病原微生物實驗室因操作致病性生物因子而存在污染源。生物安全實驗室建設的目的是控制室內生物污染，確保實驗人員不受傷害、環境不受污染，同時為實驗過程提供清潔的環境，從而達到一定的生物安全防護水平。二級生物安全實驗室分為二級生物安全防護水平（BSL-2）實驗室和動物二級生物安全防護水平（ABSL-2）實驗室，在各級生物安全實驗室中適用面最廣、使用量最大。許多操作經空氣傳播的致病性生物因子的實驗室，出于進一步降低人員感染和周邊環境受到污染的風險，以及保持室內空氣清潔從而保證實驗質量和生物安全柜可靠性的考慮，希望室內呈負壓潔凈狀態。目前，越來越多的單位建造了負壓狀態的二級生物安全實驗室。但由于缺乏相關標準規范，許多建設與設計單位對負壓實驗室的設計理念含混不清，致使工程缺陷較多。
本文選取筆者設計的兩項工程實例，對二級生物安全實驗室平面布局和通風空調系統的送排風、負壓控制、氣流組織、空氣過濾等關鍵設計內容進行分析，為實驗室設計提供參考。
一、對象與方法
1.1項目概況
2個負壓狀態的二級生物安全實驗室，一個為BSL-2實驗室，另一個為ABSL-2實驗室，分布在不同樓層，分別用于結核病實驗室診斷和病原微生物科學研究。兩實驗室均配置生物安全柜、CO２培養箱、冰箱、高壓滅菌器等儀器設備。除此之外，ABSL-2實驗室還配置3個小動物IVC（individual ventilated cage，獨立通氣籠）籠具和1個負壓柜。工程竣工后經現場檢測，各項指標都符合設計要求。實驗室運行結果表明，平面布局適宜，既滿足實驗工藝要求，又符合生物安全防護要求；通風空調系統性能可靠、室內壓力及壓力梯度和溫濕度比較穩定。上述情況驗證了該項目生物安全防護措施的合理性、有效性和可靠性。
通過平面設計，使負壓二級生物安全實驗室具有合理的功能布局，以符合生物安全關于潔污布置、交叉污染和氣流組織等方面的理念；通過壓力控制，使室內保持一定的負壓及壓力梯度，防止污染物擴散；采取過濾措施有效地去除空氣中的微生物和塵埃；采取合理的氣流組織，保證室內氣流均勻、減少死角，并保證全面通風氣流（全室氣流）與生物安全柜等局部排風裝置的氣流相協調。
1.3.1 功能分區與平面布局
為提高室內氣流的均勻性，并易于實驗設施、設備的布置，以避免交叉污染，核心工作間的平面結構盡量規整。為減少核心工作間與相鄰相通區域的空氣交換量，保證負壓等空氣指標的穩定，其出入口設置緩沖間。為保持核心工作間的規整性，緩沖間設于其外側。為便于實驗室管理，設置專用更衣室，有利于潔污分離，避免交叉污染。出于建立合理的實驗工藝流程需要，在清潔區域設置準備／洗消間。為降低因物品傳輸而使實驗室與外界直接相通所帶來的風險，在準備／洗消間與核心工作間之間設置雙扉傳遞窗。
1.3.2 通風空調方式設計
采用獨立于樓宇和其他實驗室的通風空調系統，避免交叉污染。根據GB 19489-2008《實驗室 生物安全通用要求》（以下簡稱《通用要求》）的規定，ABSL-2實驗室的動物室（核心工作間）采用直流系統；為與實驗室負壓防護以降低風險的定位相對應，BSL-2實驗室核心工作間也采用直流系統。排風經高效過濾器過濾后排出，避免影響環境。采取粗、中、高三級過濾凈化措施，以保證室內空氣的潔凈度，有利于保證實驗質量與消毒效果以及延長生物安全柜、送風和排風高效過濾器的使用壽命。
1.3.3 氣流組織設計
為防止有害因子無序或逆向擴散，實驗室整體區域氣流方向為由外向內，經清潔區流向核心工作間，形成單向（定向）氣流組織，如圖１所示。
核心工作間 （動物室）是污染隱患最大的區域。將核心工作間（動物室）入口一側設為相對清潔側，遠離出入口的一側設為相對污染側；將電腦、傳真機、冰箱等相對清潔的設備布置在清潔側，生物安全柜、IVC動物籠具和負壓排風柜等直接產生污染物的設施、設備布置在污染側；氣流組織采用上送下排方式，新鮮空氣從相對清潔側送入，經實驗人員后從污染源一側排出，保證實驗人員處于上風向，如圖２所示。
送風口不得設置于生物安全柜等局部排風裝置的上方及頂棚中央，以避免送風氣流對局部排風氣流造成橫向干擾，并避免氣流在房間內形成較大的死角和渦流。
二、結果
2個負壓實驗室用途不同，建筑條件也不同，因此規模和形態也不相同，但設計原則相同。從始終把握實驗室生物安全理念和設計原則的統一性出發，為兩實驗室分別設置了核心工作間、緩沖間、更衣室和清洗／準備間。ABSL-2實驗室，在核心工作間內除了配置BSL-2實驗室必要的儀器設備外，還配置了3臺IVC籠具，用于動物飼養；配置了１臺負壓排風柜，用于動物換窩和更換墊料；用1臺雙扉高壓滅菌器替代一般立式高壓滅菌器，布置于核心工作間和清洗／準備間之間，用于處理動物尸體、墊料等比BSL-2實驗室更多的危險廢棄物。為了形成合理的氣流組織，將生物安全柜、IVC動物籠具和負壓柜并排布置于核心工作間出入口的對側（相對污染側）。BSL-2和ABSL-2實驗室的基本功能分區和其平面布局及儀器設備布置、人流物流設計等情況如圖3，4所示。
針對兩實驗室的潔凈控制要求，結合當地氣象條件特點（實驗室位于華東地區），冷熱源采用空氣源熱泵機組，可保證不同季節正常使用，空調采用全空氣直流系統，換氣次數不小于12h-1。BSL-2實驗室空調機組采用制冷劑直膨式機組，ABSL-2實驗室空調機組采用冷熱水機組。空調機組均包括新風段＋粗效過濾段＋表冷段（加熱段）＋加濕段＋風機段＋中效過濾器＋出風段等功能段。實驗室空調系統設計原理如圖5示。
氣流組織設計是降低空氣污染隱患的重要舉措，合理的氣流組織可以有效地控制污染物的擴散和減少對操作人員的危害。氣流組織由送風口和排風口的布置方式決定。基于氣流單向、均勻并與生物安全柜、負壓罩等局部排風氣流相協調，避免產生橫向干擾的原則，送風口呈“一”字形布置，盡量貼近頂棚邊緣處，排風口布置在生物安全柜、IVC動物籠具、負壓排風柜一側下方墻體上，以形成空氣從相對清潔側送入，從相對污染側排出，以及氣流比較均勻的氣流組織。
實驗室送風系統采取粗、中、高三級過濾措施，高效過濾器設于實驗室送風管道的末端，即房間送風口處。排風系統采取一級高效過濾措施，高效過濾器設于排風管道的起始端，即房間吸風口處。上述措施的主要目的是省去高效過濾器與實驗室之間的連接管道，以避免管道破損、局部空間藏污納垢等帶來的隱患，并充分體現采取過濾措施的意義，提高設計的合理性。
2.4.1 BSL-2實驗室
在實驗室鄰室靠外窗側劃出一部分空間作為機房，將主機和空調機組安裝于機房內。主機通過機房窗戶進行通風散熱。
實驗室配置ClassB2型生物安全柜，按其技術性能要求，進入柜內的空氣須全部排至室外。出于方便獨立控制、避免與實驗室整體通風空調系統相互干擾的考慮，為生物安全柜設計獨立的排風系統。
BSL-2實驗室送風、排風系統設計如圖8所示。
2.4.2 ABSL-2實驗室
主機安裝于建筑樓頂。在實驗室更衣和緩沖間的鄰室劃出一部分空間作為機房，將空調機組安裝于機房內。
實驗室配置ClassA2型生物安全柜，按其產品技術性能要求，70%的空氣在柜內循環，另30%的空氣排到柜外，在保證柜內高效過濾器完好的前提下可以排至室內。出于進一步提高安全性的考慮，要求將其余30%的空氣排至室外，因此，為生物安全柜設計獨立排風系統，將柜內排出的空氣引至室外排放。IVC動物籠具和負壓柜是直接產生生物污染物的設備，在其排風口安裝高效過濾器，將排風管連接于實驗室排風系統，保證動物籠具和負壓柜內的污染空氣經高效過濾后安全排至室外。
為了保證給動物籠具不間斷供應空氣，防止動物缺氧死亡；保證實驗室和動物籠具持續處于負壓狀態，防止致病生物因子擴散，實驗室排風系統配置了2臺排風機。2臺排風機設計為相互備用，其意義在于：1）當運行風機發生故障時，另1臺可以及時自動切換運行。2）2臺風機輪流運行（在下一個實驗活動開始前調換風機運行），一是便于及時發現問題并予以維修，保證備用風機處于正常狀態；二是有利于延長風機的使用壽命。
ABSL-2實驗室送、排風系統設計如圖9，10所示。
對于生物安全實驗室，有下列幾方面問題需予以關注。
１）在正常狀態下，實驗室所產生的污染物主要被控制在生物安全柜、IVC動物籠具和負壓柜等局部排風裝置內，實驗室空間受到嚴重污染的概率較低。
２）任何一種局部排風裝置的通風防護效率都無法達到100%，含有污染物的氣溶膠會隨人員動作或高溫熱源等產生的干擾氣流從操作口逸出；另外，對于將排風排至室內的生物安全柜等局部排風裝置，所安裝的高效過濾器可能出現未被發現的破損等泄漏，而致使實驗室受到污染。
３）實驗室始終存在生物樣本潑灑或跌落等造成污染物大量散放的風險隱患。
４）雖然實驗室空氣有不可避免的污染，但由于實驗人員穿戴防護服、口罩和手套等個人防護用品，因此，通常并不足以構成嚴重威脅，然而這并不能成為不采取通風防護措施的理由。
５）對于采取負壓防護（全面通風）措施的實驗室，應遵循氣流組織設計原則，即將送風口設在相對清潔（隱患小）的一側，排風口設在相對污染（隱患大）的一側，使工程設計具備科學合理性，以及實驗室形成合理的定向氣流，提高防護效果；空調宜采用全空氣直流系統，避免循環使用實驗室排出的空氣；設置緩沖間，使核心工作間與外界之間形成壓力梯度，可有效降低人員進出對房間壓力的影響，以及提高防止污染物擴散的效果。
《通用要求》等標準規范未對二級生物安全實驗室的氣壓作出規定，表明實驗室在常壓狀態下可滿足相應防護水平實驗活動的要求，但并未排除實驗室可以呈負壓狀態。毋庸置疑，在科學合理設計和建造的前提下，負壓狀態實驗室的生物安全防護性能優于常壓狀態。因此可以認為，二級生物安全實驗室可呈常壓狀態，也可呈負壓狀態。對于實驗室壓力狀態的選擇，應由實驗室根據所操作病原微生物的致病性與傳播特點（如經氣溶膠傳播）、建筑條件（如面積、層高）、經濟實力以及對于防護措施的期許等因素自行確定。
