1 P3 实验室静压环境的技术要求

　　在我国建造病毒学实验室没有现行标准，为了保障实验室的安全使用，防止微生物污染，多参照国际上已有的实验室生物安全标准，建造和规范P3实验室(生物安全水平三级BSL23) 。系统在保证实验质量的同时,还要保障操作人员安全,杜绝环境污染。因此，实验室在保持一定的洁净度条件下，必须呈现一定的负压，确保室内污染源不泄露，且要对室内污染物和气体进行集中排放处理。

　　1.1 送、排风系统

　　考虑到P3 实验室使用的特殊性,为了避免外界污染物对实验的影响，以及防止室内污染源泄漏,做到安全送、排风，系统必须具备良好的密封性，送、排风要经过多级过滤，确保送风的洁净度和排风的安全性，室内空气不准在其他区域循环使用，而且必须经过过滤和消毒处理方可排出。

　　1.2 气压系统

　　P3 实验室要具有真空系统设施，以保障实验室绝对的负压。室内各区域从清洁区到实验区要形成相对压差梯度，形成负压陷阱，使气流定向移动。一般地，洁净走廊压力为- 10Pa ，洁净度为十万级;负压气闸压力为- 20Pa ，洁净度为十万级;P3 负压实验室压力为- 30Pa，洁净度为万级。

　　2 P3 实验室环境控制系统设计

　　近年来随着微生物制药的发展，实验设施的进口化对环境要求的提高，大大促进了P3 实验室的技术水平，特别是SARS 病毒的爆发，国家对微生物及病毒实验室加大投入，新建一批高质量P3 级实验室，实现了实验环境的智能化监控。如何控制好P3 实验室的技术指标，是控制人员面临的新课题。

　　2.1　系统设计的若干难点

　　2.1.1 区域压差变化

　　由于各区域对压差的要求不同，特别是P3 区安全柜要求在一定的负压差环境下才能正常启动(一般为- 100Pa) ，因此各区域的压差变化不能超出技术范围。但是影响压差变化的因素很多，对负压控制造成外扰的原因列于表1 。

　　表1 外扰原因 (Table 1 　Factors of molestation)

　　序号

　　外　扰　项　目

　　备　注(作用强度)

　　1

　　管道系统阻力的增减(过滤器运行一定时间后的堵塞)

　　外扰速度较慢, 变化不太大,较容易控制

　　2

　　门的开闭(带气闸)

　　外扰速度较慢, 变化不太大,较容易制

　　3

　　门的开闭(无气闸)

　　对该区域外扰速度快,变化大,不易控制

　　4

　　安全柜启停

　　对该区域外扰速度快,变化大,不易控制

　　5

　　送排风机的启停 扰速度快,变化大,不易控制

　　6

　　因灭菌操作而关闭阀门

　　外扰速度快,变化大,不易控制

　　对于生物学危险所采取的安全措施，最重要的是根据其危险等级确定并维持一定的负压。压差控制是P3 实验室环境控制的一个硬指标，也是一个控制难点。

　　2.1.2 系统倒灌问题

　　P3 实验室是用来研究各种病毒和细菌的特殊场所，为了保障实验人员的生命安全和实验结果的可靠性，应严格控制气流走向，绝对禁止气流的逆向流动而形成倒灌。引起系统倒灌除了工艺设计上存虑。风管的合理布局也是减小控制难度的一个关键方面。

　　2.2 控制策略

　　在我国传统的控制方案多采用手动、定风量控制，这样很难实现对环境参数的变化的跟踪，实现实时控制。即使通过调节可以达到在负压环境下运行，但是对表1 中提到的干扰还是无法克服，容易出现波动。随着变频技术的不断发展和大量的智能仪器的出现，为智能控制提供了硬件环境;我们在多年的民用暖通应用中积累了大量的变频控制技术，为将变频技术应用在P3 实验室提供了实验依据。在系统出现扰动时，特别是系统运行过程中启停安全柜时，由于安全柜具有独立的排风通道，大幅度改变了原来该区域的排风量，如何控制好该区域的送排风风量变化，区域压差能够稳定控制在允许范围内是控制系统的难点。我们在处理该问题时，曾设计了多种设计方案，最终采用定风量送风，变风量排风。

　　在问题外，还会因为各过滤网的堵塞程度不同，造成送、排风量重新分配的不合理。各实验区扰动(特别是安全柜的启停) 造成的风量变化，引起各相关区域风量改变;安全柜与该区域之间的倒灌(安全柜与该区域的倒灌是绝对禁止的);系统(主系统和值班系统) 切换不合理等，所有这些因素都会造成系统气流的倒灌。要杜绝系统倒灌，不仅工艺设计要合理,(管理的分布、送排风风量的设计等) ，而且要控制好区域压差。

　　2.1.3 其他

　　要保证实验室环境指标，各设备的选取也是十分关键的。如：送、排风机的功率、风速、压头的合理选取是保证实验区域压差的前提条件。系统的温湿度虽然不是系统指标的关键因素，但是从实验人员舒适度以及实验动物的生存方面也应做到全面考行的过程中阻力(管道阻力和过滤网阻力等) 增加，使实际送风量小于额定送风总量，此时风速传感器检测到的风速减小，在风速传感器与送风机变频器的回路中，变频器的检测值小于给定值，变频器根据自身PID 进行自整定,调整输出频率,提高送风功率(提高送风压头) 从而使送风总量恢复到额定值要求。变频器自动调节输出频率，增加风量，克服因过滤堵塞和管道阻力引起的区域送风风量的变化，保证送风量不变。

　　而安装有安全柜区域的排风，由于安全柜使用时要与该区域形成一定的压差才能启动，若采用同一排风装置，直接将排风接在主排风管道上，在安全柜排风管道上安装定风量阀(CAV) ，虽然在排风量上满足了设备要求，但主排风系统在该区域排风口高效过滤上损失的压头和在安全柜排风高效过滤上损失的压头基本相同(二者均为两级高效过滤) ，其排风能力相同，这样无法实现安全柜与该区域形成一定压差，在这种情况下安全柜是无法启动的。因此安全柜必须采用独立的排风系统;和送风系统一样，安全柜排风管道在使用的过程中同样存在堵塞问题，在管道上安装风速传感器检测风量变化作为其变频器自整定的检测值，其PID 调节机构自动调整输出频率，克服安全柜高效堵塞，确保安全柜一定的负压工作环境。

　　但是由于安全柜采用了独立的排风系统，其区域在送风不变的情况下，当安全柜启停时快速的改变了该区域的排风风量，这将大幅度地改变该区域的压差，这样很容易让该区域出现负压过高(启用) ，或者形成正压(停机) ，而正压是绝对不允许的，这样会造成气流逆向流动形成倒灌。

　　要保证该区域内的压差，就必须改变该区域排风口的排风风量，因此在该排风口处安装一变风量调节阀，其自身带有PID自整定装置，我们选取该区域的关键性指标压差来调整变风量阀的开度，根据压差来自动调节排风口的排风风量，选取该区域的压差作为调节量不仅解决了安全柜启停对区域压差的影响，而且还克服了排风风口两级高效过滤堵塞引起的区域压差改变，起到双重作用。为了保证放有安全柜区域排风口风量发生变化时尽可能地不影响其他区域的压差，没有装置安全柜的区域送排风均采用定风量阀限定送排风风量，保证该区域的压差不变。

　　为了进一步确保P3 区域风量变化不影响其他区域的压差变化，同时克服自身过滤堵塞问题，我们在设计过程中经过反复推理，最终选取其他区域(没有装置安全柜的区域) 的压差作为主排风变频器的调节量。因为其他区域的排风口和P3 区排风口过滤特性相同(两级高效过滤)，其调节参数的选取不仅可以克服该区域的排风过滤堵塞问题，而且也可克服P3 区的排风过滤堵塞，更重要的是可以预防因P3 区安全柜启停可能造成对其他区域压差的扰动。

 

　　总之，整个系统的设计的宗旨是：确保各区域的负压环境稳定，减小扰动因素对各区域的压差的影响，保证系统的正常运行。整个控制系统已经模块化处理，直接和计算机连接，在软件设计上做到根据现场变化实时调整系统参数，大大提高了系统的控制能力。