ⅡB2型生物安全系统气流控制模式研究

ⅡB2型生物安全气流控制模式研究对22个包括生物安全三级（BSL-3）、动物三级（ABSL-3）和四级（BSL-4）实验室项目中的共计79台ⅡB2型生物安全柜的气流控制模式进行了统计分析，介绍了“变送定排”、“定送变排”和“变送（双稳态）变排”模式的控制方式和可能存在的问题，并对部分环节提出解决思路。

对“定送变排，安全柜排风等量切换”模式进行了探讨和实证研究，通过比较分析，认为该模式投资经济，且具有更加灵活的适用性和稳定性。

生物安全柜是生物安全实验室的重要设备之一，是保障实验室生物安全的一级屏障。

与ⅡA2型生物安全柜不同，ⅡB2型生物安全柜采用柜单向流的全新风系统，对操作人员和样品保护安全度更高，在BSL-3实验室中得以广泛应用[1]。

目前，国家规要求系统运行时应确保生物安全柜与实验室送排风系统之间的压力关系和必要的稳定性，并应在启动、运行和关停过程中保持有序的压力梯度[2]。

由于高等级生物安全实验室围护结构严密性较高，而安全柜排风量较大，因此在实际应用过程中，安全柜的启停以及排风机发生故障及自动切换，均会导致实验室排风量的瞬时剧烈变化，如控制不当，会对其所在的核心工作间的压力产生较大影响，甚至可能导致安全柜空气外溢以及实验室出现短时正压，从而形成人员及环境安全隐患。

本文结合现行国家标准和实际检测及设计经验，对ⅡB2型生物安全柜在高级别生物安全实验室的气流控制模式进行研究探讨。

【工作原理及常见设计参数】1.1 ⅡB2型生物安全柜工作原理ⅡB2型生物安全柜工作原理如图1所示。

ⅡB2型生物安全柜正常运行时由室进风。

室空气自工作窗口和柜顶进风口进入生物安全柜腔体，过滤后经与安全柜出风口密闭连接的管道排至室外。

目前国排风接管的常规做法分为2类：（1）安全柜排风经管道接入实验室大排风系统，一并排出；（2）安全柜排风接独立排风机，单独排至室外，与实验室排风系统分设。

1.2 常见设计参数与通风系统相关的ⅡB2型生物安全柜设计参数主要包括安全柜排风量及其额定阻力。

需要注意，在窗口高度不超过200 mm时窗口进风平均风速应不小于0.5 m/s[3]。

如条件允许，应尽可能在设计阶段就确定设备厂家，这样安全柜排风量可根据厂家提供的额定风量，再考虑一定余量得出。

安全柜额定阻力是系统排风机压头选型计算的主要参数之一，但往往被设计人员忽略，美国标准给出的最小建议值为375 Pa[4]，国常见设备厂家提供的数据为500~800 Pa不等。

【常见气流控制模式研究】已通过国家建筑工程质量监督检验中心检测验收的22个(A)BSL-3和BSL-4实验室项目中的共计79台ⅡB2型生物安全柜的气流控制模式进行了统计分析，基本可将其划分为3种控制模式：变送定排、定送变排和变送（双稳态）变排。

各项目中ⅡB2型生物安全柜情况见表1。

注：定—定风量控制；变—变风量控制；双稳态—预设高态（安全柜开启）和低态（安全柜关闭）两种定风量模式切换控制；从表1可以看出，50%以上的项目采用了定送变排控制模式，而早期采用的变送（双稳态）变排控制模式，送风在高态（安全柜开启）或低态（安全柜关闭）时段是恒定的，其控制核心理念依然是通过排风变风量（VAV）阀来调节房间压力，实质上仍属于定送变排控制模式。

这也基本反映出目前定送变排控制模式为ⅡB2型生物安全柜的主流控制模式。

2.1 变送定排模式该模式房间送风量可变，通过房间送风主管上的变风量阀进行控制；房间排风量恒定，排风主管设置定风量（CAV）阀；安全柜排风量恒定，排风管道设置定风量阀。

系统原理如图2所示。

在核心工作间设压力传感器，根据房间压力调节房间送风主管上的变风量阀，通过调节房间送风量来稳定房间压力。

安全柜启闭时，送风主管上的变风量阀根据安全柜的启闭调节开度，送风机根据设于系统送风总干管的压力传感器调节风机频率，从而增加（开启时）或降低（关闭时）房间送风量（与安全柜排风量相当），保证在工况转换后房间的压力平稳。

安全柜开启时，根据其窗口限位信号，启动安全柜排风机组及其电动阀门，安全柜瞬时达到其额定排风量，此时房间排风量加大，绝对负压值急剧升高；送风主管上的变风量阀根据房间压力调节开度，增加房间送风量；随着送风量的加大，系统逐渐恢复至原有压力围。

安全柜关闭时，以安全柜窗前玻璃门下拉封闭柜体为信号，安全柜排风机组及其电动阀门关闭，送风系统随之进行反向操作。

2.2 定送变排模式该模式房间送风量恒定，房间排风量可变。

送风量恒定是为了保证核心工作间的送风量和换气次数满足设计和规的要求，排风量可变是指排风采用变风量系统。

为了维持房间压差满足规要求，ⅡB2型生物安全柜的排风管采用定风量阀控制。

房间排风管上的变风量阀根据房间的压差要求来调节开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生的扰动，满足核心工作间运行的压差要求。

系统原理如图3所示。

2.3 变送（双稳态）变排模式该模式送风设定了高态（安全柜开启）和低态（安全柜关闭）2种风量，通过房间送风主管上的双稳态阀，保证在每一种工况下风量恒定。

房间排风管设置变风量阀，根据房间的压差要求来调节开度，消除ⅡB2型生物安全柜启闭时对房间压差产生的扰动，满足核心工作间运行的压差要求。

系统原理如图4所示。

从控制思路的角度讲，该模式实质上仍属于定送变排模式。

只要送风风阀执行器选型合理、响应及时，根据实测结果来看也是可行的。

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【常见问题】从多个三级生物安全实验室的实测结果来看，上述几种控制模式均有成功和失败案例，并无明显相关性。

主要原因在于该类实验室均采用全新风系统，与回风系统不同，系统排风与送风是解耦的，因此送、排风是“定”还是“变”不是主要问题，而安全柜启停时室相应的变风量控制逻辑才是关键。

在多项实际检测中，出现较多的问题如下。

3.1 排风量不足，安全柜无常启动生物安全柜开启时报警，排风量无法达到安全柜最低风量，设备无常开启。

如报警持续，则意味着安全柜排风量偏低，需要复核安全柜排风机选型或安全柜排风管路的阻力、阀门等情况。

如华北地区某BSL-3实验室，安全柜接独立排风机，排风机铭牌全压为1 000 Pa，但根据现场检测，生物安全柜出口阻力已达800 Pa（安全柜额定阻力往往容易被设计人员忽视），高效过滤单元阻力200 Pa，管道长约150 m，考虑管道、阀门等的沿程和局部阻力，显然风机压头已无法满足系统要求，排风量无法达到额定值，导致设备无法开启，最终以更换风机作为解决方案。

如报警持续一段时间后停止，则说明系统总排风量能够满足要求，但在变风量控制模式上存在一定的时间误差，导致开启之初排风量不足，随着系统慢慢稳定，排风量达到了设定值，这种情况需要现场调试送、排风阀执行机构的行程调节速度和响应时间，消除启动过程中的报警环节。

3.2 切换时出现压力逆转该类情况是实际工况转换过程中出现最多的一种。

其影响因素众多，往往是多种环节互相作用导致的结果。

当工况转换过程某一时段房间送风量超过房间及安全柜排风量之和时，实验室出现绝对压力逆转；当工况转换过程中核心工作间负压风量与其相邻的缓冲间负压风量不匹配时，会出现相对压力逆转。

这2种逆转，尤其是绝对压力逆转，大大增加了实验室使用中的生物安全风险，均为检测部门和中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可时的现场主要考察项目。

各项目安全柜启闭时工况转换现场检测的压力逆转情况见表2。

从表2可以看出，逾80%的实验室工况转换时存在不同程度的压力逆转情况，主要问题集中在送、排风阀的控制逻辑及其执行速度和响应时间。

部分实验室在现场调试无效后需要采取更换阀门等措施进行整改，个别实验室项目甚至仅能将逆转时间控制在1 min，无法根本解决相对压力的逆转问题。

3.3 切换时负压过大过大的负压对实验室围护结构的气密性和稳定性提出了较大的挑战，由于负压过大，房间洁净度难以保证；较大的压力波动也致使房间围护结构瞬时过度收缩膨胀，对目前主流的彩钢板围护结构而言极易产生破坏性后果。

3.4 多台安全柜切换时系统紊乱部分相对特殊的项目，在一间核心工作间设置多台ⅡB2型生物安全柜或一个系统多个核心工作间均设有ⅡB2型生物安全柜，同时启停多台ⅡB2型生物安全柜时会瞬时出现巨大的风量变化，如果系统阀门切换不及时，往往容易产生房间压差梯度紊乱。

【优化解决方案】4.1 阀门的预设动作和快速响应不论何种控制模式，如在安全柜启闭过程中出现送风量大于排风量的情况，则会出现压力逆转；如出现排风量远大于送风量，则会出现房间瞬时绝对负压值过大的情况。

因此，送、排风阀在安全柜启闭过程中的动作顺序及执行速度对保证系统压力的平稳过渡起到非常关键的作用。

由表2可以看出，送风变化往往导致压力逆转，这是因为安全柜的启闭本身已经对排风产生了较大影响，同时又伴随着送风较大的波动，同一时刻送、排风均需控制。

如控制不当，则更易出现送、排风瞬时不匹配的情况。

通常，实验室在整个工况转换过程中需把握2个要点：任何时间房间必须处于负压，即送风量小于排风量；安全柜仅有排风。

因此，房间送、排风阀的控制逻辑应围绕任何时间均保证房间送风滞后且小于排风展开。

表3为根据现场检测经验给出的送、排风阀预设动作顺序的优化策略建议。

表2同时对阀门响应不及时的情况做出了统计，可以看出阀门的响应速度对工况顺利转换有决定性作用。

接近一半的项目由于阀门响应不及时而无法根除相对逆转的问题，个别项目甚至由于无法解决绝对逆转问题而更换快速阀门。

目前国常用的主流定、变风量控制阀为蝶阀和文丘里阀2种类型。

蝶阀通常采用“测量—比对—执行”的闭环控制方式，响应时间平均为2~3 s左右；文丘里阀采用前馈控制方式，最快响应时间可在1 s以（价格较高）。

笔者认为，选择何种类型阀门可在设计阶段根据项目规模、投资、复杂程度和要求进行评估，但应选择快速响应阀门，根据现场实测经验来看，建议响应时间不要超过2 s。

由于变风量控制多采用PID控制调节模式，送风量往往会围绕排风量振荡收敛，这意味着控制逻辑决定了某一时刻难免会出现送风量大于排风量的现象，因此在实测过程中多数情况下会出现瞬时压力逆转情况。

在调试过程中，应通过设置合理的阀门动作顺序和缩短阀门响应时间来保证核心工作间不出现绝对压力逆转，而核心工作间与其相邻缓冲间的相对压力逆转，也应控制在1 min[5]。

如某大动物ABSL-3实验室采用变送定排模式，其中某一核心工作间工况转换（ⅡB2型生物安全柜开启）时实测压力记录见表4。