P3生物安全實驗室模擬檢測

0 引言

一場突如其來的瘟疫席卷了整個中華大地, 全國上下由于非典而變得人心惶惶, 而醫(yī)務工作者和科研工作者為了抗擊非典而不懈奮斗著。非典已經過去了一段時間了, 人們的心情也逐漸趨于平靜, 但是留給了科研人員許多思索和研究的空間, 我國的科研力量和科研條件在此期間也暴露出了許多問題, 都遠遠跟不上世界的潮流。因此, 非典過后全國各地新建或改建了許多生物安全實驗室, 由于以前的工程實例和可參考的工程很少, 而許多新的設計中設計的潔凈級別都偏高。

我國新頒布的《生物安全實驗室建筑技術規(guī)范》( 征訂稿) 中已給出了一到四級生物安全實驗室的主要技術指標, 本文旨在用計算機模擬技術對實際工程進行模擬, 并用模擬結果與驗收測試結果比較分析,從而為P3 生物安全實驗室的設計提出一些有價值的建議。

1  設計依據

本工程依據《生物安全實驗室建筑技術規(guī)范》( 征定稿) 給出的P3 生物安全實驗室的二級防護主要指標, 如表1 所示。

2  實驗室模型的建立

本實驗室平面圖如圖1 所示, 結構圖如圖2 所示。該實驗室面積為25.2 m² , 吊頂標高為2. 7 m, 設計總送風量811～3011 m³/h, 總排風量為3 198m³/h, 生物安全柜設計排風量為2000 m³/h, 還有一個儲藏柜設計排風量為200m³/h; 空調采用全新風系統(tǒng), 氣流組織采用雙向上送下回式。

3 數值計算模型及邊界條件

3.1 數值計算模型的建立

本模擬采用的是k－ε。雙方程模型, 但在菌落場模擬和濃度場模擬中給定以下幾個假設: ① 因為細菌一般是附著在灰塵上向四周擴散, 但是有灰塵不一定有細菌, 所以本次模擬將細菌的菌落場和灰塵的濃度場分開模擬; ②忽略溫度對菌落場和濃度場影響, 即忽略溫差驅動力; ③假設地面8 m² , 的發(fā)塵量和發(fā)菌量與一個人員的發(fā)塵量和發(fā)菌量相當, 人靜止的發(fā)菌量為3 0 0 個/ (人·m i n ), 發(fā)塵量為5 x 10 ⁵ 個/ (人·m i n ), 發(fā)塵量比例: 頂棚:墻面她面為1:5 100; ④ 因為灰塵的體積占氣體體積的比例微乎其微, 可以認為對氣流場沒有影響, 因此, 模擬中采用非禍合計算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動量方程( X方向) :

式( 1 )～( 3 ) 中: 人為分子平均自程;u 為空氣速度; u_p,為粒子速度;g為重力; ρ為空氣密度;F_x為其他驅動力; D_p為粒子直徑; μ為動力粘滯系數;R_e為雷諾數;ρ_ρ為粒子密度。

3.2 邊界條件的處理

邊界條件按以下假設處理。

①為簡化計算, 假設氣體分子與墻壁之間碰撞為彈性碰撞, 沒有動量和能量的交換;

②送、回風口的送、回風速度均按實際工程的實際風速;

③由于人是室內的主要污染源, 因此為簡化計算,本模擬設了兩個柱形污染源, 將總的發(fā)菌量和發(fā)塵量集中到這兩個柱形污染源上^[1-2]。

4 計算結果的分析

4.1細菌、灰塵濃度場和速度場的模擬結果

菌落場的模擬結果見圖3～5。灰塵濃度場的模擬結果見圖6～8, 速度場的模擬結果見圖9～1 1。

4 .2 施工驗收測試結果

表2～4 分別為懸浮粒子、沉降菌和速度的檢測結果。

4.3 細菌、灰塵濃度場的模擬結果分析

從模擬結果和實測結果可以看出:

①模擬結果與施工驗收結果基本上吻合, 說明此工程的設計、施工都達到了工藝要求的潔凈級別和模擬結果的可靠性。

②人員雖然是主要的產塵源和產菌源, 但是他們周圍的細菌和灰塵濃度都不高, 分析其主要的原因在于總的產塵量和產菌量相對于空氣來說非常小, 在如此大的送風量情況下很快就被稀釋掉。

③在2.5 m 以上的范圍內, 主要是發(fā)菌源和發(fā)塵源下游的菌落場和灰塵濃度場都偏高, 而在2 m 以內的范圍內都能滿足設計要求, 分析其主要原因在于室內的空氣流速比較小, 室內空氣不能形成大的擾動,致使室內上部細菌和灰塵集聚, 空氣的含菌量和含塵量偏高。在一些死角的位置, 由于形成了小的渦流, 導致細菌、灰塵不能被稀釋掉, 從而濃度偏高。

④本工程的潔凈級別偏高, 分析原因是由于本實驗室采用的生物安全柜為單通道型, 操作口就是進風口, 而生物安全柜的通風量也相當大, 導致室內的換氣次數達到四十多次, 能達到普通百級潔凈廠房的設計水平^[3-4]。

5 結論

從本文的研究可以得到如下結果:

①設計中盡量選用專用送、排風管道的生物安全柜, 這樣可以大大降低送風量, 減小高效過濾器的負擔, 或可以選用小風量的過濾器, 因為3P 生物安全實驗室必須采用全新風系統(tǒng), 所以高效過濾器的負擔較重, 在達到設計要求的情況下應該盡量減少送風量及新風量。

②送風方式盡量采用雙向上送下回式(如本工程所采用的形式), 在人員活動的范圍內(2m 以下) 都能滿足規(guī)范要求, 并且盡量避免死角以減少形成渦流區(qū)的可能。

③ 由于計算機模擬過程中對某些參數作了理想化的處理, 因此與實際結果有一定的偏差, 但是它可以為實際工程的設計提供一個很好的參考。

參考文獻

[1] 顏偉.C F D 技術在百級潔凈手術室設計中的應用[J].潔凈與空調技術,2 0 0 2,( 6 ) : 5 6－5 8

[2] 顏偉.頂送四角回風氣流組織形式的C F D 分析[J].建筑熱能通風空調,2 0 02,2 1 ( 2 ) : 36 －3 9

[3] 李先庭.用C F D 方法評價亂流潔凈手術室的潔凈等級[J].潔凈與空調技術, 2 0 0 1,

( 4 ) : 18－21

[4] 王軍.P3 實驗室潔凈空調設計的若干問題[J].通風除塵,19 9 3 , ( 3 ) : 3 5－3 7