，是保证ⅡB2型生物安全柜气流稳定最主线途径。这里结合笔者团队近年来设计和检测工程实践经验，提出定送变排、安全柜排风等量切换控制模式。该模式当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，而通过电动阀控制，将房间排风和设备排风依照设备启停做等量切换方式事实上早已大量运用于制药、军工等有干净度、压力规定干净室领域，由于相应性强、控制清晰、办法简朴，具备较好合用性。

4.3.1 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ⅡB2型生物安全柜与否启动，与其有关联排风量（与房间排风口切换）恒定。

因而，该模式房间排风由两某些构成：

（1）ⅡB2型生物安全柜排风与房间内相应同风量（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，此某些排风量恒定，且独立于房间排风，依照安全柜启闭切换设在2个支管上电动密闭阀；

（2）在各房间排风总管上设立变风量阀，房间内设立压力传感器，依照压力传感器实测值调节排风变风量阀开度，以满足房间设定压力规定。系统原理如图5所示。

当ⅡB2型生物安全柜启动时，该生物安全柜排风管上电动密闭阀启动，与之相应房间排风管上电动密闭阀关闭；反之，当ⅡB2型生物安全柜关闭时，该生物安全柜排风管上电动密闭阀关闭，与之相应房间排风管上电动密闭阀启动。

在实际调试及运营过程中，为了保证工况转换时绝对负压效果，2个相应电动阀门控制逻辑往往并非同步反向工作，而是先将关闭阀门启动，待2个阀门均处在完全启动状态后，再关闭另一种阀门。这样即可避免阀门反向操作时也许带来瞬时负压风量变小状况。此外，为了保证房间绝对压差和相对压差平衡和稳定，房间排风管设立变风量阀，依照房间压差规定来调节VAV阀开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生微小波动，满足核心工作间运营压差规定。

图6为笔者团队设计东北地区某三级生物安全实验室项目中一间设有ⅡB2型生物安全柜核心工作间排风接管图。该项目特点是实验室房间小，但存在大量排风设备，为了保证压力稳定，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称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。生物安全柜与其相应高效排风口通过电动启闭阀进行等风量切换。系统稳定运营或生物安全柜启闭切换过程中，房间压力波动通过设立在房间排风支干管上变风量阀依照房间压力传感器进行调节。由于等量切换所产生风量实际变化较小（理论上应当没有变化），因而在实际调试过程中，大大减少了调试难度，保证了工况转换时系统压力稳定。

4.3.2 优势分析

由于在该种控制模式下ⅡB2型生物安全柜启闭对房间内压差只会产生很小影响，因而具备较高稳定性，对于面积较小但具备2台及以上ⅡB2型生物安全柜核心工作间更合用。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平衡和稳定，避免生物安全柜启动时风量调节报警和房间压力逆转报警。

与其她几种控制模式相比，该控制模式虽然增长了高效排风口数量，但同步也减少了VAV阀数量，并减小了VAV阀型号规格，因而在经济性上并没有明显变化。此外，阀门调节幅度较小，调节频次较低，无论对VAV阀投资还是对阀门寿命均有益处。更重要是能满足核心工作间各种工况切换规定。通过提高系统稳定性来减少不同工况转换过程中高风险概率，是实验室顾客乐于接受思路，毕竟对于高档别生物安全实验室而言，安全平稳运营最重要。

【结论】

（1）从工程实例来看，变送定排、定送变排、变送（双稳态）变排模式均能通过检测验收，但也均有局限性。送、排风阀控制逻辑及其执行速度和响应时间不合理是工况转换时浮现压力逆转重要因素和控制难点。

（2）合理预设阀门动作顺序、采用迅速响应阀门、保持安全柜一定排风量及制定合理安全柜操作规程等均可一定限度优化或解决安全柜启闭时压力逆转问题。

（3）对于围护构造严密性较高实验室而言，风量变化是导致压力波动最大因素。因而，在工况转换时如何减少甚至消除波动风量并配以成熟稳定控制程序，是保证ⅡB2型生物安全柜气流稳定最主线途径，也是定送变排、安全柜排风等量切换模式控制理念。

（4）定送变排、安全柜排风等量切换模式具备投资少、系统稳定等特点，特别是对于面积较小但具备多台大排风设备实验室更具合用性，可通过深化研究和完善后进一步推广。