动态气流密封负压排风装置研究报.docx
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动态气流密封负压排风装置研究报
动态气流密封负压排风装置研究报告
中国建筑科学研究院许钟麟、张益昭、王清勤、温风、张彦国、王荣、刘华、牛维乐
同济大学沈晋明
1、问题的提出
1.1背景情况
自从“9.11”事件和“SARS”事件之后，生物安全已成为人们普遍关注的一个热点，我国则掀起了建设生物安全实验室的高潮，最近三年内将要由国家拨款计划建设110家以上的三级安全实验室。
为规范这一建设活动，我国先后出台四个标准，见表1。
表1我国已出台的生物安全实验室标准
序号
名称
标准号
主编或起草单位
发布单位
实施或公告时间
1
微生物和生物医学实验室生物安全通用准则（Generalbiosafetystandardformicrobiologicalandbiomedicallaboratories）
WS233-2002
中国疾病预防控制中心
中华人民共和国卫生部
2003.8.1实验（后暂停实施）
2
兽医实验室生物安全技术管理规范（Veterinarylaboratory
BiosafetyGuidelines）
中华人民共和国农业部
2003.10.15公告
3
生物安全实验室建筑技术规范
（Architecturaland
technicalcodeforbiosafetylaboratories）
GB50346-2004
中国建筑科学研究院
中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局
2004.9.1实施
4
实验室—生物安全通用要求
（Laboratories-Generalrequirementsforbiosafety）
GB19489—2004
中国实验室国家认可委员会
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会
2004.10.1实施
1.2环境安全要求
生物安全实验室的建设必须保证人的安全，环境的安全，废弃物的安全和样本的安全。
其中环境安全主要包括有菌气体排放的安全和排水安全。
有些生物安全实验室的建设远离人口居住区，但也有的则不是如此，例如美国的芝加哥、耶鲁、哈佛三所大学的BSL—3三级实验室就建在大学校园内，海德堡大学的BSL—3级实验室也建在校园内与不远处的居居楼之间无任何隔离带，美国CDC的BSL—3级实验室与超市和餐馆仅一路之隔，法国里昂市一BSL-4实验室就建在主要街道边上，瑞典斯德哥尔摩传染病控制所的BSL-4实验室则建于该市的Karolinska研究所内。
我国《生物安全实验室建筑技术规范》则从排风角度规定BSL-3级实验室其外墙或主出入口应离开公区场所和居住建筑至少应有不小于20m的距离
（1）。
（此时排风过滤器可能有不多于10个φ1的漏孔）。
为了确保排风安全，除了排风过滤器本身应经过检漏确认无漏才能安装外，还应对安装边框进行检漏。
美国CDC标准对BSL-3级实验室安装排风过滤器不作硬行规定，而只对BSL-4级实验室规定排风应安高效过滤器并且是两道，所以美国CDC和NIH共同编写的《微生物学与生物医学实验室生物安全手册》（第三版）（BiosafetyinMicrobiologicalandBiomedicalLaboratories,1993）对BSL-4和ABSL-4实验室指出其“高效粒子过滤器框架的设计应该便于检查过滤器的效率。
每一个高效粒子过滤器的预先检测是有益的”，这就表明除了高效过滤器应预先检漏确认无漏才能安装外，还要对安好的过滤器框架检漏其穿透率。
为什么规定对过滤器要检漏即扫瞄检漏，而不是测定其本体效率？
图1测效率不能代替检漏
如图1所示：
仅各在离过滤器很近的上风侧和下风侧过滤面上1点甚至几点测定，是无法找到边上的漏点的，这是由高效过滤器后面气流具有单向平行流特性决定的，而安装边框上的漏泄在理论上和实践上都是可能存在的，甚至过滤器本体胶封的两端头也是经常发生漏泄的所在。
这对于生物微粒也是适用的，它仅仅可能比非生物微粒具有更大的等价直径，在洁净室内细菌平均可达到4μm，病毒可达到3μm，测出效率会更高（2，3），而发现漏泄是困难的。
所以在现场扫描检漏之后安入排风口的过滤器，就更无必要测其本体效率了——不论是非生物微粒或生物微粒的。
因此，只要排风口上安有高效过滤器而又要确保它发挥应有作用，安装后就必须有扫描检漏这一程序。
此外，国内外标准还规定排风过滤器要便于现场安全拆卸。
1.3提出的问题
由于扫描应在出风面进行，而送风过滤器出风面在敞开的空间内（室内或设备内），是可以操作的。
排风过滤器安在排风口内，后接排风管道,出风面在封闭空间中,扫描检漏是不能操作的。
见图2。
某些场合设置了夹壁墙，如图3所示。
这样人可以进入夹壁墙在过滤器出风面检漏，但是它的不足是：
1扩大了建筑面积，增加了费用，而且各部分房间应有独立的夹墙。
2
图2送风和排风扫描检漏面
图3排风过滤器的夹墙安装方式
夹壁墙内负压程度必定高于室内的几十Pa，而达到数百Pa，对于内墙，特别是如彩钢板等装配而成的内墙将产生承受强度和严密性的困难问题，虽然严密性问题可以通过验收时的检漏解决，但后来一旦严密性出现问题，对夹壁墙将造成污染。
此外，关于安全拆卸问题，据外国公司在国内搞的P3，是将排风过滤器离开排风口（这已不符合基本原则）安在附近的一专用装置内，拆换时可以弹出气囊将过滤器包住，这当然较复杂，而且也有扇动气流的可能。
在这种情况下，自然提出了这样的问题：
①能否有一种理论上无漏的安装密封方法，只要过滤器是不漏的，安入排风口后就不必担心其安装边框的漏泄了。
②能否有比气囊包裹更简便的安装拆卸措施。
2．动态气流密封原理及其排风口装置
2.1原理
由于任何传统的机械紧固、封胶填堵，在理论上和实际上都不能达到没有例外地绝对密封，所以本课题应用气体必定从高压端流向低压端的原理，设计一种动态气流密封负压高效排风装置，如图4。
图4动态气流密封负压排风装置原理
1—密封胶带；2—百叶风口；3—塑料膜；4—风口密封垫；5—过滤器密封刀口；6—墙；7—排风口壳体；8—接压差计；9—送风胶管；10—正压接嘴；11—高效过滤器；12—高效过滤器滤芯；13—待连接排风管；14—密封垫；15—压紧过滤器螺杆；16—正压腔。
采用一种异形高效过滤器，使其在排风装置外壳和高效过滤器外壳之间形成正压气密封腔16，就近通过接管8引用正压达数百Pa的送风管中已经过粗、中效过滤器过滤的无害正压气流入腔，如有缝隙，只能从腔内压出，一边压向室内，一边压向排风管内，而不可能使室内侧可能有菌的负压气流漏入腔内再流入排风管道又排至室外。
2.2实际排风口装置
图5是可以应用的实际装置示意，相当于一个内装高效过滤器的弯管段。
图5实际装置示意
3、动态气流密封的实验研究
3.1实验系统
图6为实验系统的构成
图6实验系统示意
本系统由四个部分组成：
1、正压腔洁净送风系统：
模拟由送风管道引入正压腔的送风。
因为本次试验把环境空气定为污染空气，所以模拟送风系统做成净化送风系统，使其送入正压腔的空气区别于污染空气（环境空气）；
2、排风系统：
模拟工程中的独立排风系统；
3、检测系统：
通过设在排风过滤器出风面边框上4个人工漏点附近的四个测点测量不同工况下的漏泄浓度，从而确定不同工况的结果；
4、压差系统：
测量正压腔内的压力值，以确定各种不同工况。
3.2实验目的
1、验证在过滤器的密封垫有泄漏的状态下，向其正压腔送入空气，形成并维持一定的正压值时能否产生足够速度的动态气流，有效的阻止有害气体通过漏点进入排风系统；
2、观测正压腔内的正压值和密封垫泄漏量之间的关系；
3、确定阻止污染空气通过漏点进入排风系统的安全正压值。
4、根据《生物安全实验室建筑技术规范》规定，当室内微粒（≥0.5μm）浓度不小于5000个/l时，第一道排风过滤器检漏浓度（不是出风面上1点或几点的平均浓度）不超过3粒/l，第二道过滤器不超过2粒/l，即判断为不漏，以此作为实验结果的标准。
3.3实验程序及方法
1、过滤器检漏：
利用现有装置，将过滤器连接至排风机的出口处，启动排风机。
在过滤器的出风面对它进行扫描检漏，确认不漏方可作为试验过滤器使用。
2、对过滤器常规使用的密封胶垫的密封检漏：
将过滤器装入排风组件内，将压紧螺母拧紧并启动排风机，观察正压腔内的压差，当压力为负压时说明密封垫有泄漏，应继续拧紧压紧螺母直至显示零压时才能确认密封不漏，同时在排风边框浓度测点处测量浓度。
测定结果也是本试验装置的本底参数，具体方法和测点布置见下一条。
3、人为的造成过滤器密封垫泄漏：
放松过滤器压紧螺母至正压腔出现负压值，边框检漏处含尘浓度迅速增加至一定程度时停止放松压紧螺母，作为试验工况之一（继续放松螺母可以制定工况之二、三）。
过滤器已经过检漏确认不漏，所以这里不是测过滤器的效率，也不是在过滤器下方测，已如图1所示，那样是测不准确漏泄的。
但是，在严密的装置内也无法扫描，因此，固定的检漏点必须设在漏点下游合适的地方。
根据国内外标准要求：
检漏采样点距出风面应不大于25mm。
本系统的采样点距出风面20~25mm，因为是采4个泄漏管的泄漏状况，所以其位置均在各泄漏管出口的下游。
又因为本系统过滤器的出风口连接有90°的弯头，其出口的气流会向弯头出口方向倾斜，所以采样点位置按气流倾斜方向作了位移，如图7所示。
对于非人工加漏的情况，由于均衡放松拧紧螺母，所以上述4个采样点采样虽非扫描，但对准的都是边框漏泄所在。
4、启动洁净送风系统向正压腔送入洁净空气：
启动送风机后测量其送风的含尘浓度，也是本底参数。
调整送风量使正压腔正压值达到并维持正1~2Pa，作为一种工况，这时可以对排风面边框漏泄（在放松螺母工况下，全边框均是漏点）的含尘浓度（≥0.5μm尘埃）进行检测，如其浓度≤3粒/l说明正压腔送入一定量并维持一定正压的空气会有效的阻止污染空气通过连接漏点进入排风系统；
5、改变多种泄漏量并调整送风量维持正压腔正压为某定值，是否仍能有效的阻止污染空气通过漏点进入排风系统。
图7检漏采样点位置
6、人为加漏：
在密封垫下加入杆或园管形成一个不可密封的泄漏通路，经过调整送风量来维持正压腔的正压值是否仍能有效的阻止污染空气通泄漏通路进入排风系统。
1）密封垫下加入截面为正方形的金属棒如图8。
图8密封垫下垫入金属棒
由于金属棒是正方形的，其断面为2.25mm2，在两边每边加1根，共2根。
在棒的两侧与密封垫之间形成两个近似三角形的空隙（漏孔），约相当于棒的断面积，则总空隙相当于2×2×2.25＝9mm2.按前述调整送风量维持正压腔正压为某定值，测试其排风含尘浓度是否≤3粒/l；
2）密封垫下加入内径为φ1.65mm硬塑料管如图9，也是在两边共加入4根管子，总空隙为8.55mm2。
每管边上空间相当于园管空间，即也共是8.55mm2。
图9密封垫下垫入通气管
按前述方法加大送风量调整正压腔内的正压值维持某定值，测其泄漏含尘浓度是否仍能≤3粒/l。
3.4实验系统调试
1、排风过滤器出口端无泄漏时检漏点浓度的检测（无漏时本底浓度）
排风过滤器由于出厂时已经检漏故现场未经检漏即进行安装测试，结果虽然过滤器压紧螺栓已经全部压紧，正压腔呈现零压，测量其出口检漏点处仍有数百粒≥0.5μm的尘粒，经返复调整压紧螺栓仍不见好转，经分析认为过滤器可能有漏点，故对过滤器进行检漏试验。
经检测发现过滤器有两个封胶面全漏，经过现场封胶处理仍不能封住漏点，只有更换新过滤器。
新更换的过滤器又经过扫描检漏合格后进行安装试验，安装后启动排风机，调整压紧螺母使正压腔呈现零压，说明连接密封垫不漏。
但是在过滤器出风面边框检漏处测得的尘埃粒子经常不稳定，从几粒到数10粒，这是不正常的情况，因为过滤器不漏，正压腔是零压说明密封垫也不漏，不应当出现上述情况，经过分析认为漏泄可能出现在测试软管的四个测点的连接接头上，因为该接头系通用的快速接头，除了结构上的不严密外，其内部有很多凸凹槽，容易积尘，当改变测试工况时很难清除其积尘，从而导致测量数据不稳定和不准确，经改制成塑料管热合方式连接后测试结果比较稳定，至此可以进行项目测试。
排风过滤器测试工况：
1）环境含尘浓度（≥0.5μm尘埃）：
85000
粒/l。
2）正压腔与室内压差值：
0pa
3）排风量：
350m3/h
排风过滤器边框检漏处测试记录（≥0.5μm粒/l）
测试次序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
粒子数（粒/l）
3
2
1
2
2
2
3
2
2
0
1.9
2、送风过滤器出口端的检测（送风本底含尘浓度）
测试工况：
1）环境含尘浓度（≥0.5μm尘埃）：
80000粒/l
2）送风量：
4.5m3/h
送风过滤器出口端测试记录（≥0.5μm粒/l）
测试次序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
粒子数（粒/l）
2
2
3
2
1
2
3
2
2
1
2.0
送、排风过滤器都检漏证明不漏（当然读数不全是0），但在上述边框检漏处都测出平均本底数为2，这是因为所测定的小空间为乱流空间，在反复进行漏与无漏的试验时，内壁和空间的尘粒很难完全清除所致。
3.5实验结果
实验结果汇总于以下表各中。
放松螺母之一（10月8日）
试前环境含尘浓度
≥0.5μm35000粒/l
试前环境含尘浓度
≥0.5μm35000粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
1
2.4
+1
0.83
2
11
4
+18
0.83
0
2
2.4
+1
0.83
2
12
4
+18
0.83
3
3
2.4
+1
0.83
2
13
4
+18
0.83
1
4
2.4
+1
0.83
2
14
4
+18
0.83
3
5
2.4
+1
0.83
3
15
4
+18
0.83
2
平均
2.2
0.3
平均
1.8
~0
6
3.6
+6
0.83
3
16
4.6
+30
0.83
1
7
3.6
+6
0.83
2
17
4.6
+30
0.83
1
8
3.6
+6
0.83
3
18
4.6
+30
0.83
2
9
3.6
+6
0.83
2
19
4.6
+30
0.83
3
10
3.6
+6
0.83
1
20
4.6
+30
0.83
1
平均
2.2
0.3
平均
1.6
~0
说明：
由于本底采用的是平均数，所以扣除后可能出现负数，这是不可能的，所以凡是负数都作为0看待。
放松螺母之二（10月9日）
试前环境含尘浓度
≥0.5μm15000粒/l
试前环境含尘浓度
≥0.5μm15000粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
1
0
-7
1.33
315
10
3.6
+2
1.5
1
2
2.4
+1
1.33
0
11
3.6
+2
1.5
2
3
2.4
+1
1.33
3
平均
1.4
~0
4
2.4
+1
1.33
2
12
4.6
+1
全放松
2
5
2.4
+1
1.33
1
13
4.6
+1
全放松
1
6
2.4
+1
1.33
2
14
4.6
+1
全放松
3
平均
1.6
~0
15
4.6
+1
全放松
1
7
3.6
+2
1.5
3
16
4.6
+1
全放松
2
8
3.6
+2
1.33
1
平均
1.8
~0
9
3.6
+2
1.33
0
17
0
-10
全放松
400
垫入金属棒（10月14日）
试前环境含尘浓度
≥0.5μm37000粒/l
试前环境含尘浓度
≥0.5μm37000粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
金属棒漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
金属棒漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
1
2.4
+1
1.17
9
2
15
3.6
+1
1.33
9
3
2
2.4
+1
1.17
9
3
16
3.6
+1
1.33
9
0
3
2.4
+1
1.17
9
3
17
3.6
+1
1.33
9
3
4
2.4
+1
1.17
9
1
18
3.6
+1
1.33
9
2
5
2.4
+1
1.17
9
1
19
3.6
+1
1.33
9
0
6
2.4
+1
1.17
9
1
20
3.6
+1
1.33
9
2
7
2.4
+1
1.17
9
0
21
4.6
+1
全放松
9
2
8
2.4
+1
1.17
9
0
22
4.6
+1
全放松
9
0
9
2.4
+1
1.17
9
1
23
4.6
+1
全放松
9
1
10
2.4
+1
1.17
9
1
24
4.6
+1
全放松
9
1
平均
1.3
~0
25
4.6
+1
全放松
9
1
11
3.6
+1
1.33
9
1
26
4.6
+1
全放松
9
1
12
3.6
+1
1.33
9
1
平均
1.4
~0
13
3.6
+1
1.33
9
3
27
0
-9
全放松
9
900
14
3.6
+1
1.33
9
2
垫入通气管之一（10月15日）
试前环境含尘浓度
≥0.5μm58000粒/l
试前环境含尘浓度
≥0.5μm58000粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
通气管总漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
金属棒漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
1
4.6
+1
放松
17.1
0
6
4.6
+1
放松
17.1
2
2
4.6
+1
放松
17.1
0
7
4.6
+1
放松
17.1
2
3
4.6
+1
放松
17.1
2
平均
1.3
~0
4
4.6
+1
放松
17.1
1
8
0
-7
放松
17.1
1500
5
4.6
+1
放松
17.1
2
垫入通气管之二（10月18日）
试前环境含尘浓度
≥0.5μm83000粒/l
试前环境含尘浓度
≥0.5μm83000粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
通气管总漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
序号
正压送风量
m3/h
正压腔压力
Pa
压紧螺母放松距离
mm
通气管总漏风间隙
mm2
排风面边框检漏点浓度
≥0.5μm粒/l
扣除本底后浓度
粒/l
1
4.6
+1
放松
17.1
1
5
4.6
+1
放松
17.1
2
2
4.6
+1
放松
17.1
2
6
4.6
+1
放松
17.1
1
3
4.6
+1
放松
17.1
1
平均
1.5
~0
4
4.6
+1
放松
17.1
2
7
4.6
-6
放松
17.1
2900
3.6实验结论
通过以上实验结果的分析，可以得出以下结论：
1、当正压腔对室内保持≥1Pa正压的时候，腔内就有足够的无害动态气流从缝隙压出，阻止室内有害空气被吸入缝隙而排出。
2、正压腔只要对室内维持≥1Pa正压，漏气缝隙从压紧螺母全放松到只放松0.83mm，或人工缝隙从9mm2到17.1mm2，均对漏泄量无影响，不论扣除本底与否，漏点处检漏浓度均≤3粒/l，未超过规范的漏泄标准。
如果扣除本底，则11次检漏数据只有2次各为0.3粒/l，平均只为0.054粒/l，所以测出浓度就是本底浓度。
同时可看出环境浓度即使从85000粒/l变化到5000粒/l，漏点处检测浓度无明显变化，仍和本底相当，这也说明测出的不是漏，而就是本底，所以只要正压腔有1Pa的正压就可保证不漏。
3、正压腔内正压达1Pa以后，正压的增高对阻止漏泄的效果基本无影响，也就是说，对正压腔的无害空气供给量可以很小，通过缝隙的动态气流量也很小。
4、动态气流密封的理论分析
4.1物理模型
1、室内排风先开，送风后开，但这一过程很短，当室内达到稳定状态时，有图10所示的各项物理关系：
图10物理模型
1）稳定后室内达到绝对压差-60Pa。
2）送风高效过滤器为A类，按标准额定阻力设为190Pa，最大按80%额定风量运行，P2=152Pa。
3）送风高效过滤前必须
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