生物安全二级实验室冬季温度过高的原因分析与对策探讨*

谷 鑫 李雪柏 高连胜 王衍海 韩 俊 谭吉宾 吕 阳*

中国疾病预防控制中心病毒病所(以下简称病毒病所)为国家新发、突发病毒性传染病提供全面的技术支持。病毒病所建立有完善的医学病毒检测和研究的实验室，成功地进行了多种病毒的分离鉴定，能够开展病毒病原学、免疫学、病毒结构与功能及病毒宿主细胞相互作用等研究，有效应对了多起病毒病疫情的发生[1]。病毒病所建立有生物安全三级实验室(biosafety level Ⅲ laboratory，BSL-3)和多个生物安全二级实验室(bio-safety level Ⅱ laboratory，BSL-2)。BSL-2的稳定运行，是相应类型病毒检测鉴定实验正常开展的基础[2]。

病毒病所BSL-2由自动控制系统通过直接数字控制(direct digital control DDC)控制空调机组、排风机、风阀及水阀等设备工作以保证相应的各项空气和环境指标符合国家标准。近年来，BSL-2存在冬季温度过高的问题，已不满足国家标准《实验室生物安全通用要求》(GB19489-2008)规定，为实验室规范运行带来不利影响。本研究从系统设计、热媒、冬季防冻及运行管理等方面分析产生温度过高现象的原因，提出对应的解决方案，为今后生物安全实验室的设计和管理提供参考依据。

1 温度过高对BSL-2的影响

BSL-2的运行要符合《实验室生物安全通用要求》(GB19489-2008)中明确规定的实验室温度宜控制在18～26 ℃范围内[3]。BSL-2温度过高会对病毒学实验产生很大干扰，直接影响实验设备的正常运行。

(1)二氧化碳(CO2)培养箱是病毒学实验室的核心设备，病毒敏感细胞的培养依赖于此设备，BSL-2温度一旦高于国标要求，CO2培养箱将异常工作或停止工作，导致病毒敏感细胞不能生长，病毒分离、培养及扩增实验无法开展[4]。

(2)冰箱用于保存各类样本、试剂，BSL-2温度高于国标要求，将影响冰箱正常散热，导致样本失去活性、试剂损坏。

(3)BSL-2温度过高还会影响实验室DDC控制器运行，无法保证正常的负压梯度、换气次数以及定向气流控制，严重时可造成核心工作间空气逆流至缓冲间而出现实验室周围环境污染，增加实验人员暴露的可能性和实验室感染事件发生的风险[5-7]。

2 BSL-2供暖原理

BSL-2采用空调全新风机组热水方式供暖，供暖锅炉产生的高温一次热媒(70～90 ℃热水)，由循环水泵通过供暖管道将热媒输送至板式换热机组，经板式换热机组将降温后的二次热媒(50～60 ℃热水)输送至各新风机组，室外新风经新风机组二次热媒升温后进入实验室内，达到供暖效果。新风机组通过水阀、风阀的调节来实现对实验室温度控制。供暖原理如图1所示。

图1 BSL-2供暖原理图

2.1 送风方式

BSL-2空调系统采用全空气送风方式，聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)实验室、病原实验室和血清学实验室采用上送侧下回的方式满足实验室温度、压力和洁净度的要求[8]。

全空气送风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，经表冷段完成冷热交换，由除湿段或加湿段进行除湿或加湿，再经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，其送风原理如图2所示。

图2 BSL-2送风原理图

2.2 排风方式

BSL-2排风系统为全送直排式，采用全排型生物安全柜和公共排风相结合的方式，将污染区和半污染区内气流死角和涡流降至最小程度。首先开启公共排风机，将空气吸入公共排风管道，经妥思调节阀进行风量控制，按一定比例送出实验室外。其次PCR实验室、病原实验室配有生物安全柜排风系统，开启生物安全柜双速排风机，将空气吸入生物安全柜风道，经妥思调节阀进行风量控制，按一定比例送出实验室外，并使实验室压力达到国家标准《实验室生物安全通用要求》(GB19489-2008)规定的标准，其排风原理如图3所示。

图3 BSL-2排风原理图

3 温度过高现象原因分析

3.1 设计原因

BSL-2冬季供暖和夏季制冷由热媒(冷媒)、空调系统、自动控制系统和末端设施组成。冬季供暖由供暖锅炉提供热媒，夏季制冷由制冷机组提供冷媒，共同一套供水管道、回水管道和风道。其换热计算见公式1；

Q=KA△t (1)

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

夏季制冷运行中换热流体水与空气之间的平均温差相对较小，冬季供暖运行中换热流体水与空气之间的平均温差相对较大，空调机组在设计阶段为确保盘管的性能，以夏季制冷的参数作为设计标准，所以冬季供暖的换热量较大，造成BSL-2冬季供暖温度较高。

3.2 过渡季室外温度不稳定

由于冬季供暖夏季制冷共同使用一套供水管道、回水管道和风道，所以空调供应分为制冷季、过渡季和供暖季，每年5-9月为制冷季，10月为过渡季，11-12月和1-3月为供暖季，4月为过渡季，过渡季用于保养和检修空调设备设施[9]。过渡季期间空调系统停止供暖和制冷，利用负压按照一定比例将室外新风吸入风道，经初效过滤器和中效过滤器完成空气过滤，最后经风机，按一定比例送入实验室内。由于过渡季室外环境温度较高，造成BSL-2温度较高。

3.3 冬季防冻

(1)当冬季室外温度较低时，空调机组表冷器存在冻裂的安全隐患，冻裂的主要原因是：①室外新风温度低于热媒温度，热媒温度过低，导致管道内热媒因整体温度低而冻结，表冷器整体出现冻裂情况；②系统中水流速过低，导致系统内水结冰，表冷器基管局部出现冻裂[10]。

(2)为防止冬季表冷器冻裂的情况发生，在实际运行中将二次热媒温度保持在50～60 ℃，以减少表冷器整体冻裂情况的发生，但50～60 ℃的二次热媒也造成BSL-2温度过高。

(3)为提高系统中的水流速，所有空调机组在开启状态下水阀开度设定为30%，关机状态下水阀开度设定为100%，这样设定虽然降低了表冷器基管局部冻裂的风险，但水流速提高也造成BSL-2温度过高。

3.4 温室效应

病毒病所各类生物安全实验室分置于楼体东、西两侧，冬季依靠空调系统进行供暖。东区BSL-2由9个实验单元组成，西区BSL-2由4个实验单元组成，每个实验单元由血清学实验室、细胞学实验室、病原实验室和PCR实验室组成。

BSL-2是全封闭状态，每个实验单元有生物安全柜、-80 ℃超低温冰箱、-40 ℃低温冰箱、高压蒸汽灭菌器和二氧化碳培养箱等常用仪器，部分实验单元放置大量设备，已经超出实验室原有设计的散热能力，导致部分BSL-2温度较高。另外受日照条件影响，南向实验室比北向实验室温度高。

针对病毒病所冬季温度波动问题，按楼层和朝向选定了温度波动显著的5间BSL-2，具体实验室的朝向、设备种类、数量、功率及散热量等见表1和表2。

表1 BSL-2温室效应基本情况

4 过渡季温度控制对策

4.1 设计区分夏季和冬季模式

空调系统设计时应区别夏季制冷和冬季供暖模式。夏季制冷模式使用面积较小的多排基管，确保盘管性能，冬季供暖模式采用小温差、大流量的设计，减小盘管供回水温差，保证水温[11]。这样可以减小换热流体水与空气之间的平均温差，以减小冬季供暖的换热量，减少BSL-2冬季温度过高的现象。

4.2 设计过渡季风冷热泵机组

过渡季期间停止中央空调系统供暖和制冷，用于保养和检修中央空调设备。BSL-2温度随着室外环境温度波动相应出现波动，应加装一套风冷热泵机组，根据室外温度变化，提供制冷或供暖，以稳定过渡季BSL-2温度指标。

风冷热泵的基本原理是基于压缩式制冷循环，利用冷媒作为载体，通过风机的强制换热，从大气中吸取热量或者排放热量，以达到制冷或者制热的需求[12]。

表2 BSL-2散热设备基本情况(台)

4.3 设计冬季防冻

将防冻传感器安装在新风机组的进风段前侧，即迎风面才能起到相应的预警作用。当室外温度在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[13]。当室外温度在-5～-15 ℃时，可以关闭新风阀，停止送风机组，打开旁通，将水阀开至100%，保持水系统的正常循环，水温在50～60 ℃。当室外温度低于-15 ℃时，关闭空调机组，机组彻底排水。

表3 BSL-2室内温度基本情况(℃)

4.4 温室效应

配置实验室设备时应根据实验室设计的散热能力，符合《疾病预防控制中心建筑技术规范》(GB50881-2013)[14]和《疾病预防控制中心建设标准》(建标127-2009)的要求，如超出原有设计散热能力，应增加单独的设备排风系统，有效降低由设备散热增加的温度[15]。

对南向实验室的窗户进行隔热处理：①选择对光和热有吸收能力的隔热玻璃，常见隔热玻璃有吸热玻璃、镀膜玻璃和中空玻璃；②玻璃增加防晒隔热贴膜，以减少日照产生的温度；③增加窗帘隔热，使用具有一定隔热效果带有隔热涂层的金属百叶帘及PVC材质的卷帘。

4.5 科学有效的管理

(1)根据室外温度及时调整热媒温度，当室外温度在0～-5 ℃时，将板式换热机组降温后的二次热媒由40～50 ℃降低到30～40 ℃，并减小风阀开度。通过降低空调机组的送风温度，以降低BSL-2内的温度。当室外温度低于-5 ℃时，板式换热机组降温后的二次热媒保持在40～50 ℃，实时减少风阀开度，以减少新风量，降低BSL-2内的温度。

(2)对每个位置、朝向和散热设备数量不同的BSL-2对风阀及水阀进行有针对性的逐一调节，降低南向实验室水阀和风阀的开度，在保持压力标准范围内的情况下，降低散热设备较多实验室的送风阀开度，提高排风阀开度，降低BSL-2温度。

(3)选定5间BSL-2在10-12月每日9：00、14：00和17：00时室内温度情况进行监测，统计出最低温度、最高温度及平均温度(见表3)。

5 结论

BSL-2冬季温度过高的原因是由空调设计参数、过渡季室外温度较高、冬季防冻二次热媒温度较高、室内散热设备超出设计标准及南向实验室日照强度等多因素造成，需要采用分夏季制冷和冬季供暖模式设计空调参数、过渡季使用风冷热泵系统、冬季防冻采用减少风阀开度并增加旁通阀门和南向实验室使用隔热玻璃等不同方法逐步解决。因此，管理人员需加强日常监控，根据室外温度及时调节热媒温度，确定风冷热泵启停时间；针对不同季节，及时调整风阀及水阀等设备运行参数，以保证生物安全实验室空调系统的正常运行。