基于Airpak的二级生物安全实验室冬季热环境分析*

庞 勇，谢明军，崔建伟，李冬梅，张思维，孙建云

（1.甘肃省疾病预防控制中心，甘肃 兰州 730000；2.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000）

0 引言

新冠肺炎疫情发生后核酸检测实验室成为各级疾病预防控制中心、医院和第三方检验检测机构的标配。核酸检测实验室也叫PCR实验室或者基因扩增检验实验室，是基于二级生物安全实验室的组合型实验室，一般由四个或三个二级生物安全实验室组成，分别为试剂储存和准备区、标本制备区、扩增反应混合物配置和扩增区、扩增产物分析区［1-3］。在我国，新冠肺炎纳入乙类传染病、采取甲类管理，所以核酸检测实验室工作人员必须按照生物安全三级防护要求穿戴防护用品，实验室内大多数工作由工作人员在穿连体防护服、戴防护面罩和手套、防护鞋套的状态下在实验室生物安全柜中操作，实验室环境的热舒适性和空气质量直接关系到检验人员的身心健康和工作效率，应该得到高度的重视。

计算流体力学（CFD）分析方法是国内外公认的室内气流组织设计和评价最简单的方法，Airpak 软件是一款专门面向空调通风领域的流体力学计算分析软件，其具有强大的可视化后处理能力，能够生成矢量、云图和粒子流动画，从而描绘气流的实时运动情况。模拟结束后，还可提供强大的数值报告，从而能够对房间的热舒适性、室内空气品质和气流组织进行综合评价［4-15］。

热舒适性水平是指人体通过自身的热平衡条件和感觉到的环境状况综合起来获得是否舒适的感觉。PMV 是人体热舒适感全面评价指标，其值为+3～-3，相对应的热感觉分别为热、暖、微暖、适中、微凉、凉和冷七种状态。PPD为预计处于热环境中的群体对该热环境不满意的投票平均值，即对环境表示热或冷的人所占的百分数［16］。

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012根据PMV-PPD指标划分了热舒适度等级，Ⅰ级标准为PPD≤10%，-0.5≤PMV≤0.5；Ⅱ级标准为-1≤PMV＜-0.5，0.5＜PMV≤1，PPD≤27%。利用Airpak 软件可以得到室内环境的PMV 和PPD 云图，从而可以分析室内的热舒适性水平。

室内空气品质也叫室内空气质量，其评价指标很多，本论述选择空气龄。空气龄是空气在某一空间被测点上的停留时间，表征该空间旧空气被新空气所代替的速度，能够反映该空间空气的新鲜程度和去除污染物的能力，利用Airpak 软件可以得到空气龄分布云图，进而可以评价室内空气品质。

1 数值模拟

1.1 物理模型

选取兰州市某综合实验楼中层PCR实验室中的位于中间位置的二级生物安全实验室作为研究对象，实验室由100 mm 厚岩棉彩钢板分隔而成，尺寸为9.02 m（长）×3.55 m（宽）×2.60 m（高），分为缓冲间和主实验室两部分，缓冲间与主实验室同宽同高，忽略隔墙厚度，缓冲间长度为1.90 m，主实验室长度为7.12 m。北墙为外墙，由内向外依次为100 mm厚岩棉彩钢板、20 mm厚水泥砂浆、240 多孔砖、30 mm 厚 EPS 板、20 mm 厚水泥砂浆面层，冬季计算热流密度为-9.17 W/m2，窗户尺寸为1.5 m×1.6 m，为铝合金单框中空玻璃，冬季计算热流密度为-141.9 W/m2［17-18］，东西墙壁和南墙与空调房间相邻，传热忽略不计，默认为绝热。主实验室采用风机盘管加新风系统，实验室的热负荷全部由风机盘管负担，室内冬季设计温度20 ℃。新风系统的补风，除过渡季节直接采用室外新风外，在冬夏季均需将新风处理至接近室内焓值状态点后送入空调房间。为防止实验区域各实验室内有异味的气体或有害的气体逸至走廊等区域影响整个实验楼的工作环境，并且为使新风系统的新风能有效地补入空调房间以满足人的卫生要求，在公共走廊均设有新风口进行送风，从而使走廊形成一定的正压。为确保实验结果的正确性，主实验室设计为相对于缓冲间微正压，即新风系统的补充新风直接送入实验室内，然后通过门缝渗至其相邻的缓冲室内，该缓冲室内设有排风口，并对走廊形成相对负压，这样能使各实验室内的异味或有害气体得以良好的控制。实验室内有一型号为SX-BHC-1300A2 的生物安全柜，正常情况下由两名工作人员坐姿于生物安全柜前在生物安全柜内操作实验。主实验室四组不锈钢吸顶净化灯，缓冲间一组不锈钢吸顶净化灯，其它设备忽略不计。所建二级生物实验室模型如图1所示，模型相关参数见表1所列。

图1 二级生物安全实验室物理模型

表1 模型相关参数

1.2 数学模型

经Airpak 软件的模型检查，该模型的雷诺数为82 807.6，佩克莱特数为261 535.9，所以室内流态为湍流，采用数值模拟结果与实验结果吻合度较高的室内零方程湍流模型并对室内做如下假设：空气为不可压缩透明气体；忽略环境中热辐射作用，空气流动为稳态流动，且符合Boussinesq假设；内墙、天花板和地板设置为绝热，忽略门、窗的漏风影响。按照设计工况对模型进行条件设置。收敛条件设置为流动方程相对误差0.001，能量方程相对误差1×10-6，组分方程相对误差0.001。

1.3 网格划分

根据Airpak 软件网格划分要求，确定该模型网格单元的X最大值为0.1775 m，Y最大值为0.13 m，Z最大值为0.451 m，对各通风口、送风口和排风口等速度梯度大的部分局部加密，使其各方向上的的网格数大于等于4，经网格无关性和质量检验，共计划分网格104 262个。

2 模拟结果与分析

按照设计工况对实验室进行模拟计算，工作人员坐姿于生物安全柜前，分别选取y=1.25 m（面部）处的速度场、温度场、PPD、PMV；y=0.1 m（脚踝）处的速度场、温度场，y=1.25 m处的空气龄来分析工作人员的舒适性和空气品质。

2.1 温度结果分析

设定风机盘管送风口温升为4℃时房间温度即可接近设计要求，y=1.25 m 处温度云图如图2 所示，由图可见内，该截面缓冲间温度在22.4 ℃左右，主实验室温度最低处位于窗户处，其它大部分区域温度在22 ℃左右，分布较为均匀，工作人员所在位置温度为20.7 ℃～22.5 ℃。y=0.1 m处温度云图如图3所示，由图可见，该截面大多数区域温度为21.5℃左右，工作人员所在位置温度为21.5 ℃～22.0 ℃。

图2 y=1.25 m处温度云图

图3 y=0.1 m处温度云图

2.2 速度结果分析

y=1.25 m处速度云图如图4所示，由图可见该截面风速在0 m/s～0.73 m/s，工作人员长时间所待位置风速在 0.13 m/s～0.40 m/s。y=0.1 m 处速度云图如图 5 所示，由图可见该截面风速在0 m/s～0.80 m/s，工作人员长时间所待位置风速在0.13 m/s～0.40 m/s。x=0 截面的速度矢量图如图6所示，由图可以看出，主实验室中至少存在三处涡流区域，涡流会影响通风换气效果，可以通过调节送风方向来减小。

图4 y=1.25 m处速度云图

图5 y=0.1 m处速度云图

图6 x=0处速度矢量

2.3 PMV 和 PPD 结果分析

核酸检测工作人员衣着为T 恤、长裤、连体防护服、护目镜+防护面罩、薄底鞋、防护鞋套，在该条件下室内PMV的平均值为0.67，PPD的平均值为14.76%，其中 y=1.25 m 处 PMV 如图 7 所示、PPD 如图 8 所示，由图可见，y=1.25 m 处的 PMV 值在 0.16～1.19，PPD 值在5.56%～35.00%，其中工作人员长期所待位置的PMV在0.50～0.75，PPD在10.66%～14.44%。

图7 y=1.25 m处PMV

图8 Y=1.25 m处PPD

2.4 空气龄结果分析

Y=1.25 m 处空气龄云图如图9 所示，由图可见，缓冲间空气龄整体较大，最大值为1 367.68 s，整体换气次数不到3 次/h。主实验室靠近门处有一区域空气龄超过400 s，其他区域都在300 s 以内，可见主实验室内大多数区域的换气次数超过12次/h。

图9 y=1.25 m处空气龄

3 结论

（1）室内PPD 的平均值为14.76%，PMV 的平均值为0.67，工作人员长期所待位置的PPD 在10.66%～14.44%，PMV 在0.50～0.75，可见整个实验室包括工作人员长期所待区域都满足《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012规定的热舒适等级二级标准。

（2）主实验室工作人员常待的区域y=0.1 m 与y=1.25 m之间的垂直温度差最大为0.8 ℃，工作人员不会因为温度差感觉不舒服；主实验室多一半区域包括人员常待的地方空气龄小于300 s，空气较为新鲜，局部区域空气龄超过400 s，有待调整各风口进、出风方向和风速大小，从而缩小或消除该区域；局部区域的风速超过标准要求的最大值0.3 m/s，会有吹风感，运行中应进行合理调节。

4 讨论

（1）冬季在实验室开展实验的情况下，风机盘管温升达到4℃即可满足实验室的供暖要求，这是因为实验室内生物安全柜等设备工作时散热量很大，承担了大多数的室内热负荷。这也解释了该实验室冬季风机盘管在自动控温的情况下大多数时间处于停止状态的现象。局部区域风速超过标准要求，运行时可通过调整风口送风方向、调整送风速度等措施保证人员工作区的风速达到标准要求。

（2）对二级生物安全实验室的设计要充分考虑室内设备的散热，合理配置带有温控的采暖空调设备，才能达到节能又确保舒适的室内温度环境。

（3）设计之初在充分考虑室内设备和人员散热的情况下，利用Airpak软件模拟室内热环境，可为优化设计提供可靠依据。