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技术导航 | 平疫结合医用PCR实验室空调系统设计探析

   日期:2021-11-11     浏览:834    
核心提示:一个空调通风系统完善配置的病毒检测实验室,在保护医护人员的同时,又能阻止有害病毒外泄,对疫情防控有重要作用
 

小代君说

引言

在2020年抗击新冠疫情的防治工作中,武汉金银潭医院检验科的检验师并不直接接触病人,只是做化验和测试,却仍有许多人感染新冠病毒(属于参照甲类传染病采取预防、控制措施的乙类传染病)。可见烈性呼吸道传染病病毒检测样本中的气溶胶亦具有强烈的传染性。常规医院传统病毒检测实验室的压力梯度要求及空调通风系统设置,并不能在检测烈性呼吸道传染性病毒时,对医护人员提供完备的保障。一个空调通风系统完善配置的病毒检测实验室,在保护医护人员的同时,又能阻止有害病毒外泄,对疫情防控有重要作用。

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//工程概况

医院的病毒检测,是在PCR实验室(PCR实验室即临床基因扩增检验实验室,是指通过扩增检测特定的DNA或RNA,进行疾病诊断、治疗监测和预后判定等的实验室[1])进行。医院检验科室一般仅配置一个PCR实验室,故平疫结合的PCR实验室空调通风系统显得十分重要。为积极应对新冠病毒肺炎疫情防治工作,对某建设中医技大楼的PCR实验室进行了重新设计,升级建造,以满足平疫结合的要求。

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//PCR实验区空调室内设计参数的确定

标准PCR组合式实验室依工作流程包括4个分区:试剂储存和准备区(Ⅰ区)、标本制备区(Ⅱ区)、扩增反应混合物配置和扩增区(Ⅲ区)、扩增产物分析区(Ⅳ区),再辅以各区缓冲间及内走廊,构成一个完整的PCR实验区(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区均符合生物安全二级实验室的相关要求[1])。合理的建筑功能分区、专用设备联控装置、压力梯度、气流组织及通风控制策略,是避免PCR实验的试剂及样本受污染,造成假阳性检测结果的重要保证。

 

根据相关要求,标本制备区:“可通过在本区内设立正压条件避免从邻近区进入本区的气溶胶污染”;扩增区:“可降低本区的气压以避免气溶胶从本区漏出”;扩增产物分析区:“采用负压条件或减压情况下(如安装排风扇)可减少扩增产物从本区扩散至前面区域的可能性”,可知PCR实验室工作流程为单向流线传递,空气流向亦为严格的单一方向,平时(非疫时)具体压力梯度要求为I区(10Pa)→Ⅱ区(8Pa)→Ⅲ区(-10Pa)→Ⅳ区(-15Pa),如见图1所示。根据规范[2][3]规定,出于减少对工作人员和环境污染的考虑,疫情状况下,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区空调通风系统均以符合加强型医学BSL-2实验室要求设置,疫时具体压力梯度要求为I区(10Pa)→Ⅱ区(-10Pa)→Ⅲ区(-15Pa)→Ⅳ区(-20Pa),如图1所示。综合各规范要求,得出PCR实验区平时(疫时)空调室内设计参数表,如表1所示。



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//PCR实验区空调通风设计

由于建设成本和运行成本的原因,传统医用PCR实验室一般并不采用洁净空调系统,没有洁净度、最小换气次数及最小压差等要求。该项目考虑平疫结合的需求,疫情期间参照加强型医学BSL-2实验室设置,该PCR实验区满足8级洁净度等级(10万级)要求,采用全新风模式净化空调系统,如图2所示。


3.1 空调系统设计

采用两管制全新风变频净化空调机组,新风经热、湿处理及粗、中、高三级空气过滤后送入室内。第一级粗效(C4)设置在空调机组的新风入口处;第二级静电光催化中效(Z3)设置在空调机组出口处;第三级高效送风口(A类)设置在送风系统末端(实验室吊顶)。

 

实验区设置带粗、中、高三级空气过滤系统的全面排风系统。室内排风口设置于房间底部,且在排风口设置高效过滤器(排风口前设板式初效过滤器以保护末端高效过滤器(B类),延长其寿命),变频排风机组(带粗效(C4)及静电光催化中效(Z3))设于屋面构架层。

3.2 局部排风设计

标本制备区(Ⅱ区)设有一台Ⅱ级B2型生物安全柜(100%外排),对应独立设置变风量新风系统,补风量按生物安全柜排风量取值,避免安全柜使用导致室内压力变化。

3.3 气流组织及压差控制

PCR各实验室的气流组织均采用上送下排的方式,高效过滤器排风口设置在室内被污染风险最高的区域,无障碍单向布置,使室内气流停滞降低到最小程度。高效送风口不设置在生物安全柜操作面等有气溶胶产生的操作点上方,避免气溶胶扩散。

 

根据设计要求的压差值,参照《洁净厂房设计规范》(GB 50073-2013)中的缝隙法计算,求得维持房间压差的房间渗透风量。Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ区属于负压核心区,对应区域的排风支管设置变风量文丘里阀,通过压差控制器实时测量实验室与缓冲间之间的实际压差,与设定值做比较,反馈信号调节风阀动作并联动屋面变频排风机组调节排风量,闭环控制要求阀响应时间小于1s,风量平衡相对时间小于3s,从而实时控制核心房间的压差值。

3.4 平疫结合

各房间的送风量平疫工况相同,采用定风量阀恒定各房间送风支管的送风量。各房间排风支管均采用变风量文丘里阀,设定平疫两种工况点的排风量,疫情时排风支管的变风量文丘里阀切换至疫情工况点,变频调节排风机组,加大排风量,使各实验区域的压力值达到图1的要求,满足平疫转换的使用要求。

3.5 空调负荷、送/排风量设计

Ⅰ区:空调冷负荷约2.5kW,送风量按25次/h设计,取470m³/h;考虑缝隙压差风量后,平时排风量取420m³/h;疫时排风量取380m³/h。

I缓:送风量按12次/h设计,取100m³/h;平时(疫时)排风量取180m³/h。

 

Ⅱ区:空调冷负荷约5.5kW,送风量按25次/h设计,取970m³/h;考虑缝隙压差风量后,平时排风量取880m³/h;疫时排风量取1050m³/h。

Ⅱ缓:送风量按12次/h设计,取150m³/h;平时排风量取220m³/h;疫时排风量取135m³/h。

 

Ⅲ区:空调冷负荷约3kW,送风量按25次/h设计,取550m3/h;考虑缝隙压差风量后,平时排风量取580m³/h;疫时排风量取610m³/h。

Ⅲ缓:送风量按12次/h设计,取100m3/h;平时排风量取85m3/h;疫时排风量取70m³/h。

 

Ⅳ区:空调冷负荷约5.5kW,送风量按25次/h设计,取950m³/h,考虑缝隙压差风量后,平时排风量取1020m³/h;疫时排风量取1030m³/h。

Ⅳ缓:送风量按12次/h设计,按150m³/h;平时排风量取120m³/h;疫时排风量取110m³/h。

 

PCR实验区理论计算新风总送风量3440m³/h,平时排风量3505m³/h,疫时排风量3565m³/h。考虑一定余量,配置4000m³/h风量,70kW制冷量的八排管变频新风机组;4200m³/h的变频排风机组。

3.6 部分配件的设计要点

在高效送风口前的支管段上,设置定风量文丘里阀,高效排风口后的支管段上,设置变风量文丘里阀(非负压核心区设置定风量调节阀),以保证高效过滤器全寿命周期内阻力逐渐变大情况下(初终阻压差150-250Pa)仍满足送、排风量的稳定,确保室内压力恒定。


B2类生物安全柜需配置高密闭性电动气密阀(泄漏率小于0.05%,详图3),并与安全柜连锁。避免安全柜关闭时,因室内的负压状态,安全柜排风管内气体倒流回室内。


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//系统控制

​4.1 送、排风系统启停连锁控制措施

排风机与送风机应联锁,应先启动排风机,再启动送风机。关停时,应先关闭系统送风机,再关闭系统排风机。送、排风机采用变频、手动调节措施。

4.2 局部排风应采用连锁控制措施

本PCR实验室的标本制备区设置一台Ⅱ级B2型生物安全柜(100%外排),安全柜自带低反应时间(响应时间小于1s)文丘里变风量排风阀,配置相应的变风量排风机。该排风阀应连锁对应设置的变风量新风补风系统(响应时间小于1s),确保补风量与排风量一致,不影响房间压差值。随着实验检测项目越来越多,实验室很可能在未来增设生物安全柜,应注意A、C类生物安全柜可以分类多台并联,设置相应的变频排风控制系统,确保多台生物安全柜之间的平衡;B类生物安全柜必须单台设置独立排风系统。该特殊点应特别提醒医院方,避免后期增设生物安全柜未配置相应的补风系统,导致整个PCR实验区压力失衡。


送、排风机组过滤器前后设置压差传感器,当压差数值超过设定值,传感器报警,进行相应设备更换。所有送排风机的开关,应由专门人员统一控制。

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//结语

升级改造后的空调通风系统设置,使PCR实验室可在疫情期间实现更高压差级别的实验房间的压力梯度,在PCR实验过程中试剂和样本免受污染的同时,减少对工作人员和环境的伤害。疫情过后,PCR实验室通过排风量调节,使各实验区域满足平时的压力梯度,也能满足正常时期PCR实验室需求,达到院方平疫转换的使用要求。

 

精准的设备管道密封施工、建筑围护结构的完善密闭性,调试正确的智能化控制系统,是PCR实验室建造的重点。带紫外线消毒灯的传递窗双窗连锁、实验区与对应缓冲间门电子互锁、压力梯度动态数显、空调通风系统可视化控制等数字化技术的综合应用,确保了PCR实验室的可靠安全。PCR实验室专业性强,系统控制要求高,需要专业人员负责实验室的维护及管理,方可保证实验室的高效、安全的运行。

 

本工程的实验室通过缝隙法计算后,若仅考虑最小压差的需求,各实验房间的全面通风换气的排风量约6-12次/h,对应新风量仅约3-8次/h;但Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ区的生物安全柜、离心机、水浴锅、PCR仪、电泳仪、电热板、消毒车等设备发热量较大,故PCR各核心实验室的空调送风换气次数为15-25次/h。本PCR实验室空调通风系统采用全新风模式净化空调系统,从避免交叉感染的角度看安全性高,但该系统能耗较高。PCR实验室非疫情时,是否可采用带回风箱的混风模式,采用部分新风的全空气系统,在疫情时关闭回风密闭阀门,设置平疫双排风机,满足平疫转换的要求,这种为PCR实验室空调通风设计可考虑的做法,值得广大暖通设计人员思考。

 

 

 
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