中國建筑科學研究院有限公司 陳方圓 曹國慶 

       【摘  要】對高等級生物安全實驗室房間氣密性的兩種檢測方法進行了理論分析，得出兩種測試方法空氣泄漏率計算公式的一致性，指出壓力衰減法比恒壓法測試對于判定房間氣密性更嚴格，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有高等級生物安全實驗室現(xiàn)場氣密性的測試數(shù)據(jù)對理論分析結(jié)果進行了驗證。

       【關(guān)鍵詞】生物安全實驗室、房間氣密性、恒壓法、壓力衰減法、泄漏率

Abstract:The paper analyzes the two methods for the test of high level biosafety laboratory room tightness, and obtains the rate of air leakage consistency calculation formula and which method to determine the air tightness of the room is more stringent. In accordance with the present test data of the existing higher biological safety laboratory site tightness of theoretical analysis the results are verified, the two conclusions coincide.
Keywords:High level biosafety laboratory; Air tightness of room; Pressure decay method; Constant pressure method; Leakage rate

0 引言

       隨著科學技術(shù)的發(fā)展，我國在醫(yī)藥、科研、生產(chǎn)及實驗等領(lǐng)域?qū)ι锇踩珜嶒炇业氖褂迷絹碓綇V泛。生物安全實驗室是通過防護屏障和管理措施，達到生物安全要求的微生物實驗室和動物實驗室^[1]。其中，大動物三級生物安全實驗室和四級生物安全實驗室（以下簡稱“高等級生物安全實驗室”）是生物安全防護要求十分嚴格的實驗室，所涉及的病原微生物通常能引起人或動物的嚴重疾病，并具有極強的傳染性，對感染一般沒有有效的預防和治療措施。防止該類實驗室內(nèi)病原微生物向周圍環(huán)境擴散是確保該類實驗室生物安全的關(guān)鍵，而實驗室圍護結(jié)構(gòu)氣密性是實驗室與外界環(huán)境隔離的物理基礎(chǔ)，是生物安全可靠性的重要保證^[2]。

本文對高等級生物安全實驗室房間氣密性的兩種不同檢測方法進行了對比分析，得出不同方法的空氣泄漏率計算公式的一致性以及哪種方法對于判定房間氣密性更嚴格，并根據(jù)國內(nèi)目前現(xiàn)有高等級生物安全實驗室現(xiàn)場氣密性的測試數(shù)據(jù)進行了驗證。

1 氣密性要求

       GB 19489-2008《實驗室生物安全通用要求》^[3]（以下簡稱GB 19489）和GB 50346-2011 《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》^[1]（以下簡稱GB 50346）對高等級生物安全實驗室各區(qū)域氣密性有嚴格的規(guī)定，就測試方法而言分為恒壓法及壓力衰減法兩種，見表1所示。

2 氣密性測試原理

       2.1 恒壓法

       采用恒壓法進行實驗室氣密性測試時，將房間的負壓維持在恒定值（250Pa），使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計測試真空泵或排風機的流量，如圖所示。

       按式（1）計算房間圍護結(jié)構(gòu)的小時空氣泄漏率^[3]：

       

       式中，T_f—為房間圍護結(jié)構(gòu)的小時空氣泄漏率；

                Q —真空泵或風機的流量，m³/h；

                V—房間內(nèi)的體積，m³。

       2.2 壓力衰減法^[3]

       采用壓力衰減法進行實驗室氣密性測試時，先使房間與室外達到500Pa的負壓差。壓差穩(wěn)定后關(guān)閉房間與真空泵或排風機之間的閥門，連續(xù)記錄房間的壓差和溫度至少20min，如圖2所示。

       壓力衰減法的小時泄漏率按照EJ/T 1096-1999 《密封箱室密封性分級及其檢驗方法》^[4]中的小時泄漏率計算所得，具體公式如式（2）所示。

      

       式中：T_f——壓力衰減法測試所得小時泄漏率，%；

                 t——檢驗持續(xù)的時間，min，一般取20；

                P₁——初始時的室內(nèi)絕對壓力，Pa；

                P_t——t時刻的室內(nèi)絕對壓力，Pa；

                T₁——初始時的絕對溫度，K；

                T_t——t時刻的室內(nèi)絕對溫度，K。

       2.3 對比分析

       恒壓法和壓力衰減法均用于測試房間的氣密性，其原理都是通過測試數(shù)據(jù)得到房間的小時泄漏率，即每小時房間泄漏的空氣量占房間體積的比率。兩種方法同根同源，公式（2）是由氣態(tài)方程代入公式（1）后轉(zhuǎn)換得出的。

       房間泄漏的空氣量=終止時房間空氣量-初始時房間空氣量

       初始狀態(tài)下：P₁V₁=m₁rT₁,終止狀態(tài)下：P₂V₂=m₂rT₂

       房間泄漏的空氣質(zhì)量：

       房間泄漏的空氣體積：

       則小時泄漏率為：

        

       式中，ΔF——檢測持續(xù)時間內(nèi)房間泄漏的空氣量，m³。

       在房間氣密性的測試過程中，隨著時間的變化，房間壓力也在變化，因此室內(nèi)外壓差ΔP與時間t有一定的對應關(guān)系，即每一時刻都對應一個壓差。假定室內(nèi)溫度不變，則房間在不同的壓力下有不同的泄漏量，泄漏量q是壓差ΔP的函數(shù)，即q=f(ΔP)。

       恒壓法在測試過程中維持壓力恒定在-250Pa，因此理論上來說房間的泄漏量為一定值；壓力衰減法在測試過程中壓力由500Pa開始逐漸降低，因此房間在不同壓力下有不同的泄漏量。綜上，泄漏量q是時間t的函數(shù)，即q=f(t)（如圖3所示）。

       從圖3中可知，壓力衰減法的測試過程中必然有一個時刻t_A對應的壓力為-250Pa，此時對應的泄漏量為q_A，即恒壓法測試時的泄漏量。因為不同圍護結(jié)構(gòu)特性的房間壓力衰減的快慢不同，所以tA可能出現(xiàn)在20min之后，也可能出現(xiàn)在20min之內(nèi)。當出現(xiàn)在20min之后時，根據(jù)GB 50346中壓力衰減法的要求，說明房間氣密性合格；同理，當出現(xiàn)在20min之內(nèi)時，說明房間氣密性不合格。

       恒壓法測試時的泄漏量為一定值，即q_A，那么恒壓法的小時泄漏量為Q_A=60q_A，對應圖4中的陰影面積A。壓力衰減法測試時的泄漏量為一變值，在測試時間20min內(nèi)的泄漏量為Q´_B=∫₀²⁰qdt,，則小時泄漏量為Q_B=3Q´_B，即圖4中的陰影面積B。對比恒壓法和壓力衰減法的泄漏率，即對比面積A和面積B的大小，由于A=3A’，B =3B’，因此對比面積A’和面積B’即可（如圖5所示）。

       從圖5（a）可以看出：當tA出現(xiàn)在20min之后時，面積B’必定大于面積A’，即對同一房間，壓力衰減法得到的泄漏率大于恒壓法得到的泄漏率，那么在同樣的評定標準下，若壓力衰減法測試結(jié)果合格，恒壓法測試結(jié)果必定合格。

       相反，從圖5（b）可以看出：當tA出現(xiàn)在20min之內(nèi)時，面積B’不一定大于面積A’，說明壓力衰減法測試結(jié)果不合格時，恒壓法測試結(jié)果有可能合格。由此可知，壓力衰減法較恒壓法嚴格。

3 實測數(shù)據(jù)的對比

       在進行高等級實驗室檢測過程中，對若干房間進行了氣密性的測試，圖6為所測房間的壓力隨時間變化的曲線圖。從圖中可看出，隨著時間的推移，房間的壓力變化量越來越小。

       此外，對某單位的大動物三級生物安全實驗室中的四間房間進行了兩種方法的檢測，通過公式（1）和公式（2）計算得到同一房間在不同檢測方法時的泄漏率，見表2所示。

       從表2中可看出：

       （1）壓力衰減法過程中，緩沖與過廳的-250Pa均出現(xiàn)在20min之內(nèi)，均不滿足GB 50346的要求，但兩者的恒壓法測試結(jié)果均滿足GB 50346的要求。

       （2）雖然緩沖與過廳的-250Pa均出現(xiàn)在20min之內(nèi)，但緩沖的恒壓法泄漏率大于壓力衰減法泄漏率，過廳的恒壓法泄漏率小于壓力衰減法泄漏率，說明此時無法判斷兩種方法計算的泄漏率大小。

       （3）壓力衰減法過程中，實驗室與解剖間的-250Pa均出現(xiàn)在20min之后，均滿足GB 50346的要求，兩者的恒壓法測試結(jié)果也均滿足GB 50346的要求。

       （4）實驗室與解剖間的-250Pa均出現(xiàn)在20min之后，壓力衰減法計算得到的泄漏率均大于恒壓法計算得到的泄漏率。

       綜上，驗證了本文2.3中的理論推導結(jié)果。

4 探討

       4.1 測試原理及方法

       恒壓法和壓力衰減法的原理相通，均為測試房間在一定的壓力下泄漏的空氣量；泄漏率計算公式具有一定的相似性，均為一定壓力下泄漏的空氣量占房間體積的比值。

       兩種方法也有一定的不同之處：一是測試參數(shù)不同，恒壓法測試的是小時泄漏量，壓力衰減法測試的是一段時間內(nèi)房間壓力的變化；二是測試條件不同，恒壓法測試時，為維持房間壓力為-250Pa而保持房間有一定的機械排風，壓力衰減法測試時，切斷所有機械送排風，使房間壓力隨圍護結(jié)構(gòu)泄漏而逐漸衰減。

       4.2 氣密性評定標準

       在同樣的評定標準下，若500Pa壓差下半衰期為20min的壓力衰減法測試結(jié)果判定為合格，則恒定壓力為-250Pa的恒壓法測試結(jié)果必定判定為合格；相反，500Pa壓差下半衰期為20min的壓力衰減法測試結(jié)果判定為不合格時，恒定壓力為-250Pa的恒壓法測試結(jié)果卻有可能判定為合格。

       由此可知，500Pa壓差下半衰期為20min的壓力衰減法較恒定壓力為-250Pa的恒壓法嚴格。

5 結(jié)論

       5.1恒壓法和壓力衰減法作為高等級生物安全實驗室房間氣密性的兩種不同檢測方法，其測試原理相近，空氣泄漏率計算公式具有互相推導性。

       5.2 理論計算及實踐結(jié)果均表明壓力衰減法比恒壓法測試對于氣密性的要求更嚴格，在進行實驗室氣密性測試時，可以采用操作更簡便的壓力衰減法代替恒壓法進行驗證。

參考文獻：

       [1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局． GB 50346-2011．生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范［S］．北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2011．
       [2] 曹國慶，王榮，翟培軍．高等級生物安全實驗室圍護結(jié)構(gòu)氣密性測試的幾點思考[J].暖通空調(diào)2016，46（12）：74-79
       [3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會．實驗室生物安全通用要求GB 19489-2008［S］．北京: 中國標準出版社，2008．
       [4] The Intenational Organization for Standardization. ISO Standard 10648-2 Containment enclosures —part 2: classification according to leak tightness and associated checking methods[S].[2014-110-11]. Swizerland: The International Organization for Standardization., 1994.
       [5] Iain S. Walker David J. Wilson** and Max H. Sherman*A comparison of the power law to quadratic formulations for air infiltration calculations[J] Published in Energy and Buildings，1997，27（3）.

       備注：本文獲評為第21屆暖通空調(diào)制冷學術(shù)年會青年優(yōu)秀論文，收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學術(shù)年會文集）。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。