无菌生物实验室中安全柜气流控制常见问题及优化方案

一、常见问题

从多个三级生物安全实验室的实测结果来看，不同的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为全新风系统，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，而安全柜启停时室内相应的变风量控制逻辑才是真正的关键。在多项实际检测中，出现较多的向题如下：

1.排风量不足，安全柜无法正常启动

生物安全柜开启时，排风量无法达到安全柜最低风量，设备无法正常开启。如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（单接时）或安全柜排风管路的阻力、阀门等情况。

如持续一段时间后停止，则说明系统总排风量是能够满足要求的，但在变风量控制模式上存在一定的时间误差，导致开启之初排风量不足，随着系统慢慢稳定，系统缓慢达到了设定值，这种情况也需要现场调试送、排风阀执行机构的行程调节速度和响应时间，消除启动过程中的报警环节。

2.切换时出现压差逆转

该类情况是实际工况转换工程中出现较多的一种。其影响因素众多，往往是多种环节互相作用导致的结果。当切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，实验室即出现绝对压差逆转；当工况转换工程汇总核心工作间负压风量与其相邻的缓冲间负压风量不匹配时，即会出现相对压差逆转。这两种逆转尤其是绝对正压逆转大大增加了实验室使用的生物安全风险，均为检测及 CNAS 认可时现场主要考察项目。

从多个实验数据可以看出，逾 80％的实验室工况转换时均存在不同程度的压差逆转的情况，主要问题集中在送、排风阀的控制逻辑及其执行速度和响应时间。部分实验室在现场调试无效后需要采取更换阀门等措施进行整改，个别实验室项目甚至仅能将时间控制在1min 内，无法根本解决相对压差的逆转问题。

3.切换时负压过大

过大的负压对实验室围护结构的气密性和稳定性提出了较大的挑战，由于负压过大，房间洁净度难以保证；较大的压力波动也致使房间围护结构瞬时过渡收缩膨胀，对目前主流的彩钢板围护结构而言极易产生破坏性后果。

4.多台安全柜切换时系统紊乱

部分相对特殊的项目，在一间核心工作间内设置多台 Ⅱ B2 型生物安全柜或一个系统内多个核心工作间均设有Ⅱ B2型生物安全柜，同时启停多台Ⅱ B2 型生物安全柜会瞬时出现巨大的风量变化，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的现象。

二、优化解决方案

1.阀门的预设动作和快速响应

不论何种控制模式，如在安全柜启闭的整个过程中出现送风量大于排风量的情况，则出现压差逆转：如果排风量远大于送风量，则出现房间瞬时绝对负压值过大情况，因此,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的平稳过渡起到非常关键的作用。由实验数据 可以看出，送风变化往往更多导致压差逆转，这是因为安全柜的启闭本身已经对排风产生了较大影响，同时又伴随着送风较大的波动，同一时刻送、排风均需控制。如控制不力，则更易出现送、排风瞬时不匹配的情况。通常，实验室在整个工况转换过程中需把握两个要点：任何时间房间必须处于负压，即送风量小于排风量;安全柜仅有排风。因此，房间送、排风阀的控制逻辑应围绕任何时间均保证房间送风滞后且小于排风展开。

下表 为根据现场检测经验给出的送、排风阀预设动作顺序的优化策略建议。

通过同时对阀门响应不及时的情况做出统计。可以看出阀门的响应速度对工况顺利转换的制约是决定性的。接近一半的项目由于阀门响应不及时而无法根除相对逆转的情况，个别项目甚至由于无法解决绝对逆转情况而更换快速阀门。目前国内常用的主流定、变风量控制阀门为蝶阀和文丘里阀两种类型，蝶阀通常采用“测量—比对一执行”的闭环控制方式，响应时间平均 2～3s。文丘里阀采用前馈控制方式，最快的响应时间可在1s 以内（价格较贵)。选择何种类型阀门可在设计阶段根据项目规模、投资,复杂程度和要求进行评估，但选择快速响应阀门是毫无疑同的，根据现场实测经验来看，建议响应速度不要超过2s。

由于变风量控制多采用PID控制调节模式，送风量往往会围绕排风量振荡收敛，这意味着控制逻辑决定了某一时刻难免会出现送风量大于排风量的现象，因此在实测过程中多数情况下会出现瞬时压差逆转情况。在调试过程中，应通过设置合理的阀门动作顺序和减少阀门响应时间来保证核心工作间不出现绝对压差逆转，而核心工作向与其相邻缓冲间的相对压差逆转，也应控制在 1min 内。如某大（中）型动物 ABSL-3 实验室采用变送定排模式。中净环球净化可提供洁净车间、GMP车间、净化工程、无尘室、实验室的咨询、规划、设计、施工、安装改造等配套服务。

从一些实测数据 可以看到，在生物安全柜开启过程中，均出现绝对和相对压差逆转,现场判断主要由两方面原因构成：送、排风阀同时动作，瞬时风量不匹配；控制风阀响应速度过慢。现场改变控制策略：首先快速启动安全柜排风阀门，将送、排风阀同时动作改为送风 VAV 滞后动作，且减小 VAV 开大时执行幅度，缓慢补风。通过调试消除了相对逆转，但仍无法解决绝对压差逆转。最终将变风量阀更换为响应时间不超过 1s的快速阀;并对系统送排风控制系统重新进行了调试，才同时杜绝了相对和绝对压差逆转。

通过实践证明，采用快速响应阀门，并在此基础上设置合理的阀门动作顺序，可以在安全柜开启和关闭的整个工况转换工程中避免出现绝对和相对压差逆转。

2.优化操作模式和设备性能

在实际检测中发现，良好的安全柜操作习惯对系统的稳定性也具有一定影响。瞬间较大的风量波动要靠系统的复杂控制和阀门的快速响应去抵消，但如果整个启闭动作在一个相对缓慢的过程中平稳进行，则即使在不太理想的现场条件下，压力波动也可能被适当控制在一个可接受的范围内。事实上如果启闭时间足够长，让波动风量带来的压差影响慢慢被消化，则系统稳定性将提高，这要求使用人员摸索和制定合理的操作规程，尽量避免快速拉起或关闭窗口玻璃而引起瞬时的风量巨变。

现实中，生物安全柜保持部分排风常量也是很多实验室采用的稳定工况的做法之一。这一思路借鉴了大量的理化实验室中有大排风要求的通风橱的控制模式：即使在未使用ⅡB2 型生物安全柜时也依然保持安全柜一定的排风量。规范强调了“不得只利用生物安全柜或其他负压隔离装置作为房间排风出口”，但并未规定当房间设有明确的排风口和排风量时，生物安全柜不能在非工作时段保持一定的排风量。事实上目前国内外很多厂家均生产了保证最小排风量的生物安全柜，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，允许部分甚至全部额定排风经系统排风机排出。此时，所谓的生物安全柜关闭状态，其实质应该是生物安全柜自带的顶部引风机关闭，保证不会有气体外溢，整个生物安全柜可以理解为一个负压排风通道。

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的实证分析可以看出，对于围护结构严密性较高的实验室而言，风量变化是干扰压力波动的最大因素。因此，在工况转换时如何降低甚至消减波动风量并配合以成熟稳定的控制程序，是解决Ⅱ B2 型生物安全柜气流稳定的最根本途径，当然前已述及，为达到稳定效果而以设备的高损耗和系统高能耗为代价，放任安全柜乃至整个通风空调系统的持续高态不是解决问题的逻辑，生物安全与系统的科学性和经济性永远需要一个合理的平衡。这里结合团队多年来设计和检测的工程实践经验，提出定送变排，人们所接受，但通过电动阀控制，将房间排风和设备排风根据设备启停做等量切换的方式实际上早已大量运用于有洁净、压力要求的洁净室领域，由于对应性强、控制清晰、方法简单，具有较强的适用性。

（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II B2 型生物安全柜是否开启，与其相关联的排风量（与房间排风口切换）恒定。定送是保持核心工作房间的送风量和换气次数满足设计规范的要求。变排是指Ⅱ B2 型生物安全柜排风采用 CAV 定风量系统，核心间一部分排风采用 VAV变风量阀，调节维持房间压差满足规范和设计要求。

因此，该模式下房间排风由两部分组成：1）Ⅱ B2 型生物安全柜排风与房间内对应的同风量（调试获得）高效排风口排风并联接人同一支干管，经定风量阀（CAV)接入总排风系统，此部分排风量恒定，且独立于房间排风，根据安全柜的启闭切换设在两个支管上的电动密闭阀；2）在各房间排风总管上设置变风量阀（VAV）房间设置对大气的压力传感器，根据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的要求。

当II B2 型生物安全柜开启时，该生物安全柜排风管上的电动密闭阀开启，与之对应的房间排风管上密闭阀关闭；反之，当ⅡB2 型生物安全柜关闭时，该生物安全柜排风管上的电动密闭阀关闭，与之对应的房间排风管上电动密闭阀开启。

在实际调试及运行过程中，为了更加稳妥地保证工祝转换时的绝对负压效果，两个对应电动阀门的控制逻辑往往并非同时反向工作，而是先将关闭的阀门开启，待两个阀门均处于完全开启状态后，再关闭另一个阀门。这样即可避免阀门反向操作时可能带来的瞬时负压风量变小的情况。另外，为了保证房间绝对压差和相对压差的平衡和稳定，房间排风管设置变风量 VAV 阀门，根据房间设置的压差要求来调节 VAV 开度，以满足ⅡB2 型生物安全柜启闭时对房间压差产生的微小波动，满足核心实验室运行的压差要求。

（2）比较优势分析

由于在该种方式下Ⅱ B2 型生物安全柜的开启和停止对房间内的压差变化只会产生很小的影响，因此本方案具有较高的稳定性，对于面积较小却具有 2台及以上Ⅱ B2 型生物安全柜的核心工作间更具适用性。整个系统在T B2 型生物安全柜启动和停止运行过程中，都能保证核心工作间送风量和压差梯度的平衡和稳定，避免生物安全柜开启时的风量调节报警和房间压差逆转报警。

相较于前几种方案，本方案减少了 VAV 调节阀门的数量，同时也降低了 VAV阀门型号规格，较为经济。阀门调节幅度较小，调整频次较低，不论是对 VAV阀门的投资还是对阀门的使用时间都有益处，更主要是能很好满足核心工作间各种工况的切换要求。

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