张 炜，谭 莹，符跃明，师 冰
（云南省药物研究所，云南 昆明 650111）
生物实验室，是进行与生命科学相关的生物实验场所，由于生物科学相关实验往往对质量控制具有严格的要求，因此对恒温恒湿负压的实验需求也越来越大，这无疑给生物实验实验室暖通空调系统的设计提出了更高要求[1]。基于生物实验实验室本身的用途，在其日常运作的过程中难免会有危害性物质的产生，在平时暖通空调系统正常运作之时这些危害性物质一般不会产生危害，但一旦暖通空调系统出现故障，轻则因危害性物质导致生物实验实验室的内部控制参数无法实现，重则更可能发生危害性物质外泄，对实验室内从业者及实验室周边居民的健康乃至生命安全造成危害。为了避免这种情况的发生，保障暖通空调系统的良好运转正是在对空调系统进行设计时的要点所在。
暖通空调系统是具有控温、控湿通风以及空气调节几大功能，一般而言，暖通空调系统会由三大部分构成：①送风系统，即通过新风机净化室外空气并引入室内的系统；
②压差系统，主要负责对室内的压力进行感应并对系统的气流组织行为作出合理调度；
③排风系统，即室内空气排出的系统[2]。由于生物实验实验室往往要求恒温、恒湿、负压，以此大多暖通空调系统是采用常年运作模式，而随着使用时间的增长，系统本身产生故障是不可避免的事情。通过对国内几处生物实验实验室的暖通空调系统进行调查，导致系统出现故障的原因主要包括以下两个方面。
1.1 送风系统与排风系统问题
在暖通空调系统中，送风系统与排风系统一般合成“风系统”，在生物实验实验室内，送风系统与排风系统都发挥着至关重要的作用，其中，送风系统是确保整个暖通空调系统正常运作的根本，而排风系统则是通过排风机进行变频排风的一类系统，这二者的正常运作都能够为维持生物实验室内定向气流（负压）[3]。一旦送风机发生故障，则可能导致实验室内负压不稳，对工作人员的健康及生命安全带来危害；
而一旦排风机发生障碍，则会出现停机问题，则整个系统出现故障，一旦故障发生，使用方需要确保暖通空调系统仍然能够正常运作，这一点比较难实现，导致其难以实现的问题主要包括以下3 个方面：①送排风系统结构设计不合理，死角相对较大，生物实验实验室要求气流从清洁区流向污染区，一旦结构设计有失合理，该过程将无法实现；
②排风系统设计不合规范，许多生物实验实验室所采用的是高空排放，并不增设高效过滤器，这无疑会对环境带来一定伤害，同时许多生物实验实验室排风管的风速达不到规范，排风阻力较大，室内的负压难以得到保障；
③备用排风机不到位，为保证实验室在任何情况下都能够保持负压，生物实验实验室的排风系统要设置备用排风机，一旦故障发生则紧急启用备用排风机以保持负压，但目前很多使用单位都没有设置[4]。
1.2 压差系统问题
压差传感器在实验室空调系统当中主要承担的是传递信号的功能，一旦传感器失灵，则会导致传递的信号出现错误。这样系统在运行的过程当中，就会与系统本身设计的程序相背离[5]。但在实验室的实际设计中，传感器的响应特性是很容易被忽略的，这种响应特性一旦被忽略，直接会导致其调试结果的设计值出现问题，信号传输出现错误，就会导致更加严重的事故。通过对实验室的实际故障案例进行分析发现，在该类实验室所应用的系统中，传感器所发生的故障大多是由电气故障引发，还有小部分故障是由于机械故障以及管路、开关故障引发，而在电气故障中，有超过80%的故障是由于控制主板损坏引发。传感器实际发生的故障主要包括三类：①没有信号。②产生高频噪声。③发生慢漂移。
通过对问题进行阐述分析，可以针对相关问题做出相应的设计，以此增强暖通空调系统的稳定性。
实验室的设计需要以实验室本身的实际需求为主，不可一概而论，但是对一定的生物实验室类型进行讨论仍然可为相应的实验室的暖通空调系统提供借鉴。为了对暖通空调系统的设计要点进行研究，本文将选择P3 级生物实验室中的PLC 暖通空调控制系统为研究对象，一方面针对暖通空调系统的各类故障提出相应的解决方案，一方面优化暖通空调系统设计、避免复杂布局。经过统筹分析，生物实验室的暖通空调系统设计要点主要包括以下几个方面。
2.1 排风系统停机故障防范设计
在实验室的所有故障中，最“致命”的故障当属排风机停机，一旦排风机停机，实验室内的负压难以维持。针对排风机停机的问题，目前生物实验室中比较常见的问题主要包括在排风机停机或停机前暖通空调系统内并不存在正压或者补救的措施，同时问题发生的同时也没有向系统中央控制中心发出故障信号，系统往往难以对故障做出及时反应。针对这种状况，一方面设计方可以利用局域网设备与排风系统进行串联，时时监测排风系统的运作状况，一旦停机故障发生，若排风系统无法向中央控制系统发出故障信号，局域网系统也能够及时发出信号，为排风系统提供双重保障。
2.1.1 风量传感器优化
风量传感器即对排风系统运行状况进行检测的一类传感器设备，它的灵敏度与停机故障的检测与报告速度存有直接关联，因此对风量传感器进行优化、增强其灵敏度正是对排风系统停机故障进行防范的最有效措施。为了实现这一目的，设计方在生物实验室的设计可以适当调高排风系统停机故障的排风量并将风量传感器设置在排风总管上等。
2.1.2 电动蝶阀的优化
电动蝶阀设计的目的在于实现“完全关断”，也就是在排风系统出现停机故障后对系统送风实施切断，延缓正压的发生时间，为后续的防范补救措施提供可能性。为了确保电动蝶阀的有效性，蝶阀本身的响应速度应该严格控制在2s 之内。
2.2 针对停机故障发生后暖通空调系统能够正常运作的设计
一般而言，可秉承以下设计原则：①为确保气流能够从清洁区流向污染区，必须降低送风系统与排风系统的设计死角，设计室内送风口、排风口的位置气流停止空间降至最低，且室内排风口应当设置于最危险的区域，采取单侧布置形式，排除一切障碍。②确保排风系统的设计合乎规范，在排风系统中增设高效过滤器，选择合适的排风系统，一方面保证排放量达到要求数值，另一方面有效降低暖通空调系统的能耗以及噪音。③在生物实验室内设置备用排风机及UPS 电源，一旦停机故障发生，立刻切换至备用排风机及UPS 电源，严格控制负压。④控制压差，按照《生物实验室建设技术规范》，将生物实验主实验室与相邻外间的压力控制在-10～20Pa 区域内，确保相对大气的最小负压大于等于-30Pa。
2.3 传感器故障防范设计
前文已对传感器发生故障多是因为电气故障引发，还有小部分故障是由于机械故障以及管路、开关故障引发，而针对该类传感器故障问题，解决方案相对简单，设计方可以在生物实验室内同时加装几个传感器。相比起其余方面的故障，传感器发生故障的概率相对较低，而几个传感器同时发生故障的概率更几近为零。针对传感器发生的三类故障——没有信号、产生高频噪声以及发生慢漂移，没有信号故障一般依靠传感器的值进行检测；
产生高频噪声故障一般通过过滤器方法进行检测；
发生慢漂移故障则比较复杂，这种故障比较难发现，在故障发生后传感器的输出特征与无障碍发生时的输出特征几乎毫无差别，因此需要借助SCOM方法。SCOM 方法可以通过数学方式进行表达，举例而言，可以设想生物实验实验室的暖通空调系统内有n个传感器，而x1，x2，x3，…，xn分别为此n 个传感器的参数，根据暖通空调系统的特征，可以确定这些参数的关系如式（1）所示。
此公式因为要对系统中的每一个传感器进行检测，所以它就必须具备完整性，也就是在公式中，每一个参数都必须在其中出现一次或两次，如果达不到这个要求，那么这个传感器就确定有故障发生。在生物实验实验室的暖通空调系统中，测量之间的关系式决定着SCOM 方法是否可靠，以此全面地描述测量变量之间的关系就十分重要。通过实际研究可以得知，损坏传感器的具体位置是决定SCOM 的是否可靠的关键依据。举例来说，假如传感器的确出现了慢漂移，而漂移量在5Pa 左右，传感器故障发现率则不足35%；
如果漂移量为8Pa，那么传感器故障的发现率就能够达到100%。因此，通过这种方法能够更为迅速、准确地发现暖通空调系统中传感器存在的故障，从而及时对其采取更换措施。
2.4 其他设计
2.4.1 室内温度、湿度
在对暖通空调系统进行设计时，应当确保该系统能够实现对实验室内的温度实现自动化控制，实验室室内可以设置温、湿度信号传感器，以温度信号为优先对冷热水的电动双通阀以及加湿电动双通阀的开度做出控制，以此确保整个实验室的湿度能够控制在一个合理的区间之内并保持在相对稳定状态。
2.4.2 防火阀的关闭
灾害类问题也是暖通空调系统需要统筹考虑的重点，可以在主风道内对温度进行检测，当主风道内温度达到70℃，则确保防火阀能够自动关闭，同时会将火灾信号自动发送给消防部门与消防中心。与此同时，在信号自动发出后，送风机以及排风机等系统应当自动关闭。
2.4.3 送风系统其余设计
在送风系统的空气净化系统中，应当至少设计三级过滤，即粗、中、高三级过滤，且这三级过滤应当符合以下规定：①一级过滤为初过滤器，一般设置在空调箱；
②二级为中效过滤器，一般设置在空气处理机组的正压段中；
③三级为高过滤器，切忌设置在空调箱内，而应当设置在系统末段；
④表冷器前需要设置中效过滤器以作保护。除此之外，送风系统的新风口也需要严格依照规范设置，其原则包括但并不仅仅限于在新风口处实施防雨措施、加装保护网等。
2.4.4 排风系统其余设计
生物实验实验室的排风系统需要符合以下规范：①排风与送风两大系统需连锁，在系统启动时排风系统需要在送风系统前启动，在关闭时则需要在送风系统后关闭，以此确保负压稳定；
②主实验室内需要设置室内排风口；
③针对存有可能产生污染物外泄设备的实验室应当在实验室内加设载有高效过滤器的负压排风装置；
四，动物隔离设备与排风系统连接需采取密闭连接或设置局部排风罩；
五，风机应设平衡基座并采取减振降噪措施。
2.4.5 气流组织设计
针对三级与四级生物实验实验室，在对气流组织方面进行设计时应当确保气流通过辅助工作区向防护区流动，并在辅助工作区与室外之间设置正压缓冲室，同时根据气流组织设计对实验室内的各类设备做出合理安排，降低空气流动。同时，生物实验实验室气流组织宜采用上送下排方式，送风口和排风口布置应有利于室内可能被污染空气排出，避免在生物实验柜操作面以及其余有气溶胶产生地点上方设置送风口等。
综上所述，生物实验实验室是当代社会必不可少的科学实验设施建筑，其运作对于人类生存以及发展具有积极的深远意义，确保其能够安全运作正是目前设计的重中之重。受生物实验实验室本身特征影响，暖通空调系统是维持生物实验实验室内恒温、负压的最关键部分所在，为了确保暖通空调系统能够切实地发挥其功效，设计应当首先对生物实验实验室内暖通空调系统的常见问题进行分析，在严格按照生物实验实验室的设计规范对排风系统、送风系统、传感器以及气流组织进行设计后，再根据常见问题制定相应的防范措施，如通过局域网的应用、电动蝶阀乃至风量传感器的优化解决排风系统停机故障问题等。设计者还需以实际状况为出发点，不断对设计进行革新、改善，如此方可确保生物实验实验室的安全、有效运作。
猜你喜欢排风暖通空调暖通空调设计中地源热泵实践建材发展导向(2022年3期)2022-04-19建筑排风隔热外窗冬季结露机理与防治建筑热能通风空调(2022年1期)2022-03-08关于暖通工程节能问题与设计探讨建材发展导向(2021年19期)2021-12-06浅谈暖通空调与暖通空调设计中存在的问题建材发展导向(2019年5期)2019-09-09基于STM32的室内有害气体自动检测与排风系统电子制作(2018年19期)2018-11-14空调病是怎么回事小学阅读指南·低年级版(2017年5期)2017-05-18排风热回收对地铁空调机组性能提升的仿真分析制冷技术(2016年2期)2016-12-01奔驰E260车空调不正常汽车维护与修理(2016年10期)2016-07-10迈腾车空调不制冷汽车维护与修理(2015年7期)2015-02-28探讨基于设计阶段的暖通工程预算管理河南科技(2014年18期)2014-02-27