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生物安全实验室暖通空调系统设计要点

文章出处:www.sdyechuang.cn 人气:发表时间:2019-12-28 17:06

近年来,P3生物安全等级实验室已在各地建成,许多项目已投入使用。由于生物安全实验室特殊的高生物危害性,无论系统是否正常运行或发生故障,都必须始终保证实验室内必要的负压,以保证生物安全柜等重污染实验设备相对于实验室保持必要的负压,从而避免生物污染的泄漏,保证操作人员的安全。因此,确保系统24小时处于安全状态是设计者和建造者的一项重要任务。根据生物安全实验室暖通空调系统的故障状况,从系统安全运行要求的角度阐述暖通空调自动控制系统的设计原则。

1 与设计相关的主要运行故障

1.1 送风系统故障

由于排气系统的强有力保证,从故障发生到人员安全疏散期间,尽管室内会有很高的负压,但始终可以保证生物安全柜不会相对于室内处于正压或实验室内处于正压。

1.2 各类风量及压力传感器故障

传感器出现故障后,错误信号的传输将导致系统违背设计者的意愿运行。因此,设计者和建造者需要熟悉各种传感器的性能,选择性能匹配、质量稳定可靠的传感器。传感器的响应特性往往容易被忽略,使得调试结果偏离设计值。这对设计师来说尤其重要。

1.3 排风系统故障

排气扇或排气扇逆变器的故障对整个系统是致命的。因此,通风生物安全系统实验室必须配备备用排气扇和备用排气扇逆变器。然而,在细节上,仅仅有一个备用的排气扇或变频器是远远不够的。生物安全实验室的高生物危害性要求在实验室白天的工作状态下,实验室的正压不允许为偶数1s,生物安全柜相对于实验室的正压不允许为偶数1s。这就对暖通空调和暖通空调自动控制系统设计提出了更高的要求,即当排气扇或排气变频器出现故障时,系统自动切换到备用排气扇和备用排气变频器时,如何保证实验室柜相对于房间的负压和生物安全。

排气扇逆变器最严重的故障是停止排气扇。由排气风扇故障或排气风扇逆变器故障引起的排气风扇停机统称为排气系统停机故障。

2 排风系统停机故障、排风设备自动切换时,避免房间出现正压的设计原则

以实验室中的P3生物安全实验室为例,阐述了设计原则。本项目采用可编程控制器控制系统,只有一个实验室。实验室的排气系统和生物安全柜排气系统共用一个排气系统。

2.1 排风系统停机故障瞬间分析

首先,假设生物安全实验室暖通空调和暖通空调自动化系统设计如下。

1)当排气系统关闭且排气设备自动切换时,不采取措施避免室内正压。

2)收集排气系统故障信号是惯例,即设置气流开关。当排气管中的空气量接近零时,流量开关向控制中心发送开/关信号,报告排气系统的停机故障。

基于上述假设,模拟排气系统停止时的生物安全状况实验室。实验记录表明,排气系统停止后,实验室在4秒内有正压。控制中心感觉排气系统的停机故障大约在10秒后。

该数据是本例的测量数据,不同项目之间会有差异。因此,可以看出,在故障发生后的很短时间内(约4秒),房间内出现:

1)正压。主要原因是为了生物安全实验室,为了确保室内负压的供气量和排气量之间的差异(这里的排气量指的是室内加上实验设备的总排气量)已经非常小,大约为每小时10到120 m3。在排气系统关闭故障的情况下,室内的排气量可以在1到2 s内减少120 m3。因此,尽管4s仅仅是第四个实验室的测试数据

2.2 避免房间出现正压的设计思路

从上面可以看出,为了避免室内出现正压,必须采取两个步骤:

1)使控制中心在最大快速度时检测排气系统的停机故障。

2)使控制中心和控制执行系统在快速度采取措施,避免正压。

对于本例,上述两个步骤必须在4秒内完成。

2.3 避免房间出现正压的技术措施

本例采用了以下措施。

1)排气歧管上设计了一个响应速度快的风量传感器,专门用于判断排气系统的停机故障。用于判断排气系统停机故障的排气容积被设置在较高的水平,这不会导致控制中心误判故障,但也使得控制中心能够在不到2s的时间内感测排气系统停机故障。该空气量传感器不同于排气歧管上设计的另一个空气量传感器,后者具有较慢的响应速度和较好的抗湍流性。后者主要用于实现前者无法考虑的室内压力稳定性问题(关于在同一排气歧管上设计两个性能完全不同的风量传感器,笔者打算再写一篇文章介绍)。

2)供气系统主管道上设计了一个可完全关闭的电动蝶阀。阀门采用响应速度为115秒的执行器,使控制执行系统在不到2秒的时间内快速切断系统的供气,有效避免室内正压。

此外,结论对其他措施是否定的,如尽快减少供气量(包括风机变频控制)以及使用定风量阀能否保证房间负压。如果鼓风机变频控制的速度无限增加,这相当于迫使鼓风机立即关闭。然而,即使如此,鼓风机必须经历的停机时间也不能满足上述步骤2)中快速响应速度的要求。生物安全实验室要求各种排气实验设备具有负压,排气系统采用可变风量阀,供气系统采用恒定风量阀。恒定空气量阀的功能是固定空气供应量,而不是将空气供应量从010减少到10007,这正好相反。作者在调试过程中对上述两种方法进行了测试,测试结果证明它们是不可行的。当模拟排气系统的停机故障时,房间将迅速经历正压。

3 结论

通过采取上述措施,通过切断电源模拟排气系统的停机故障和排气设备的自动切换,完全避免了室内的正压。2004年底,该项目通过了美国专业检测组织的检测。

需要补充的是,在本项目调试实验中观察到,备用排气扇在故障发生后约2s从控制中心收到指令后立即启动,启动后达到设定的排气量。在此期间,由于供气主管道的蝶阀同时关闭,房间需要经历相对较大的负压状态。之后,供气主管道蝶阀开启,系统从振荡到稳定需要较长的恢复时间,前后约需10 ~ 15分钟。调试期间,发现实验室各有不同的特点。即使相同的实验室使用具有不同特性的空气量传感器,恢复时间也会不同。然而,这属于自动调试的范畴,不能纳入暖通空调设计理论。无论负压大还是由于排气系统停机故障导致振荡,切换到备用排气系统初始状态,都会导致系统短期混乱,但始终没有正压,符合生物安全实验室安全运行的要求。DDC控制系统或实验室的多个P3或P4生物安全实验室可采用相同的设计原则。但是,应注意供暖和通风系统的划分,即实验室房间的通风系统和实验设备的通风系统(如生物安全01