基于Airpak的二級生物安全實驗室冬季熱環境分析*

龐 勇，謝明軍，崔建偉，李冬梅，張思維，孫建云

（1.甘肅省疾病預防控制中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

新冠肺炎疫情發生后核酸檢測實驗室成為各級疾病預防控制中心、醫院和第三方檢驗檢測機構的標配。核酸檢測實驗室也叫PCR實驗室或者基因擴增檢驗實驗室，是基于二級生物安全實驗室的組合型實驗室，一般由四個或三個二級生物安全實驗室組成，分別為試劑儲存和準備區、標本制備區、擴增反應混合物配置和擴增區、擴增產物分析區［1-3］。在我國，新冠肺炎納入乙類傳染病、采取甲類管理，所以核酸檢測實驗室工作人員必須按照生物安全三級防護要求穿戴防護用品，實驗室內大多數工作由工作人員在穿連體防護服、戴防護面罩和手套、防護鞋套的狀態下在實驗室生物安全柜中操作，實驗室環境的熱舒適性和空氣質量直接關系到檢驗人員的身心健康和工作效率，應該得到高度的重視。

計算流體力學（CFD）分析方法是國內外公認的室內氣流組織設計和評價最簡單的方法，Airpak 軟件是一款專門面向空調通風領域的流體力學計算分析軟件，其具有強大的可視化后處理能力，能夠生成矢量、云圖和粒子流動畫，從而描繪氣流的實時運動情況。模擬結束后，還可提供強大的數值報告，從而能夠對房間的熱舒適性、室內空氣品質和氣流組織進行綜合評價［4-15］。

熱舒適性水平是指人體通過自身的熱平衡條件和感覺到的環境狀況綜合起來獲得是否舒適的感覺。PMV 是人體熱舒適感全面評價指標，其值為+3～-3，相對應的熱感覺分別為熱、暖、微暖、適中、微涼、涼和冷七種狀態。PPD為預計處于熱環境中的群體對該熱環境不滿意的投票平均值，即對環境表示熱或冷的人所占的百分數［16］。

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012根據PMV-PPD指標劃分了熱舒適度等級，Ⅰ級標準為PPD≤10%，-0.5≤PMV≤0.5；Ⅱ級標準為-1≤PMV＜-0.5，0.5＜PMV≤1，PPD≤27%。利用Airpak 軟件可以得到室內環境的PMV 和PPD 云圖，從而可以分析室內的熱舒適性水平。

室內空氣品質也叫室內空氣質量，其評價指標很多，本論述選擇空氣齡。空氣齡是空氣在某一空間被測點上的停留時間，表征該空間舊空氣被新空氣所代替的速度，能夠反映該空間空氣的新鮮程度和去除污染物的能力，利用Airpak 軟件可以得到空氣齡分布云圖，進而可以評價室內空氣品質。

1 數值模擬

1.1 物理模型

選取蘭州市某綜合實驗樓中層PCR實驗室中的位于中間位置的二級生物安全實驗室作為研究對象，實驗室由100 mm 厚巖棉彩鋼板分隔而成，尺寸為9.02 m（長）×3.55 m（寬）×2.60 m（高），分為緩沖間和主實驗室兩部分，緩沖間與主實驗室同寬同高，忽略隔墻厚度，緩沖間長度為1.90 m，主實驗室長度為7.12 m。北墻為外墻，由內向外依次為100 mm厚巖棉彩鋼板、20 mm厚水泥砂漿、240 多孔磚、30 mm 厚 EPS 板、20 mm 厚水泥砂漿面層，冬季計算熱流密度為-9.17 W/m2，窗戶尺寸為1.5 m×1.6 m，為鋁合金單框中空玻璃，冬季計算熱流密度為-141.9 W/m2［17-18］，東西墻壁和南墻與空調房間相鄰，傳熱忽略不計，默認為絕熱。主實驗室采用風機盤管加新風系統，實驗室的熱負荷全部由風機盤管負擔，室內冬季設計溫度20 ℃。新風系統的補風，除過渡季節直接采用室外新風外，在冬夏季均需將新風處理至接近室內焓值狀態點后送入空調房間。為防止實驗區域各實驗室內有異味的氣體或有害的氣體逸至走廊等區域影響整個實驗樓的工作環境，并且為使新風系統的新風能有效地補入空調房間以滿足人的衛生要求，在公共走廊均設有新風口進行送風，從而使走廊形成一定的正壓。為確保實驗結果的正確性，主實驗室設計為相對于緩沖間微正壓，即新風系統的補充新風直接送入實驗室內，然后通過門縫滲至其相鄰的緩沖室內，該緩沖室內設有排風口，并對走廊形成相對負壓，這樣能使各實驗室內的異味或有害氣體得以良好的控制。實驗室內有一型號為SX-BHC-1300A2 的生物安全柜，正常情況下由兩名工作人員坐姿于生物安全柜前在生物安全柜內操作實驗。主實驗室四組不銹鋼吸頂凈化燈，緩沖間一組不銹鋼吸頂凈化燈，其它設備忽略不計。所建二級生物實驗室模型如圖1所示，模型相關參數見表1所列。

圖1 二級生物安全實驗室物理模型

表1 模型相關參數

1.2 數學模型

經Airpak 軟件的模型檢查，該模型的雷諾數為82 807.6，佩克萊特數為261 535.9，所以室內流態為湍流，采用數值模擬結果與實驗結果吻合度較高的室內零方程湍流模型并對室內做如下假設：空氣為不可壓縮透明氣體；忽略環境中熱輻射作用，空氣流動為穩態流動，且符合Boussinesq假設；內墻、天花板和地板設置為絕熱，忽略門、窗的漏風影響。按照設計工況對模型進行條件設置。收斂條件設置為流動方程相對誤差0.001，能量方程相對誤差1×10-6，組分方程相對誤差0.001。

1.3 網格劃分

根據Airpak 軟件網格劃分要求，確定該模型網格單元的X最大值為0.1775 m，Y最大值為0.13 m，Z最大值為0.451 m，對各通風口、送風口和排風口等速度梯度大的部分局部加密，使其各方向上的的網格數大于等于4，經網格無關性和質量檢驗，共計劃分網格104 262個。

2 模擬結果與分析

按照設計工況對實驗室進行模擬計算，工作人員坐姿于生物安全柜前，分別選取y=1.25 m（面部）處的速度場、溫度場、PPD、PMV；y=0.1 m（腳踝）處的速度場、溫度場，y=1.25 m處的空氣齡來分析工作人員的舒適性和空氣品質。

2.1 溫度結果分析

設定風機盤管送風口溫升為4℃時房間溫度即可接近設計要求，y=1.25 m 處溫度云圖如圖2 所示，由圖可見內，該截面緩沖間溫度在22.4 ℃左右，主實驗室溫度最低處位于窗戶處，其它大部分區域溫度在22 ℃左右，分布較為均勻，工作人員所在位置溫度為20.7 ℃～22.5 ℃。y=0.1 m處溫度云圖如圖3所示，由圖可見，該截面大多數區域溫度為21.5℃左右，工作人員所在位置溫度為21.5 ℃～22.0 ℃。

圖2 y=1.25 m處溫度云圖

圖3 y=0.1 m處溫度云圖

2.2 速度結果分析

y=1.25 m處速度云圖如圖4所示，由圖可見該截面風速在0 m/s～0.73 m/s，工作人員長時間所待位置風速在 0.13 m/s～0.40 m/s。y=0.1 m 處速度云圖如圖 5 所示，由圖可見該截面風速在0 m/s～0.80 m/s，工作人員長時間所待位置風速在0.13 m/s～0.40 m/s。x=0 截面的速度矢量圖如圖6所示，由圖可以看出，主實驗室中至少存在三處渦流區域，渦流會影響通風換氣效果，可以通過調節送風方向來減小。

圖4 y=1.25 m處速度云圖

圖5 y=0.1 m處速度云圖

圖6 x=0處速度矢量

2.3 PMV 和 PPD 結果分析

核酸檢測工作人員衣著為T 恤、長褲、連體防護服、護目鏡+防護面罩、薄底鞋、防護鞋套，在該條件下室內PMV的平均值為0.67，PPD的平均值為14.76%，其中 y=1.25 m 處 PMV 如圖 7 所示、PPD 如圖 8 所示，由圖可見，y=1.25 m 處的 PMV 值在 0.16～1.19，PPD 值在5.56%～35.00%，其中工作人員長期所待位置的PMV在0.50～0.75，PPD在10.66%～14.44%。

圖7 y=1.25 m處PMV

圖8 Y=1.25 m處PPD

2.4 空氣齡結果分析

Y=1.25 m 處空氣齡云圖如圖9 所示，由圖可見，緩沖間空氣齡整體較大，最大值為1 367.68 s，整體換氣次數不到3 次/h。主實驗室靠近門處有一區域空氣齡超過400 s，其他區域都在300 s 以內，可見主實驗室內大多數區域的換氣次數超過12次/h。

圖9 y=1.25 m處空氣齡

3 結論

（1）室內PPD 的平均值為14.76%，PMV 的平均值為0.67，工作人員長期所待位置的PPD 在10.66%～14.44%，PMV 在0.50～0.75，可見整個實驗室包括工作人員長期所待區域都滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012規定的熱舒適等級二級標準。

（2）主實驗室工作人員常待的區域y=0.1 m 與y=1.25 m之間的垂直溫度差最大為0.8 ℃，工作人員不會因為溫度差感覺不舒服；主實驗室多一半區域包括人員常待的地方空氣齡小于300 s，空氣較為新鮮，局部區域空氣齡超過400 s，有待調整各風口進、出風方向和風速大小，從而縮小或消除該區域；局部區域的風速超過標準要求的最大值0.3 m/s，會有吹風感，運行中應進行合理調節。

4 討論

（1）冬季在實驗室開展實驗的情況下，風機盤管溫升達到4℃即可滿足實驗室的供暖要求，這是因為實驗室內生物安全柜等設備工作時散熱量很大，承擔了大多數的室內熱負荷。這也解釋了該實驗室冬季風機盤管在自動控溫的情況下大多數時間處于停止狀態的現象。局部區域風速超過標準要求，運行時可通過調整風口送風方向、調整送風速度等措施保證人員工作區的風速達到標準要求。

（2）對二級生物安全實驗室的設計要充分考慮室內設備的散熱，合理配置帶有溫控的采暖空調設備，才能達到節能又確保舒適的室內溫度環境。

（3）設計之初在充分考慮室內設備和人員散熱的情況下，利用Airpak軟件模擬室內熱環境，可為優化設計提供可靠依據。