高等级生物安全实验室中ⅡB2型生物安全气流控制模式研究

关键词 ⅡB2型生物安全柜 生物安全实验室 压力逆转 变风量（VAV） 定风量（CVA）

引言

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内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，国家规范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内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。

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的管道排至室外。目前国内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。

▲图1  ⅡB2型生物安全柜工作原理示意图

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]，国内常见设备厂家提供的数据为500~800 Pa不等。

笔者对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）时段内是恒定的，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。

SA 送风  EA 排风  ED 电动密闭阀

▲图2  变送定排模式系统原理示意图

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范围。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范的要求，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范要求，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。

▲图3  定送变排模式系统原理示意图

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。

CAV-T 双稳态定风量阀

▲图4  变送（双稳态）变排模式系统原理示意图

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。

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，而安全柜启停时室内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。

3.1  排风量不足，安全柜无法正常启动

生物安全柜开启时报警，排风量无法达到安全柜最低风量，设备无法正常开启。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的阻力、阀门等情况。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，但根据现场检测，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、阀门等的沿程和局部阻力，显然风机压头已无法满足系统要求，排风量无法达到额定值，导致设备无法开启，最终以更换风机作为解决方案。

如报警持续一段时间后停止，则说明系统总排风量能够满足要求，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，排风量达到了设定值，这种情况需要现场调试送、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。

3.2 切换时出现压力逆转

该类情况是实际工况转换过程中出现最多的一种。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，实验室出现绝对压力逆转；当工况转换过程中核心工作间负压风量与其相邻的缓冲间负压风量不匹配时，会出现相对压力逆转。这2种逆转，尤其是绝对压力逆转，大大增加了实验室使用中的生物安全风险，均为检测部门和中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可时的现场主要考察项目。各项目安全柜启闭时工况转换现场检测的压力逆转情况见表2。

从表2可以看出，逾80%的实验室工况转换时存在不同程度的压力逆转情况，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逆转时间控制在1 min内，无法根本解决相对压力的逆转问题。

3.3  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度收缩膨胀，对目前主流的彩钢板围护结构而言极易产生破坏性后果。

3.4 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ⅡB2型生物安全柜或一个系统内多个核心工作间均设有ⅡB2型生物安全柜，同时启停多台ⅡB2型生物安全柜时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。

4.1  阀门的预设动作和快速响应

不论何种控制模式，如在安全柜启闭过程中出现送风量大于排风量的情况，则会出现压力逆转；如出现排风量远大于送风量，则会出现房间瞬时绝对负压值过大的情况。因此，送、排风阀在安全柜启闭过程中的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。由表2可以看出，送风变化往往导致压力逆转，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。如控制不当，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2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。表3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。

表2同时对阀门响应不及时的情况做出了统计，可以看出阀门的响应速度对工况顺利转换有决定性作用。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问题，个别项目甚至由于无法解决绝对逆转问题而更换快速阀门。目前国内常用的主流定、变风量控制阀为蝶阀和文丘里阀2种类型。蝶阀通常采用“测量—比对—执行”的闭环控制方式，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）。笔者认为，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，但应选择快速响应阀门，根据现场实测经验来看，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力逆转情况。在调试过程中，应通过设置合理的阀门动作顺序和缩短阀门响应时间来保证核心工作间不出现绝对压力逆转，而核心工作间与其相邻缓冲间的相对压力逆转，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型生物安全柜开启）时实测压力记录见表4。

从表4可以看到，在生物安全柜开启过程中，均出现绝对和相对压力逆转，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：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。最终将变风量阀更换为响应时间不超过1 s的快速阀，并对系统送排风控制系统重新进行了调试，才同时解决了相对和绝对压力逆转。2周后重测结果见表5。

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过程中避免出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，良好的安全柜操作习惯对系统的稳定性也有一定影响。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，如果启闭时间足够的长，让波动风量带来的压差影响慢慢被抵消，则系统稳定性将大大提高。这要求使用人员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，安全柜保持部分排风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”[6]，但并未规定当房间设有明确的排风口和排风量时，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推出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，所谓的安全柜关闭状态，其实质是安全柜自带的顶部引风机关闭，保证不会有气体外溢，整个安全柜可以理解为一个负压排风通道。

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，其在非开启状态（低态）时亦保持1 000 m3/h的排风量，则当安全柜开启达到工作状态时的波动风量仅为500 m3/h，相对于将生物安全柜从完全关闭状态开启所带来的1 500 m3/h的波动风量要小得多，系统的稳定性大大增强。当然该方法也存在降低生物安全柜高效过滤器使用寿命的缺点。一个极端的做法是，永远保持生物安全柜的开启状态，仅和实验室系统同步启闭，这样就不存在工况转换问题。只要系统运行是稳定的，所有和安全柜相关的环节就是稳定的。这种做法会大大增加安全柜内风机、高效过滤器等重要组件的消耗，缩减使用寿命，同时能耗永远处于最高状态。采用较高代价来回避问题，不是一个应该被提倡的解决思路。

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，风量变化是压力波动的最大因素。因此，在工况转换时如何降低甚至消除波动风量并配以成熟稳定的控制程序，是保证ⅡB2型生物安全柜气流稳定的最根本途径。这里结合笔者团队多年来设计和检测的工程实践经验，提出定送变排、安全柜排风等量切换控制模式。该模式目前在国内生物安全实验室已被少量采用并逐步被人们所接受，而通过电动阀控制，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制药、军工等有洁净度、压力要求的洁净室领域，由于对应性强、控制清晰、方法简单，具有较好的适用性。

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型生物安全柜是否开启，与其相关联的排风量（与房间排风口切换）恒定。

因此，该模式房间排风由两部分组成：

1）ⅡB2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入同一支干管，经定风量阀接入总排风系统，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2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，房间内设置压力传感器，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。系统原理如图5所示。

▲图5  定送变排、安全柜排风等量切换模式系统原理示意图

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

在实际调试及运行过程中，为了保证工况转换时的绝对负压效果，2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2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阀，根据房间的压差要求来调节VAV阀开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生的微小波动，满足核心工作间运行的压差要求。

图6为笔者团队设计的东北地区某三级生物安全实验室项目中一间设有ⅡB2型生物安全柜的核心工作间排风接管图。该项目的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，采取了定送变排、安全柜排风等量切换控制模式。

1 与安全柜切换的房间高效排风口  2 ⅡB2型生物安全柜  3 生物安全柜排风  4 定风量阀  5 接排风机组  6 变风量阀  7 房间高效排风口  8 切换电动阀

▲图6  东北地区某三级生物安全实验室排风接管平面图（局部）

如图6所示，该项目单设2个与生物安全柜排风量相当的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。生物安全柜与其对应高效排风口通过电动启闭阀进行等风量切换。系统稳定运行或生物安全柜启闭切换过程中，房间压力的波动通过设置在房间排风支干管上的变风量阀根据房间压力传感器进行调节。由于等量切换所产生的风量实际变化较小（理论上应该没有变化），因此在实际调试过程中，大大降低了调试难度，保证了工况转换时系统压力的稳定。

4.3.2  优势分析

由于在该种控制模式下ⅡB2型生物安全柜的启闭对房间内的压差只会产生很小的影响，因此具有较高的稳定性，对于面积较小但具有2台及以上ⅡB2型生物安全柜的核心工作间更适用。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力逆转报警。

与其他几种控制模式相比，该控制模式虽然增加了高效排风口数量，但同时也减少了VAV阀的数量，并减小了VAV阀的型号规格，因此在经济性上并没有明显变化。另外，阀门调节幅度较小，调整频次较低，不论对VAV阀的投资还是对阀门的寿命都有益处。更主要的是能满足核心工作间的各种工况切换要求。通过提高系统稳定性来降低不同工况转换过程中的高风险概率，是实验室用户乐于接受的思路，毕竟对于高级别生物安全实验室而言，安全平稳运行最重要。

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，但也均有不足。送、排风阀的控制逻辑及其执行速度和响应时间不合理是工况转换时出现压力逆转的主要原因和控制难点。

2）合理预设阀门动作顺序、采用快速响应阀门、保持安全柜一定的排风量及制定合理的安全柜操作规程等均可一定程度优化或解决安全柜启闭时压力逆转问题。

3）对于围护结构严密性较高的实验室而言，风量变化是造成压力波动的最大因素。因此，在工况转换时如何降低甚至消除波动风量并配以成熟稳定的控制程序，是保证ⅡB2型生物安全柜气流稳定的最根本途径，也是定送变排、安全柜排风等量切换模式的控制理念。

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