基于排污效率的高生物安全风险车间的气流组织评价方法研究

刘智琳，孟 晗

（奥星制药设备（石家庄）有限公司，石家庄 050011）

0 引言

在新型冠状病毒（以下简称“新冠病毒”）全球大流行的背景下，各界对于生物安全的关注达到了一个前所未有的高度。高生物安全类生产车间区别于普通洁净室及生物安全实验室，其内部主要从事与高感染风险生物因子相关的生产工作，若防护设施不合格或管理不到位，随时都有工作人员被感染或病原体泄漏的风险。因此，生产过程中的病原微生物或其他有害物质泄漏后如何快速排除是需要关注的问题。

近些年，关于高生物安全类空间中的气流组织的研究已经证明，上送下排的送风形式可以更好地排除污染物[1-3]，换气效率和平均空气龄也更能满足要求[4-5]。现阶段负压房间的暖通空调设计多采用提高换气次数的方法来保证压力梯度及洁净度要求，但是盲目增大换气次数除了会增加能耗，还会影响室内颗粒物的质量浓度分布[6]。本文以某新冠病毒疫苗的生产车间为例，通过数值模拟方法计算洁净生产区内的污染物分布情况，提出基于排污效率的生物安全类洁净室气流组织的评价方法。

1 研究方法

1.1 数值模拟方法

本文采用Fluent 软件，对生产新冠病毒疫苗的核心生产区进行数值模拟。以某新冠病毒疫苗生产基地的生产楼作为研究对象，建筑内共设置4 个生物安全防护区，本研究以上游工艺收获灭活区为研究对象。该防护区包括核心生产区和防护服更换间、淋浴间、人员气锁等房间，总面积约为110 m2，层高为5.8 m，吊顶高度为2.7 m，其中核心生产区为三级生物安全防护区，面积约为100 m2。

参考的设计标准主要包括GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》[7]、GB 50457—2019《医药工业洁净厂房设计标准》[8]、GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》[9]。依据标准中的相关要求，模拟区域的洁净度级别为C 级，在满足上述规范要求的前提下，结合工艺生产实际需求，上游工艺收获灭活区的核心生产区的室内设计参数为：换气次数28 次/h、房间负压值-50 Pa、温度18～27 ℃、相对湿度30%～70%。

上游工艺收获灭活区的核心生产区内包括1 个隔离器及9 个大小基本一致的预混罐/灭活罐等设备，由于核心生产区面积较大、内部设备较多且实际模型较为复杂，进行网格划分时的网格数目巨大，因此首先对模型进行简化，如图1 所示。房间的最大尺寸为10.87 m×9.68 m×2.7 m（长×宽×高），采用上送侧下回的送风形式，房间顶部均布置9 个送风口，尺寸为695 mm×695 mm；四周侧墙布置8 个回风口，风口底部距离地面100 mm，尺寸为500 mm×400 mm。

图1 核心生产区模型示意图

本文应用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法进行核心生产区内流场变化的计算，对室内流动做以下假设：流体为不可压缩流体；洁净区内为了达到洁净度的要求，往往采用高换气次数，因此认为流动为等温过程。一般室内气体的流动状态为充分发展的湍流流动，本研究中的核心生产区面积较大、内部设备较多，因此湍流模型采用RNG k-ε 模型。

根据前文内容可知，核心生产区的换气次数为28 次/h，房间实际体积为271 m3，送风量为7590 m3/h；房间负压为-50 Pa，渗透风量为890 m3/h。在不考虑空气比容变化的情况下，进入洁净室的风量与排出洁净室的风量是平衡的。模拟计算的边界条件选择与实际工程送风量一致的情况，送风量为7590 m3/h，边界条件采用速度入口（正）；排风量为8480 m3/h，边界条件采用速度入口（负），其中靠近1#培养基储罐的1 个排风口的边界条件设置为压力出口。

本文研究对象为新冠病毒疫苗的生产车间，新冠病毒的粒径为70～120 nm[10]，在模拟中假设所有的颗粒为球形光滑颗粒，粒径为100 nm。洁净区墙壁均为彩钢板，壁面处设置为“reflect”边界条件。颗粒物的计算采用离散相模型，勾选“Inject Using Face Normal Direction”，质量流量设置为1.0×10-8kg/s。

1.2 污染物的排除效果

为了实现更好的气流组织形式，现在洁净空间的暖通空调设计多采用均布送排风口的经验方法，在验收时基本能够满足标准中关于洁净区内温湿度、悬浮粒子及微生物动态标准、气流流向等要求。但是由于工艺设备与风口布置会发生冲突，实际情况中并不能做到均布送排风口，洁净区内气流流向等是无法估计的。在高生物安全类洁净空间中，发生突发污染是非常危险的，因此在建筑方案设计阶段就需要量化气流指标。本文以突发污染时的排污效率作为评价指标，可以评价并优化初期设计方案，以保证最大限度地满足标准的要求。

排污效率（ε）可以用来表示排除室内污染物的能力。排污效率的计算采用稳态模拟，定义排污效率为出口污染物的平均质量浓度与室内污染物的平均质量浓度的比值，计算公式如下：

式中，Ce为出口污染物的平均质量浓度；C 为室内污染物的平均质量浓度；Co为送风中的污染物质量浓度。

此外，补充排空时间作为辅助评价指标，定义为非稳态模拟计算下污染物全部排除所用的时间。采用非稳态模拟，比较在不同情况下相同污染物散发时间下洁净室内污染物的排除效果。

根据实际工艺情况，主要对以下2 种情况污染物的排除时间及排污效率进行计算：

情况一：已知隔离器的作用在于将病毒隔离在其中而完全不向室内扩散，因此其通风系统是单独控制的，但是隔离器顶部与排风装置连接处为整个核心生产区内唯一处于正压的地方，内外压差最大时能达到100 Pa，若发生病毒泄漏会产生严重危害；

情况二：根据工艺情况及设计方案，整个防护区的左上角区域缺少排风装置，但是该区域为人员操作时的必经区，因此需要考察在该区域发生意外后病毒颗粒的控制情况。

本文将以上2 种情况作为研究对象，根据计算结果对2 种情况下病毒颗粒的排除效果进行评价。

2 结果

2.1 核心生产区内污染物的整体质量浓度水平

如图2 所示，房间内高度为1.5 m 的截面平均风速为0.116 m/s，由于部分送风口下方布有罐体，气流受到阻挡后会绕罐体流动。整体上气流分布均匀，但是受到工艺设备的影响，排风口并不是完全均匀布置的，导致局部存在小的涡流，主要为缺乏排风装置且靠近墙体的区域。

图2 房间内高度为1.5 m 的截面风速分布

如图1 所示，根据实际情况，情况二或其他区域发生污染物扩散时，只是操作过程中的意外；但是情况一若发生泄漏，则意味着出现了安全事故。为了评价设计工况下病毒颗粒泄漏时核心生产区内污染物的质量浓度水平，以情况一为例，设定病毒颗粒由隔离器顶部持续散发600 s，采用非稳态模拟计算室内污染物的质量浓度分布。

房间内病毒颗粒的平均质量浓度和出口病毒颗粒的平均质量浓度随时间的变化情况如图3 所示。结果显示，第280 秒后房间内各处病毒颗粒质量浓度基本不发生变化，可以认为病毒颗粒在第280 秒就扩散至全室；280 s 后出口病毒颗粒平均质量浓度稳定在22.42 μg/m3，房间内病毒颗粒平均质量浓度稳定在5.43 μg/m3。因此，在发生安全事故时，建议相关人员在300 s 内撤离核心生产区，并采取相应的应急措施。

图3 核心生产区内病毒颗粒浓度随时间的变化情况

2.2 不同情况下核心生产区内污染物的排除效果

如表1、图4 所示，采用稳态模拟，情况一污染物的排污效率为0.8399，而情况二污染物的排污效率只有0.4653，因此在远离排风口的区域发生意外泄漏时，污染物很难快速排除；采用非稳态模拟，设定病毒颗粒从第6 秒散发至第10 秒，研究在相同散发时间内不同散发位置的污染物的排空时间，与排污效率的结果类似，情况一污染物第9 秒就可以到达排风口，总排空时间为556 s，而情况二污染物第50 秒才能到达排风口，总排空时间为771 s。因此，风口布置及污染源的散发位置是影响室内污染物的质量浓度水平及排污效率的重要因素。在空调系统的设计中，风口及操作平台的布置需要满足标准中送风口应避免直接吹向仪器的要求[10]，同时避免在远离排风口的位置处进行实验操作等。

表1 不同情况下核心生产区的排污效率及排除时间

图4 不同情况下的病毒颗粒物运动轨迹及排除时间

2.3 基于排污效率的核心生产区气流组织优化措施

根据前文分析可知，排风口布置受到工艺设备布置的影响，并不是完全均匀布置的，导致诸如情况二病毒颗粒扩散后在房间内发生滞留。因此在如图1 所示的整个空间的左上角区域增设排风口，尺寸与其他风口保持一致，风口底部距离地面100 mm。

在保持总的排风量不变的条件下重新设置边界条件，对2 种情况下的排污效率重新进行计算，结果如图5 所示。增加排风口后，情况一排污效率提升了0.0303，情况二排污效率可以达到1.4814。

图5 增加排风口前后排污效率的比较

实际上，在换气次数一定的情况下，排风装置的位置对房间的自净时间影响不大[6]。原设计工况下，室内绝大部分区域的污染物排除可以保持在较高的排污效率和较短的排除时间，因此在室内风险控制点或意外发生后难以排除的区域增设应急装置，即在前文所述的排风口位置处增设排风装置，作为应急装置使用。

采用非稳态模拟方法，模拟过程为：污染物持续散发→开启应急排风装置→快速排除污染物。综合考虑人员反应时间及排风装置的控制反应时间的影响，设置污染物首先持续散发120 s 后应急装置完全打开进行排风。为了保证最佳排除效果且较低的能耗，需要确认合适的排风速度。

以1 m/s 为例，观察图1 模型中y=8.55 m 处x-z截面、x=0.6 m 处y-z 截面的速度矢量图（如图6 所示），可以看到当应急排风口的设定排风速度过小时，该区域的气流组织反而会变差，会对污染物排除造成不利影响。

图6 不同截面的速度矢量图

设定病毒颗粒第125 秒停止散发，以1 m/s 的风速变化为间隔，分别计算不同排风速度下的排空时间，如图7 所示。当不增设应急装置时，排空时间为1214 s，随着风速的增加，排空时间先增大后减小，当风速大于4 m/s 后，排空时间迅速下降；当风速达到6 m/s 后，排空时间基本不发生变化。针对本文描述的气流组织形式，可以采用增设应急排风装置的优化措施，综合考虑排除效果及能耗的影响，建议应急排风速度为6 m/s。

图7 排空时间与应急排风口风速的关系

3 结语

为了避免工程验收时才发现由于气流组织不合格导致高生物安全风险车间室内颗粒物质量浓度过高等问题，有必要在建筑方案设计阶段进行模拟实验。本文以某新冠病毒疫苗生产基地的生产车间作为研究对象，以排污效率作为评价指标，评价并优化初期设计方案，以减少洁净区内气流短路、涡流、死角等问题，最大限度地满足规范要求，解决设计中难以量化气流指标的问题。研究结果显示，在送风形式及房间压力不变的情况下，排风口位置是影响气流组织的一个重要因素，合理的送排风口布置是影响短时间内室内污染物浓度水平的重要因素。针对本文描述的气流组织形式，建议采用增设应急排风装置的优化措施；在进行空调系统设计时，要与工艺专业相互配合，在易发生污染物泄漏的位置附近及人员停留时间较长的区域必须设置排风口并保证排风装置的正常运行。

但本文将病毒颗粒粒径简化为100 nm，在送风形式不变的情况下，不同粒径的病毒颗粒对排除效果也有影响，后续拟进行不同粒径颗粒物对排除效果影响的研究；此外，模拟方法缺乏实验验证，后续将开展相关实验，以期为高生物安全风险车间的设计提供数据支撑。