生物安全实验室安全设计

张捍东，佘万根

（安徽省医药设计院，安徽 合肥 230000）

生物安全实验室安全设计

张捍东，佘万根

（安徽省医药设计院，安徽 合肥 230000）

针对生物安全实验室的安全要求及运行风险管控，结合具体P3生物安全实验室工程案例，从设计角度对P3生物安全实验室的选址、平面布局、净化空调及控制的安全要求进行流程原理性阐述，以利工程施工人员提高对设计图纸理解能力，使实验室研究人员更安全的操作运行。

生物安全防护；生物因子；气溶胶；负压控制

目前，随着我国经济发展及国家对科学研发投入的加大，我国高级别生物安全实验室建设速度加快。目前已有30多家P3级别生物安全实验室获CNAS认可验收，还有近10多家P3正在建设审批，同时有数个P4级别实验室正在规划建设。随着各级别生物安全实验室的建设运行，尤其是P3、P4高级别的生物安全实验室的建设运行，相应的生物安全实验室的设计的安全措施更显重要。本文结合笔者参与某个国家级P3实验室改造设计经历，主要总结P3级别实验室的安全设计的要点。

生物安全实验室(biosafety laboratory)或称生物安全防护实验室(biosafety containmentfor laboratories)，是通过防护屏障和管理措施，控制被操作的有害生物因子，避免有害生物因子的危害，达到安全要求的生物实验室和动物实验室。生物安全实验室是研究病毒、细菌等各种致病因子的特殊建筑物。

《实验室生物安全通用要求》（GB19489-2008）将实验室按照对所操作生物因子采取的防护措施分为一级、二级、三级和四级，四级防护水平最高。

三级：适用于操作能够引起人类或者动物严重疾病，比较容易直接或者间接在人与人、动物与人、动物与动物间传播的微生物。

生物安全实验室的分级中，三级和四级属于高级别生物安全实验室，即简称的P3、P4实验室。

BSL3实验室是专门处理本地或外来的病原体且这些病原体可能会借由吸入而导致严重的或潜在的致命疾病。这些病原体包括各种细菌、寄生虫和病毒可能导致人类严重的致命性疾病，但目前已经有治疗法，包含鼠疫、高致病性禽流感、狂犬病毒、SARS、黄热病毒、结核杆菌、炭疽杆菌、鹦鹉热衣原体、西尼罗河病毒、委内瑞拉马脑炎病毒、伤寒杆菌等。该级别适用于临床、诊断、教学、科研、或生产药物设施。

洁净度级别：7～8级；

换气次数：10～15(次/h)全新风；

与由室内向外方向上相邻相通房间的压差：-15～-25(Pa)；

温度：20℃～26℃；

相对湿度：30%～60%；

最低照度：500lx。

三级生物安全实验室开始设计前应由建设单位完成项目立项及选址审批，可行性研究审查及报批，项目环境评价等工作，根据项目选址及环境评价要求开始项目工程设计。

三级生物安全实验室设计除依据一般建筑工程常规性规范外，主要依据《实验室生物安全通用要求》及《生物安全实验室建筑技术规范》。

由于P3实验室事故感染率主要由气溶胶扩散引起，且气溶胶具有易生性、易散性并且人不易察觉。因此在P3生物实验室内必须采取严格的隔离预防措施，应明确划分辅助工作区和防护区。P3生物实验室应在建筑物中自成隔离区或为独立建筑物。

P3生物安全实验室平面布局应分区明确，流程简洁，人物流避免交叉污染。目前P3生物安全实验室布局主要为“三区二通道”、“三区一通道”两种形式。三区分别指：污染防护区、半污染防护区、清洁辅助区。考虑P3级生物安全实验室建设投资及运营费用均较高，目前国际及国内建设及运营的P3级实验室大部分均只设置2～3个主实验室，且布局在主实验楼内，布置形式基本采用“三区一通道”。

实验室清洁辅助工作区包括监控室、清洁衣物更换间以及物料储藏处理。

污染防护区指核心工作间。

半污染防护区包括防护服更换间、淋浴间、缓冲间及核心工作间缓冲间、内准备间。

以下为某P3实验室的平面布置图。

P3平面布置图

P3实验室人流物流应按照可靠的流程路线，并经严格的操作规程执行。如投资及条件许可，采用人流物流独立的两通道布置更利于避免交叉污染。

人员进入时，经过一更和淋浴至二更穿上内层和外层防护服，佩戴双层手套、N95或N99口罩以及呼吸过滤机，人员离开前在二更中按程序脱下防护服淋浴，防护服的穿、脱应依照程序规范进行。

实验室的物品及物料、动物等进出应经清洁、净化或消毒灭菌处理。

在实验室防护区内设置专用的双扉生物安全型高压蒸汽灭菌器及具备净化、消毒功能传递窗。不能高压灭菌的物品应有其他消毒灭菌措施。需高压灭菌的物品经双扉生物安全型高压蒸汽灭菌器进出，其他物品经传递窗进出。

进入实验室的所有物品在彻底消毒之前严禁带出BSL3，实验产生的废物和动物尸体等必须从双榧高压锅经120℃以上30min以上灭菌后运出实验室。

人流路线：换鞋→一更（脱工作服）→淋浴→二更（穿防护服）→内准备间→缓冲→BSL-3及ABSL-3核心工作间。

物流路线：清洁处理→传递窗或双扉高压蒸汽灭菌器→内准备间→传递窗→BSL-3及ABSL-3核心工作间。

以下为某P3实验室的人物流路线图。

人物流路线图

采用压差控制为控制致病生物因子气溶胶外泄主要方法。负压越大，对围护结构气密性要求越高，初投资和运行费用增加；但如果负压越小，致病生物因子气溶胶外泄风险加大，增加实验室安全隐患。因此整个P3实验室压力梯度需要综合平衡。《实验室生物安全通用要求》针对核心防护区规定如下：动物饲养间的气压与室外大气压的压差值应不小于60Pa，与相邻区域的压差应不小于15Pa。不能有效利用安全隔离装置操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室的动物饲养间的气压与室外大气压的压差值应不小于80Pa，与相邻区域的压差应不小于25Pa。

实验室污染半污染防护区均需负压控制，外围区域与核心防护区之间设置缓冲间，缓冲间连锁控制。

其他半污染防护区每级级差负压值取-10Pa～-15Pa为适宜。

下图为某P3实验室的压差取值及压差梯度设置。

3.5.1 空调冷热源类型

P3实验室工作根据实验需要需连续24h工作，当P3实验室设置在其他建筑中，P3实验室空调负荷占比大楼负荷较小，如冷热源接自大楼中央空调系统时，P3实验室空调负荷及运行时间不匹配；如P3实验室独立设置，由于空调负荷较小，P3实验室采用单独风冷热泵机组供冷供热比较合理。考虑P3实验室的安全及连续运行，冷热源机组宜设置备用。

压差及净化级别平面图

3.5.2 洁净度和换气次数确定

P3实验室属生物洁净室范畴，洁净度指标对尘埃数及细菌数均有要求，参照《实验室生物安全通用要求》，净化级别7～8级，取定主实验室和内准备、二更、淋浴为7级，一更取8级。

换气次数按净化级别计算，7级按不小于15次/h，8级按不小于12次/h。目前P3实验室配置的生物安全柜排风量约在1500m3/h～1800m3/h，由于主实验室相对体积较小，按15次/h换气次数计算净化送风量占比生物安全柜排风量较小，为保证P3主实验室压力稳定，主实验室净化送风量应按生物安全柜排风量的1.5倍增大送风量，当排风柜工作时，可减少对P3主实验室空气的扰动。

3.5.3 风口布置及气流组织

P3生物安全实验室净化空调系统采用全新风直流系统。室外新风经初效、中效、高效过滤器过滤后，送至各实验室及功能间，初效、中效过滤器设置在净化机组内，高效过滤器设置在末端送风口。

实验室及各功能间送风管设置定风量阀控制稳定送风量。

实验室防护区房间应根据污染源位置合理布置送风口和排风口，形成定向气流；气流由低风险区向高风险区流动；送风口排风口气流应不影响室内实验设备（如：II级生物安全柜）的正常功能。

P3生物安全实验室各功能间采用直流排风，排风空气只能通过HEPA过滤器过滤后接至室外排放。室外排放口应设置在主导风的下风向（相对于进风口），与进风口的直线距离应大于12m，应至少高出本实验室所在建筑的顶部2m。

应可以在原位对排风HEPA过滤器进行消毒灭菌和检漏，这一点尤其重要。在原位对排风HEPA过滤器进行消毒灭菌和检漏，要求设计人员在布置排风管道时应考虑满足操作的足够空间。

功能间排风管设置变风量阀控制调节压差，生物安全柜排风管设置定风量阀。送风和排风管道的关键节点安装生物型密闭阀，必要时可完全关闭。

为保证实验室安全负压运行，排风机应设置备用风机，并需实行无缝切换控制。

送风排风管道及阀件需耐腐蚀、抗老化，送风管宜使用不锈钢材料，排风管应采用不锈钢板材焊接。

自动控制是P3生物实验室建成后是否能正常工作的关键。P3生物实验室弱电系统一般应包括门禁系统、监控系统、报警系统及空调通风控制系统。

门禁系统：进入实验室的门设置门禁，只有获得授权的人员才能进入实验室。必要时，应同时设置限制进入核心工作间的连锁机制。

监控系统：实验室的关键部位及功能间设置监控；生物安全柜、负压通风笼架的运行状态、故障状态应进行监控；高压灭菌器采用BACnet/IP通讯协议传数据进行远程监控。

通风系统连锁控制：启动实验室通风系统时，应先启动实验室排风，后启动实验室送风；关停时，应先关闭实验室送风及密闭阀，后关实验室排风及密闭阀。

压力梯度及负压控制：生物安全实验室的送风管道安装有定风量阀，排风管道上安装有变风量阀，生物安全实验室内排风设备开启对实验室压力产生波动，此时应连锁调节排风系统的变风量阀，以保证送排风比及房间压力梯度；压差控制方法采用余风量控制。

消毒工况控制：在送风、排风管道上设置电动密闭阀，当需要对实验室进行消毒时，关闭密闭阀。

报警系统：①过滤器堵塞监视及报警：对于粗效、中效、高效过滤器，通过检测过滤器两侧压差，超过设定值时报警；②实验室工作状态文字显示及声光报警装置：在生物安全实验室内人员方便看到的地方及实验室外设置参数报警，重要参数报警应为声光报警，一般参数报警为光报警。重要参数报警为：主实验室出现正压、主实验室出现超低负压，主实验室与准备间压力梯度持续丧失、停电、火灾、备用风机切换失败；核心实验室内设置紧急报警按钮，在紧急情况下，可及时向控制系统发出控制信号，以便控制系统优先应急响应。

生物安全实验室竣工，按正常程序验收后，必须经过国家授权的检测机构的检测。检测的内容包括实验室漏风率、功能间负压值、气流流向、气流速度、换气次数、高效过滤器检漏、洁净度级别等。

项目经验收合格后，由中国合格评定国家认可委员会组织相关专家进行全面验收，验收之后才能根据所批准的研究范围挂牌运行。

实验室运行必须遵循《实验室生物安全通用要求》进行。进入实验室工作的研究人员都必须经过严格的培训，通过考核取得上岗许可，并且实验室的运行都时刻处于有资质的管理人员的监管之下，政府部门亦会定期就实验室的运行进行考核和检查。

[1]GB19489-2008，实验室生物安全通用要求[S].

[2]GB50346-2011，生物安全实验室建筑技术规范[S].

当前我国许多地区污染严重，耕地面积大幅减少。据统计，对环境的污染中建筑业占40%，如我国2013年度在施建筑面积约113亿m2，需要砖砌围墙约400万m3，开采矿山资源400万m3，产生建筑垃圾污染土地26.1hm2，费用100亿元。传统的建筑工地围墙大多采用砖砌筑，均为一次性投入，不可周转，成本过高，大量消耗矿产资源和土地资源，产生的建筑垃圾是永久性的污染环境。

工具式墩、板组合围墙每延长米使用量建材约需0.59m3，砖砌围墙每延长米建材使用量约需0.764m3。按照需要做5次围墙计算，砖砌围墙建材用量为3.82m3；按照需要做5次工具式墩、板组合围墙计算，每延长米建材使用量为0.59m3。由此可以看出，在同样周期内，砖砌围墙建材用量是工具式墩、板组合围墙的近8倍。

本围墙的使用周转年限可达15年。可使现有需要开采矿产资源时间15年延长120年；15年内减少污染土地266.7hm2。

本研究项目经对建筑垃圾的成分分析、性能分析，对轻质混凝土板配合比的优选、构造设计的优选、制作，以及对组合围墙的结构设计、配件的标准化、施工工艺等，做了系统性研究与验证，并在一些商业、物流等工程应用，取得良好的经济效益和社会效益，为我国充分利用建筑垃圾开辟了一条新的途径，提供了一项可靠的技术。同时，该项技术具有很大的拓展性和适用性，将为我国建设环境友好型社会做出较大贡献，应用前景十分广阔。

TU244.5

A

1007-7359（2016）05-0251-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.090

张捍东，安徽省医药设计院，高级工程师，副总工程师