上海科仕控制系統(tǒng)有限公司       陳燁汀

摘   要：屏障環(huán)境實驗動物設施需要確保設施環(huán)境的潔凈度、房間壓差、溫度、相對濕度等最為重要的幾個參數(shù)，以保障實驗動物實驗質(zhì)量。而空調(diào)通風自控系統(tǒng)是確保其環(huán)境參數(shù)最為重要的環(huán)節(jié)，一個精確、高效、節(jié)能、合理的控制系統(tǒng)勢在必行。從一個屏障環(huán)境實驗動物設施空調(diào)通風控制系統(tǒng)實例，選用壓力無關性的文丘里閥結合差值風量重置控制方法對屏障環(huán)境實驗動物設施的室內(nèi)風量控制、壓力控制進行分享敘述。

關鍵詞：屏障環(huán)境實驗動物設施；風量控制；差值風量恒定；壓力控制；模式控制

       0   引言

       隨著國家對各領域創(chuàng)新的支持，在制藥領域，我國各大有實力的藥企從過往仿制藥逐漸紛紛開發(fā)具有自我知識產(chǎn)權的藥物，即創(chuàng)新藥物。但是，創(chuàng)新藥物因成分劑量，劑型及處方都存在很大的不確定因素。若直接用于臨床，在安全性方面并不能得到保障，增加患者受危害的風險。所以，采用實驗動物作為臨床前的研究尤為重要。

       近期，國內(nèi)相關藥企，高校及社會的科研機構都加大了對實驗動物生產(chǎn)、實驗設施的建設。在此情形下，我有幸參與到一家規(guī)模較大的實驗動物中心的建設中。

       目前，該實驗動物中心，已建設完成，符合國標，并將通過國際AAALAC認證，已經(jīng)通過省科技廳的現(xiàn)場驗收，并于2019年8月正式投入運營。

       實驗動物中心，投入運營后，中心單日最多可容納實驗猴380只，實驗犬230只，嚙齒類動物將容納15000只。用作創(chuàng)新藥臨床前研究，藥代動力學、藥效和毒理學研究。

       實驗動物中心，其飼養(yǎng)環(huán)境存在普通環(huán)境和屏障環(huán)境，今天我們以1個屏障環(huán)境設施分享我們對屏障環(huán)境環(huán)境參數(shù)指標控制的方法。

       實驗動物中心屏障環(huán)境的布局如圖1所示，此屏障環(huán)境設施是典型的兩側雙走廊型的布局，這種布局因其能避免清潔物品與污染物品交叉污染，同時也方便了人流與物流，是目前一種主流的屏障環(huán)境實驗動物設施的布局。

圖1   屏障環(huán)境實驗動物設施布局圖

       設施布局是控制污染的手段之一，而控制污染最重要的手段仍然是通過自控的手段，控制凈化區(qū)域所需的送風風量以及控制正確的壓力梯度。一個有效，合理的自控控制系統(tǒng)對實驗動物設施污染控制尤為重要。下述，是我們對風量控制與壓力控制的理解與實際應用。

       1   屏障環(huán)境實驗動物設施通風量控制策略

       1.1   屏障環(huán)境實驗動物設施通風量控制要點

       根據(jù)我國已頒布的國標GB 14952–2010《實驗動物環(huán)境與設施》要求，ISO7級的屏障動物生產(chǎn)區(qū)，檢疫區(qū)，實驗區(qū)及主要輔助功能區(qū)的最小換氣次數(shù)均為15次以上。

       但是，實際上在設計時各設計院會根據(jù)使用方提出的設施內(nèi)飼養(yǎng)動物的密度，及處理室內(nèi)的熱濕負荷需求的送風量以及潔凈度需要的換氣次數(shù)綜合考慮。

       本項目的屏障環(huán)境實驗動物設施其動物飼養(yǎng)室的環(huán)境,檢疫室的環(huán)境的換氣次數(shù)控制為20次，主要輔助功能區(qū)的換氣次數(shù)為15次，均高于規(guī)范要求的最小換氣15次，符合屏障環(huán)境實驗動物設施通風量與潔凈度的技術控制要求。

       結合屏障環(huán)境實驗動物設施環(huán)境技術指標對通風量，潔凈度有著嚴格的參數(shù)規(guī)范。考慮系統(tǒng)節(jié)能模式的運用和運行后高效過濾器堵塞帶來的問題。此屏障環(huán)境通風系統(tǒng)，我們在房間末端送風采用了壓力無關性的文丘里風量調(diào)節(jié)閥給與室內(nèi)送風量進行穩(wěn)定、準確的控制。同時，對于AHU凈化空調(diào)機組，我們采用以管道靜壓控制機組變頻的方法。在設定管道靜壓值時，我們對處在系統(tǒng)壓力最高點處的文丘里風量調(diào)節(jié)閥與最不利回路處的文丘里風量調(diào)節(jié)閥做了前后壓差的測試，以保證設定的壓力值能滿足系統(tǒng)中每一個文丘里風量調(diào)節(jié)閥的工作壓降需求，這個步驟是后面調(diào)試每個房間的送風風量的基本保證。

       在調(diào)試房間送風風量時，我們是從有最大送風風量需求的潔凈走廊開始調(diào)試，然后再輻射到每一個飼養(yǎng)室，檢疫室，污物走廊及更衣?lián)Q鞋等輔助房間。在房間送風風量調(diào)試的環(huán)節(jié)中，因送風末端采用文丘里風量調(diào)節(jié)閥的緣故以及前期管道靜壓設定控制的準備，我們進行的很順利，因文丘里風量調(diào)節(jié)閥的壓力無關特性，使得我們調(diào)試完一個房間送風風量后無后顧之憂，無需擔心已經(jīng)調(diào)試好的房間存在送風風量變化的情況；對于整個屏障環(huán)境從我們第一遍開始調(diào)試送風風量，到第三遍復測送風風量結束，總共只用了半天的時間。

       1.2   屏障環(huán)境實驗動物設施的模式控制

       根據(jù)屏障區(qū)動物房實際使用以及節(jié)能的需求，我們采取了3種不同的運行模式，分別為正常工作模式，節(jié)能值班模式以及消毒清潔模式。

       在正常工作模式下，以屏障區(qū)動物房所要求的換氣次數(shù)進行控制，此時送風風量相對較大，以滿足在白天有工作人員在動物房進行操作時，環(huán)境的潔凈度，處理房間熱濕負荷的需求。

       節(jié)能值班模式，主要在夜晚及非工作日時，飼養(yǎng)區(qū)域內(nèi)無工作人員操作時，因人帶來的塵埃數(shù)及熱濕負荷減小，此時飼養(yǎng)房間以相對低的換氣次數(shù)（選取10~12次換氣）運行。以達到節(jié)能運行的目的。

       在以上兩種模式下，盡管房間的送風風量發(fā)生了變化，但保持房間正壓環(huán)境的風量差值一直維持不變。飼養(yǎng)室與相鄰房間的相對壓差仍保持≥10Pa。

       消毒清潔模式的控制，主要是控制送風末端與排風末端的電動密閉閥。在該模式下，送風電動密閉閥與排風電動密閉閥均處于關閉狀態(tài)。以保證在熏蒸消毒時，室內(nèi)空氣不外泄。在消毒完成后，根據(jù)要求，先打開排風電動密閉閥，延時后打開送風電動密閉閥。對應的先打開排風機組后打開空調(diào)機組，快速稀釋房間內(nèi)熏蒸藥水到來的氣味。

       因系統(tǒng)內(nèi)的送風末端及排風末端均采用調(diào)節(jié)式的變風量文丘里風量閥，所以除以上的模式外，可以有更多的房間換氣次數(shù)變化選擇，如一些飼養(yǎng)室處于空載情況時，在保證室內(nèi)壓差不變的條件下，可以降低更多的換氣次數(shù)，以達到節(jié)能的目的。

       2   屏障環(huán)境實驗動物設施壓力控制策略

       2.1   屏障環(huán)境實驗動物設施壓力控制要點

       在屏障環(huán)境動物飼養(yǎng)室，IVC籠架是主要的防護設施，飼養(yǎng)室房間作為二級防護屏障，根據(jù)我國已頒布的國標GB 14952–2010《實驗動物環(huán)境與設施》中實驗動物生產(chǎn)間的環(huán)境技術指標表規(guī)范，屏障環(huán)境相通區(qū)域的最小靜壓差≥10Pa；屏障環(huán)境設施輔助用房主要技術指標表規(guī)定潔凈走廊，污物走廊及更衣、消毒等輔助房間與相通區(qū)域的最小靜壓差≤10Pa；

 圖2   壓力梯度

       如圖2所示，結合此次項目為正壓屏障環(huán)境的雙走廊模式，其氣流方向根據(jù)工藝布局呈現(xiàn)出中間的潔凈走廊的壓力高于各飼養(yǎng)間的壓力，及各飼養(yǎng)間壓力又高于污物走廊的壓力的逐級遞減格局，不同功能區(qū)相對壓差≥10Pa。

       2.2   屏障環(huán)境實驗動物設施壓力控制方式

       目前凈化房間室內(nèi)的壓力控制存在幾種方式，有較為原始的手動調(diào)節(jié)法控制壓力，有初始的室內(nèi)壓差直接控制法，有較為穩(wěn)定的風量跟蹤控制法，和更為穩(wěn)定與先進的串級風量控制法。無論通過上述哪一種方法實現(xiàn)壓力控制，歸根結底都是以控制進入房間的風量與離開房間的風量，促使房間壓力達到正壓（或負壓）控制的目的。不同的是所選取的末端風量設備不同及控制的變量存在差異。

       在本項目中，我們在每個獨立的凈化房間均配置單獨的房間微壓差傳感器及壓力探測器，在潔凈走廊及污物走廊因長度較長的區(qū)域，我們每10m配置1個壓差測試點，根據(jù)現(xiàn)場潔凈走廊與污物走廊的長度需具有3個壓差測試點。所有房間的壓差均對準同一夾層環(huán)境測試絕對壓差。

圖3   房間控制圖

       此次我們對室內(nèi)壓差的控制采用最為先進的差值風量重置的控制法。如圖3所示，我們在飼養(yǎng)室的送風末端和排風末端均采用壓力無關特性的文丘里風量調(diào)節(jié)閥，以保證精確控制房間送風風量與排風風量，同時根據(jù)飼養(yǎng)室壓力要求與房間密閉性情況設定飼養(yǎng)室房間的風量差值，從而保證飼養(yǎng)室房間壓差的穩(wěn)定控制。若在房間圍護性結構（如門、傳遞窗）關閉情況下，若房間測試壓力與設定壓力存在較大偏差時，可通過風量差重置控制，實現(xiàn)房間壓差準確控制。

       在這里我要強調(diào)的是具有壓力梯度控制的環(huán)境，最主要的是找到基準點，基準點找對并控制好，對后續(xù)的壓力控制有著事半功倍的作用。對于此次的動物房，我們找的基準點是潔凈走廊，從布局上潔凈走廊是整個系統(tǒng)猶如主心骨的區(qū)域，潔凈走廊的壓力值要求也是整個系統(tǒng)較高的。所以，我們的首要目的是先控制好潔凈走廊的壓力。

       屏障區(qū)動物房的空調(diào)通風系統(tǒng)，從開機到對應的管道靜壓穩(wěn)定控制需要4min，所以在這4min內(nèi)，所有的末端風量控制閥均不動作是最好的選擇，以避免在不穩(wěn)定的靜壓條件下做出不正確的操作。空調(diào)通風系統(tǒng)的管道靜壓穩(wěn)定將作為末端風量設備是否開始控制的首要條件。

       2.3   屏障環(huán)境實驗動物設施室內(nèi)壓力測試效果

       嚴格按照國標GB 14952–2010《實驗動物環(huán)境與設施》的靜壓差測定方法在靜態(tài)環(huán)境，動態(tài)環(huán)境及開機情況下的壓力測試：

     （1）靜態(tài)環(huán)境下檢測室內(nèi)壓力控制效果

       靜態(tài)檢測指在潔凈實驗室動物設施空調(diào)送風系統(tǒng)連續(xù)運行48h以上，已處于正常運行狀態(tài)，工藝設備已安裝，設施內(nèi)無動物及工作人員的情況下進行檢測。^[1]

       圖4所示，我們選取其中測試10min的房間壓力測試數(shù)據(jù)。壓力控制穩(wěn)定準確，基本能控制在設定壓力±1.5Pa的幅度。

圖4   靜態(tài)狀態(tài)下的房間壓力趨勢圖

     （2）動態(tài)環(huán)境下檢測室內(nèi)壓力控制效果

       動態(tài)環(huán)境是指有人員進出的情況，我們在人流/物流/氣流走向布測試壓力點，對室內(nèi)壓力進行測定。

       在人員進出情況下，我們抽取一間房間的壓力記錄情況；我們分別對該房間的兩扇房間門在啟閉情況下，進行壓力的監(jiān)視如圖5，圖6所示。可以看到在人員正常進出且隨手關門情況下，室內(nèi)壓力隨即恢復正確值且控制穩(wěn)定；這主要在于我們選取的室內(nèi)壓力控制策略差值風量重置控制法在開關門的瞬間，不因無效的測量壓力變量而進行調(diào)節(jié)。若在開關門的過程中，門未被關閉，導致相鄰房間壓力梯度消失，壓力趨于一致，這種壓力變化過程出現(xiàn)3s后，上位機中控系統(tǒng)即發(fā)出壓力異常蜂鳴報警，提示值班管理人員及時進行檢查，若檢查房門與傳遞窗均關閉正常，值班管理人員可選擇手動進行風量差重置或根據(jù)設定延時進行自動風量差重置。

圖5   前室房間對潔凈走廊，在門的啟閉情況下房間壓力趨勢圖	圖6   前室房間對飼養(yǎng)室，在門的啟閉情況下房間壓力趨勢圖

     （3）開關空調(diào)通風系統(tǒng)情況下的室內(nèi)壓力控制效果

       開關空調(diào)通風系統(tǒng)指在重新開啟空調(diào)通風系統(tǒng)，室內(nèi)壓力是否能迅速恢復至設定壓力的測試。

       在重新開啟空調(diào)通風系統(tǒng)后，前4min是機組升頻率控制管道靜壓調(diào)整的過程，在系統(tǒng)管道靜壓控制穩(wěn)定后，房間能在3~5min內(nèi)即恢復室內(nèi)壓力的準確控制。這種迅速恢復室內(nèi)壓力的方式是采用通過空調(diào)通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)指令，作為末端文丘里風量調(diào)節(jié)閥的控制的條件。在空調(diào)系統(tǒng)為停止狀態(tài)時，房間末端的排風文丘里風量調(diào)節(jié)閥的開度為系統(tǒng)關閉時的最后停止位置；同時，在空調(diào)系統(tǒng)由停止狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)可促使風量差值重置程序初始化，在空調(diào)通風系統(tǒng)開啟后達到相應范圍的管道靜壓值，程序初始化開始執(zhí)行，延時10min（時間可設）后初始化程序關閉。其中，空調(diào)通風系統(tǒng)若滿頻率未達到管道靜壓時，上位機中控系統(tǒng)進行報警，所有末端文丘里風量調(diào)節(jié)閥均不動作；若10min后，仍存在室內(nèi)壓力偏離設定壓力的情形，上位機中控系統(tǒng)進行報警，值班管理人員進行檢查現(xiàn)場，檢查室內(nèi)圍護性結構及壓差監(jiān)測設備及文丘里風量調(diào)節(jié)閥，若均無問題情況下，值班管理人員可選擇手動進行風量差重置或根據(jù)設定延時進行自動風量差重置。同時需注意若自控系統(tǒng)中無門禁狀態(tài)信號上傳，則在重啟空調(diào)通風系統(tǒng)前，應先檢查現(xiàn)場的圍護性結構，如房門、傳遞窗是否處于關閉狀態(tài)，以保證重啟空調(diào)通風系統(tǒng)情況下，室內(nèi)壓力能有效有序控制。

圖7   重啟空調(diào)通風系統(tǒng)后房間壓力趨勢圖

       3   屏障環(huán)境實驗動物設施溫濕度控制策略

       3.1   屏障環(huán)境實驗動物設施溫濕度控制要點

       溫度、相對濕度作為飼養(yǎng)室環(huán)境的日常檢測參數(shù)，其重要性不言而喻。屏障環(huán)境動物飼養(yǎng)室要求溫度為20~26℃，最大日溫差≤4℃，相對濕度為40~70%。

       盡管其中IVC籠架是動物飼養(yǎng)的主要屏障環(huán)境，但是，IVC籠架系統(tǒng)其籠盒內(nèi)的溫濕度主要是受二級屏障環(huán)境飼養(yǎng)室的影響。

       3.2   屏障環(huán)境實驗動物設施溫濕度控制方式

       在此項目中，飼養(yǎng)室的溫濕度主要由凈化空調(diào)機組進行控制。考慮到項目建設在沿海區(qū)域，其相對濕度過高，所以在設計時考慮選用帶有轉輪除濕功能的凈化空調(diào)機組。

       在飼養(yǎng)室的末端排風管路上設置溫濕度傳感器，監(jiān)視飼養(yǎng)室室內(nèi)溫濕度（圖3所示）；同時在送風末端設有再熱裝置；設定飼養(yǎng)室環(huán)境所需的溫度，與飼養(yǎng)室實時監(jiān)視的溫度值進行比較，比例調(diào)節(jié)末端再熱裝置的水閥，以保持飼養(yǎng)室溫度的穩(wěn)定。

       在飼養(yǎng)室門口，我們設置就地觸摸屏，以顯示實時的室內(nèi)溫濕度，并在觸摸屏內(nèi)設置參數(shù)的報警上限與報警下限，當實時的溫濕度值超出上下限范圍時，就地觸摸屏實現(xiàn)聲光報警進行提示。

       在EMS上位機系統(tǒng)，對室內(nèi)溫濕度實時監(jiān)視，具有超限報警提示，實時數(shù)據(jù)采集及趨勢記錄，報警短信發(fā)送等功能。上述就地及遠程系統(tǒng)均有助于管理者更有效率的管理好屏障動物房的環(huán)境。

       4   項目調(diào)試過程中存在的不足之處

       IVC籠架是作為飼養(yǎng)實驗動物主要的防護設施，是具有獨立送/排風的空間。項目上所選用的IVC籠架，自帶送風機取室內(nèi)送風為籠架進行送風，排風接入集中排風系統(tǒng)。問題在于IVC籠架與房間排風共有1個變風量末端設備。同時，室內(nèi)排風變風量末端設備對房間壓差有著重置調(diào)節(jié)作用。若在重置過程中，因人員出入導致房門等虛掩情況出現(xiàn)，使得飼養(yǎng)房間與相鄰房間氣流控制異常，導致人為因素的不正確的排風風量調(diào)節(jié)，這種情況下，因IVC無獨立的風量閥進行控制，勢必造成IVC籠架內(nèi)的環(huán)境造成影響。同時，對房間工作/節(jié)能模式切換也帶來困難。

       我的建議是IVC籠架在飼養(yǎng)室作為一種獨立的微環(huán)境，在目前的情況下，把籠架設備的排風與飼養(yǎng)室的室內(nèi)排風進行獨立的控制，對于目前的系統(tǒng)控制將更為合理、穩(wěn)定。同時，在今后的設計控制方面，我個人覺得IVC籠架微環(huán)境與飼養(yǎng)室的二級屏障環(huán)境的通風系統(tǒng)完全獨立分開，在造價成本上或許會更貴一些，但從整個通風系統(tǒng)的控制的穩(wěn)定性及節(jié)能性將做的更好。具體詳見參考文獻[2]。

       5   結束語

       實驗動物設施的空調(diào)通風控制系統(tǒng)應注重保障屏障環(huán)境的環(huán)境參數(shù)如潔凈度、壓力、溫度、相對濕度的控制，注重對整個空調(diào)通風系統(tǒng)運行的節(jié)能考慮。結合能精確調(diào)節(jié)風量的文丘里風量調(diào)節(jié)設備和理念先進的壓力控制方法，實踐證明是能更穩(wěn)定的控制屏障環(huán)境實驗動物設施內(nèi)的通風量，更有效有序的控制其室內(nèi)壓力；與此同時，末端文丘里風量設備的壓力無關性，對運行模式切換調(diào)節(jié)，風量變化控制無后顧之憂，實現(xiàn)屏障環(huán)境實驗動物設施空調(diào)通風系統(tǒng)經(jīng)濟、可靠的運行。

參考文獻

       [1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，中華人民共和國國家標準GB 14925–2010：實驗動物環(huán)境及設施.

       [2] 何婧, 沈晉明, 汪亞兵.“實驗動物房環(huán)境特點與空調(diào)設計”，《潔凈與空調(diào)技術》，2003年第1期.

備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2019年9月刊總第25期。
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