平疫結合醫用PCR實驗室空調系統設計探析

鄭嘉耀

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

0 引言

在2020年抗擊新冠疫情的防治工作中，武漢金銀潭醫院檢驗科的檢驗師并不直接接觸病人，只是做化驗和測試，卻仍有許多人感染新冠病毒(屬于參照甲類傳染病采取預防、控制措施的乙類傳染病)。可見烈性呼吸道傳染病病毒檢測樣本中的氣溶膠亦具有強烈的傳染性。常規醫院傳統病毒檢測實驗室的壓力梯度要求及空調通風系統設置，并不能在檢測烈性呼吸道傳染性病毒時，對醫護人員提供完備的保障。一個空調通風系統完善配置的病毒檢測實驗室，在保護醫護人員的同時，又能阻止有害病毒外泄，對疫情防控有重要作用。

1 工程概況

醫院的病毒檢測，是在PCR實驗室(PCR實驗室即臨床基因擴增檢驗實驗室，是指通過擴增檢測特定的DNA或RNA，進行疾病診斷、治療監測和預后判定等的實驗室[1])進行。醫院檢驗科室一般僅配置一個PCR實驗室，故平疫結合的PCR實驗室空調通風系統顯得十分重要。為積極應對新冠病毒肺炎疫情防治工作，對某建設中醫技大樓的PCR實驗室進行了重新設計，升級建造，以滿足平疫結合的要求。

2 PCR實驗區空調室內設計參數的確定

標準PCR組合式實驗室依工作流程包括4個分區：試劑儲存和準備區(Ⅰ區)、標本制備區(Ⅱ區)、擴增反應混合物配置和擴增區(Ⅲ區)、擴增產物分析區(Ⅳ區)，再輔以各區緩沖間及內走廊，構成一個完整的PCR實驗區(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區均符合生物安全二級實驗室的相關要求[1])。合理的建筑功能分區、專用設備聯控裝置、壓力梯度、氣流組織及通風控制策略，是避免PCR實驗的試劑及樣本受污染，造成假陽性檢測結果的重要保證。

根據文獻[1]的相關要求，標本制備區：“可通過在本區內設立正壓條件避免從鄰近區進入本區的氣溶膠污染”；擴增區：“可降低本區的氣壓以避免氣溶膠從本區漏出”；擴增產物分析區：“采用負壓條件或減壓情況下(如安裝排風扇)可減少擴增產物從本區擴散至前面區域的可能性”，可知PCR實驗室工作流程為單向流線傳遞，空氣流向亦為嚴格的單一方向，平時(非疫時)具體壓力梯度要求為I區(10Pa)→Ⅱ區(8Pa)→Ⅲ區(-10Pa)→Ⅳ區(-15Pa)，如見圖1所示。根據規范[2][3]規定，出于減少對工作人員和環境污染的考慮，疫情狀況下，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區空調通風系統均以符合加強型醫學BSL-2實驗室要求設置，疫時具體壓力梯度要求為I區(10Pa)→Ⅱ區(-10Pa)→Ⅲ區(-15Pa)→Ⅳ區(-20Pa)，如圖1所示。綜合各規范要求，得出PCR實驗區平時(疫時)空調室內設計參數表，如表1所示。

表1 PCR實驗區平時(疫時)空調室內設計參數表

圖1 PCR實驗區平時(疫時)壓力梯度分布圖

3 PCR實驗區空調通風設計

由于建設成本和運行成本的原因，傳統醫用PCR實驗室一般并不采用潔凈空調系統，沒有潔凈度、最小換氣次數及最小壓差等要求。該項目考慮平疫結合的需求，疫情期間參照加強型醫學BSL-2實驗室設置，該PCR實驗區滿足8級潔凈度等級(10萬級)要求，采用全新風模式凈化空調系統，如圖2所示。

a-定風量調節閥；b-變風量文丘里閥；c-高效送風口；d-高效排風口圖2 PCR實驗區全新風空調系統原理圖

3.1 空調系統設計

采用兩管制全新風變頻凈化空調機組，新風經熱、濕處理及粗、中、高三級空氣過濾后送入室內。第一級粗效(C4)設置在空調機組的新風入口處；第二級靜電光催化中效(Z3)設置在空調機組出口處；第三級高效送風口(A類)設置在送風系統末端(實驗室吊頂)。

實驗區設置帶粗、中、高三級空氣過濾系統的全面排風系統。室內排風口設置于房間底部，且在排風口設置高效過濾器(排風口前設板式初效過濾器以保護末端高效過濾器(B類)，延長其壽命)，變頻排風機組(帶粗效(C4)及靜電光催化中效(Z3))設于屋面構架層。

3.2 局部排風設計

標本制備區(Ⅱ區)設有一臺Ⅱ級B2型生物安全柜(100%外排)，對應獨立設置變風量新風系統，補風量按生物安全柜排風量取值，避免安全柜使用導致室內壓力變化。

3.3 氣流組織及壓差控制

PCR各實驗室的氣流組織均采用上送下排的方式，高效過濾器排風口設置在室內被污染風險最高的區域，無障礙單向布置，使室內氣流停滯降低到最小程度。高效送風口不設置在生物安全柜操作面等有氣溶膠產生的操作點上方，避免氣溶膠擴散。

根據設計要求的壓差值，參照《潔凈廠房設計規范》(GB 50073-2013)中的縫隙法計算，求得維持房間壓差的房間滲透風量。Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區屬于負壓核心區，對應區域的排風支管設置變風量文丘里閥，通過壓差控制器實時測量實驗室與緩沖間之間的實際壓差，與設定值做比較，反饋信號調節風閥動作并聯動屋面變頻排風機組調節排風量，閉環控制要求閥響應時間小于1 s，風量平衡相對時間小于3 s，從而實時控制核心房間的壓差值。

a-定風量調節閥；b-變風量文丘里閥；c1-變風量文丘里閥(安全柜補風)；c2-變風量文丘里閥(安全柜排風)；d-電動氣密閥圖3 PCR實驗室變風量運行示意圖

3.4 平疫結合

各房間的送風量平疫工況相同，采用定風量閥恒定各房間送風支管的送風量。各房間排風支管均采用變風量文丘里閥，設定平疫兩種工況點的排風量，疫情時排風支管的變風量文丘里閥切換至疫情工況點，變頻調節排風機組，加大排風量，使各實驗區域的壓力值達到圖1的要求，滿足平疫轉換的使用要求。

3.5 空調負荷、送/排風量設計

Ⅰ區：空調冷負荷約2.5 kW，送風量按25次/h設計，取470 m3/h；考慮縫隙壓差風量后，平時排風量取420 m3/h；疫時排風量取380 m3/h。

I緩：送風量按12次/h設計，取100 m3/h；平時(疫時)排風量取180 m3/h。

Ⅱ區：空調冷負荷約5.5 kW，送風量按25次/h設計，取970 m3/h；考慮縫隙壓差風量后，平時排風量取880 m3/h；疫時排風量取1050 m3/h。

Ⅱ緩：送風量按12次/h設計，取150 m3/h；平時排風量取220 m3/h；疫時排風量取135 m3/h。

Ⅲ區：空調冷負荷約3 kW，送風量按25次/h設計，取550 m3/h；考慮縫隙壓差風量后，平時排風量取580 m3/h；疫時排風量取610 m3/h。

Ⅲ緩：送風量按12次/h設計，取100 m3/h；平時排風量取85 m3/h；疫時排風量取70 m3/h。

情況 8.4 若f3(v)=3,此時最壞的情況是v點關聯7個6-面,3個(3,3,10)-面(兩兩不相鄰),v的非三角鄰點均為3-點,且它們各自還關聯著一個3-面。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4及最壞3-面9+-點情形可得

Ⅳ區：空調冷負荷約5.5 kW，送風量按25次/h設計，取950 m3/h，考慮縫隙壓差風量后，平時排風量取1020 m3/h；疫時排風量取1030 m3/h。

Ⅳ緩：送風量按12次/h設計，按150 m3/h；平時排風量取120 m3/h；疫時排風量取110 m3/h。

PCR實驗區理論計算新風總送風量3440 m3/h，平時排風量3505 m3/h，疫時排風量3565 m3/h。考慮一定余量，配置4000 m3/h風量，70 kW制冷量的八排管變頻新風機組；4200 m3/h的變頻排風機組。

3.6 部分配件的設計要點

在高效送風口前的支管段上，設置定風量文丘里閥，高效排風口后的支管段上，設置變風量文丘里閥(非負壓核心區設置定風量調節閥)，以保證高效過濾器全壽命周期內阻力逐漸變大情況下(初終阻壓差150～250 Pa)仍滿足送、排風量的穩定，確保室內壓力恒定。

B2類生物安全柜需配置高密閉性電動氣密閥(泄漏率小于0.05%，詳圖3)，并與安全柜連鎖。避免安全柜關閉時，因室內的負壓狀態，安全柜排風管內氣體倒流回室內。

4 系統控制

4.1 送、排風系統啟停連鎖控制措施

排風機與送風機應聯鎖，應先啟動排風機，再啟動送風機。關停時，應先關閉系統送風機，再關閉系統排風機。送、排風機采用變頻、手動調節措施。

4.2 局部排風應采用連鎖控制措施

本PCR實驗室的標本制備區設置一臺Ⅱ級B2型生物安全柜(100%外排)，安全柜自帶低反應時間(響應時間小于1s)文丘里變風量排風閥，配置相應的變風量排風機。該排風閥應連鎖對應設置的變風量新風補風系統(響應時間小于1s)，確保補風量與排風量一致，不影響房間壓差值。隨著實驗檢測項目越來越多，實驗室很可能在未來增設生物安全柜，應注意A、C類生物安全柜可以分類多臺并聯，設置相應的變頻排風控制系統，確保多臺生物安全柜之間的平衡；B類生物安全柜必須單臺設置獨立排風系統。該特殊點應特別提醒醫院方，避免后期增設生物安全柜未配置相應的補風系統，導致整個PCR實驗區壓力失衡。

所有送排風機的開關，應由專門人員統一控制。

5 結語

升級改造后的空調通風系統設置，使PCR實驗室可在疫情期間實現更高壓差級別的實驗房間的壓力梯度，在PCR實驗過程中試劑和樣本免受污染的同時，減少對工作人員和環境的傷害。疫情過后，PCR實驗室通過排風量調節，使各實驗區域滿足平時的壓力梯度，也能滿足正常時期PCR實驗室需求，達到院方平疫轉換的使用要求。

精準的設備管道密封施工、建筑圍護結構的完善密閉性，調試正確的智能化控制系統，是PCR實驗室建造的重點。帶紫外線消毒燈的傳遞窗雙窗連鎖、實驗區與對應緩沖間門電子互鎖、壓力梯度動態數顯、空調通風系統可視化控制等數字化技術的綜合應用，確保了PCR實驗室的可靠安全。PCR實驗室專業性強，系統控制要求高，需要專業人員負責實驗室的維護及管理，方可保證實驗室的高效、安全的運行。

本工程的實驗室通過縫隙法計算后，若僅考慮最小壓差的需求，各實驗房間的全面通風換氣的排風量約6～12次/h，對應新風量僅約3～8次/h；但Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區的生物安全柜、離心機、水浴鍋、PCR儀、電泳儀、電熱板、消毒車等設備發熱量較大，故PCR各核心實驗室的空調送風換氣次數為15～25次/h。本PCR實驗室空調通風系統采用全新風模式凈化空調系統，從避免交叉感染的角度看安全性高，但該系統能耗較高。PCR實驗室非疫情時，是否可采用帶回風箱的混風模式，采用部分新風的全空氣系統，在疫情時關閉回風密閉閥門，設置平疫雙排風機，滿足平疫轉換的要求，這種為PCR實驗室空調通風設計可考慮的做法，值得廣大暖通設計人員思考。