生物安全实验室空调机组冬季防冻对策探讨*

谷 鑫 李雪柏 王晓雪 崔琮琪 郭晓敏 王欣儒 谭吉宾*

中国疾病预防控制中心有大量生物安全三级(biosafety level 3，BSL-3)、BSL-2及通用实验室。各类生物安全实验室冬季依靠空调系统进行供暖，其自控系统通过控制空调机组、排风机、风阀、水阀等设备保证生物安全实验室内空气压力、定向流、温度、湿度、风量和换气次数满足规范要求，确保生物安全柜及通风柜等设备的正常运行。

近年来，冬季部分生物安全实验室出现空调机组冻裂现象，为实验室安全运转带来较大影响。本研究从空调机组的系统设计、热媒、水流速、自动控制及运行管理等分析空调机组冻裂原因，并提出可能的解决方案，为今后生物安全实验室的设计和管理提供参考。

1 生物安全实验室空调系统

1.1 空调供暖系统

生物安全实验室空调供暖系统设有3台板式换热器，总换热量7500 kW，4台热水循环泵，每台流量为238 m3/h。热媒采用锅炉房提供70～90 ℃高温热水，经板式换热器二次供水温度为50～60 ℃。空调系统的供回水管、送回风道、新风风道及风阀均进行了保温处理。空调供暖系统采用气压罐定压，各楼层的分支管道和机组连接处设置动态平衡阀，以便根据负荷进行压力调节。空调机组采用减震吊架或吊杆的方式安装在软吊顶内，机组回水管设置电动调节阀，以便根据负荷进行流量调节。

1.2 空调自动控制系统

空调自动控制系统分别设在各研究所一层监控室，由中央监控系统、现场直接数字控制器(direct digital control，DDC)和末端设备组成。自动控制系统能够监测空调机组的供暖、通风系统(含生物安全柜、通风柜)运行状态和参数。根据室外环境条件监控调整机组的运行状态包括温度、湿度、风速、水流速及水流量等。空调系统回水管设置有防冻温度传感器，报警温度为5 ℃。

1.3 送风方式

BSL-2实验室空调系统采用全空气的送风方式。对于有生物安全要求的聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)实验室、病源污染实验室和血清学实验室均采用上送侧下回的方式，以满足实验室洁净度和压力的要求[1-2]。

全空气的送风是利用负压按照一定比例将新风吸入风道，经初效过滤器完成一次过滤；过滤后的新风与回风混合，经表冷器完成冷热交换，由中效过滤器完成二次过滤；最后经风机，按一定比例送入实验室内[3](如图1所示)。

图1 空调机组全空气送风原理示图

1.4 表冷器

表冷器是空调机组的重要组成部分，是空气进行冷热交换的关键设备[4-6]。空调机组冻裂一般表现为表冷器基管冻裂。换热基管平行布置并用弯头连通，在水平方向同侧设置进出水汇集管。进水汇集管底部无排水阀，出水汇集管顶部设有排气阀。表冷器基管为紫铜管直径为0.022 m(如图2所示)。

图2 空调机组换热机管平行布置送风原理示图

2 空调机组冬季冻裂原因分析

2.1 设计原因

冬季供暖和夏季制冷共同一套供水和回水管道。空调机组在设计阶段为确保盘管的性能时，通常以夏季制冷时的参数作为设计标准[7]。换热计算为公式1：

式中Q为总换热量，K为总换热系数、A为换热面积、Δt进行换热的两流体之间的平均温度差。

夏季制冷运行中，空调机组供回水温差较小，为5～7 ℃；水与空气之间的平均温差相对较小，＜30 ℃；换热面积相对较大，水流速较大。在冬季供暖运行中，空调机组供回水温差较大，为20～25 ℃；水与空气之间的平均温差相对较大，＞50 ℃；换热面积相对较小，水流速较小[8]。水与空气接触时间较长，水温下降快容易形成冰层，导致表冷器基管整体出现冻裂情况。

2.2 热媒温度过低

热媒是转换热量的基础要素，供暖期间板式换热机组将锅炉房的一次出水转换为二次出水，二次出水为空调供暖系统的热媒。当室外温度＜0 ℃时，新风温度远低于热媒温度，热媒温度过低，则导致管道内的热媒容易因整体温度低而冻结[9]，造成表冷器基管整体出现冻裂情况。

2.3 水流速过低

当冬季室外温度＜0 ℃时，因系统中的水流速过低致使系统内水结冰，导致表冷器基管局部出现冻裂情况。水流速过低的原因一般为管路流动阻力大、系统循环泵故障、系统供回水管有杂质阻塞以及系统排气不畅，而表冷器基管有杂质阻塞为主要影响因素。

2.4 防冻报警存在误差

空调自控系统回水管设置防冻温度传感器的报警温度为5 ℃。当检测温度低于报警温度时输出两路了信号：①ON与OFF接点，将自动关闭新风阀，停止新风进风，同时也停止风机送风；②10 Vdc电压信号，控制水阀开至100%。当防冻温度传感器安装在回水管的背风面时，检测数据为经保温后的回水温度，不能准确反应出迎风面的实际温度，引起报警误差，导致表冷器基管迎风面出现冻裂情况。

2.5 冷风渗透

表冷器一般均采用“U”形盘管结构，盘管长度较长，两端采用弯头连接，这种结构无法将盘管内存水完全排空[10]。冬季低温环境下，当空调机组停止工作时，由于新风阀未关闭或关闭后密闭性不好，冷风渗透，导致管道内的水因局部温度逐渐减低而冻结，导致表冷器基管局部出现冻裂情况。

3 空调机组冬季防冻裂对策

3.1 设计分夏季和冬季模式

空调系统设计时应区别冬季和夏季模式。冬季采用小温差、大流量的设计尽可能的提高盘管内水流速，减少盘管供回水温差，保证水温和流速[1]。空调机组设计使用多排表冷器基管时，水流与气流应保持顺时针连接，可以延迟水温降低时间，减少前排表冷器基管冻裂风险。此外，选用面积较小的基管，可以提高水流速，减少整体表冷器基管冻裂风险。

3.2 保持热媒温度

持续稳定的热媒温度，是保证空调供暖系统正常运转的前提[11]。由于热媒温度是由高到低传递，且传递过程中有能量损耗，因此一次热媒温度应达到70～90 ℃，以确保空调机组基管热媒温度为30～40 ℃。

3.3 保证稳定水流速

本项目表冷器的基管直径为0.022 m，其流速在0.15 m/s以下即为层流[12]。在层流状态下，水与空气接触时间较长，水温下降快，极容易形成冰层，造成冻裂情况。在冬季供暖前对循环泵进行维修保养，运行中定期检修循环泵，确保循环泵正常运行。空调系统设置排气装置，冬季供暖前排空系统内气体，确保系统内水流速在设计范围之内，即使系统在运行中存有少量气体也可及时排空。

空调水系统进口处设置“Y”形过滤器，运行前全面清洗一次，运行中定期清洗，避免杂质进入系统后增加水阻力、降低流速。空调机组进水口设置SG型过滤器，过滤器每季度更换一次滤芯，避免杂质进入机组后增加水阻力、降低流速。

3.4 防冻温度传感器的设置

将防冻温度传感器安装在空气进风前侧，即迎风面才能起到相应的作用。温度传感器使用铜电阻、铂电阻或半导体温度传感器，温度误差较小，为0～1 ℃，反应动作快。此外，水阀选型应偏小，以确保阀门在开度小的情况下流速高，避免层流现象[12]。

3.5 保温密闭风阀

新风口处设置密闭性好的保温风阀，尽量加大新风阀与风道入口直接的距离，减少因密闭性造成的冷风渗漏[13]。将新风阀与风机相关联，当新风阀关闭时风机停止运行。

3.6 机组彻底排水

冬季长期不用的机组可以进行排水处理。表冷器进、出水管相对低点处安装有泄水阀。空调机组停止使用时，先将机组内水排干。在排气阀处安装1个三通连接压缩空气，使用≥0.16 MPa的压缩空气进行反复吹扫≥30 min，打开盘管最低端的排水阀，将水全部排干，防止盘管冻裂[14]。

3.7 设置旁通

当室外温度在零下0～5 ℃时，及时减少新风阀开度，以减少新风量，加大回风阀开度，以增加回风比例，提高混合风温度。通过减少温差，提高水流速，防止冻裂。当室外温度在零下5～15 ℃时，可以关闭新风阀停止送风机组；打开旁通阀将水阀开至100%，保持水系统的正常循环，水温在30～40 ℃。当室外温度低于零下15 ℃时关闭空调机组，机组彻底排水。

3.8 其他防冻方法

常用的实验室空调机组防冻方法还有电加热预热法、加装循环泵法、特殊热媒法。

(1)电加热预热法是在新风入口设置电加热，起到预热新风的作用。这种方法在实际运行中存在电加热器换热效率不足、电气控制器故障的隐患，仍会有冻裂情况发生，且尚存在较大的消防安全隐患[15]。

(2)加装循环泵法是通过增加循环泵，解决水流速过低的问题。在实际运行中存在系统水量无法控制，容易出现温度过高情况[16]。

(3)特殊热媒法是采用凝固点低于室外最低温度的介质为热媒，可解决热媒结冻的问题。但在实际运行中存在特殊热媒增加管道、机组腐蚀性、减少系统使用年限以及增加运行成本的问题。

4 结语

生物安全实验室空调系统冬季冻裂是由于空调设计参数以制冷为基础、热媒温度过低、水流速过低、防冻报警误差、新风阀密闭性差以及机组排水不彻底等多方面原因造成，需要有针对性地采用不同方法逐步解决[17]。根据长期运行管理的经验，除靠自动控制系统防冻报警来确保机组正常运行外，还需管理人员加强日常维护保养，按月、按季度对循环泵和风阀进行检修保养，设置旁通阀，增加排水阀，针对不同季节及时调整设备运行参数，以保证生物安全实验室空调系统的正常运行。

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