生物實驗室的主要功能是進(jìn)行生物科學(xué)相關(guān)的實驗場所，因此對生物實驗室的質(zhì)量控制要求必須極其嚴(yán)格，才能保證生物實驗的準(zhǔn)確性。我國近年來科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)了極大的生物科學(xué)的發(fā)展，不斷推進(jìn)生物實驗室的建設(shè)對于發(fā)展生物科技有著重要的作用。近年來，我國各省紛紛進(jìn)行生物安全實驗室的建設(shè)，許多項目甚至已經(jīng)進(jìn)入使用階段。但是需要注意的是生物安全實驗室，因為其功用的特殊性很容易導(dǎo)致危害性物質(zhì)的產(chǎn)生，因此，生物實驗室的暖通空調(diào)系統(tǒng)就非常重要，因為一旦暖通空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則導(dǎo)致生物實驗室內(nèi)部的功能無法實現(xiàn)，重則很容易出現(xiàn)污染外泄，甚至導(dǎo)致工作人員及其周邊居民的安全事故。確保生物實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)，是建設(shè)者一個非常重要的目標(biāo)。

對于生物實驗室的暖通空調(diào)系統(tǒng)而言，隨著使用時間的持續(xù)增加，產(chǎn)生故障是正常的現(xiàn)象。通常來說，這種故障可以分為送風(fēng)系統(tǒng)的故障，和各類風(fēng)量及壓力傳感器的故障，以及排風(fēng)系統(tǒng)的故障。

在整個暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中，送風(fēng)系統(tǒng)擔(dān)任著非常非常重要的作用。因為送風(fēng)系統(tǒng)，能夠有力保證排風(fēng)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，一旦實驗室發(fā)生任何的故障，需要實驗室的人員進(jìn)行撤離，在此撤離期間，送風(fēng)系統(tǒng)可以為整個生物實驗室提供良好的負(fù)壓。這樣不僅能夠給工作人員撤離提供良好的處理環(huán)境，還能保證生物實驗室內(nèi)部的環(huán)境相對穩(wěn)定。但是如果送風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則很容易導(dǎo)致，工作人員在撤離期間發(fā)生安全事故。

傳感器在生物實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中主要承擔(dān)的是傳遞信號的職責(zé)，一旦傳感器失靈，則會導(dǎo)致傳遞的信號出現(xiàn)錯誤。這樣系統(tǒng)在運行的過程當(dāng)中，就會與系統(tǒng)本身預(yù)設(shè)的程序所相背離。因此在設(shè)計的過程當(dāng)中，建設(shè)者和設(shè)計者必須對傳感器的性能和穩(wěn)定性進(jìn)行可靠的檢測，然后投入使用。但實際上傳感器的響應(yīng)特性是很容易被忽略的，這種響應(yīng)特性一旦被忽略，直接會導(dǎo)致其調(diào)試結(jié)果的設(shè)計值出現(xiàn)問題，信號傳輸出現(xiàn)錯誤，就會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的事故。

在整個系統(tǒng)當(dāng)中，排風(fēng)機出現(xiàn)故障是非常嚴(yán)重的，這是因為生物安全實驗室的通風(fēng)系統(tǒng)，必須通過排風(fēng)機來進(jìn)行變頻排風(fēng)。這是因為生物實驗室常常進(jìn)行的都是高生物危害性實驗，即便是在白天進(jìn)行工作，也不允許出現(xiàn)任何呈現(xiàn)正壓的情況。因此暖通及暖通自控控制系統(tǒng)的設(shè)計要求非常高。具體到細(xì)節(jié)包括排風(fēng)機或者排風(fēng)機變頻故障發(fā)生之時，系統(tǒng)需要能夠自動切換至備用的排風(fēng)機及其變頻器。這樣才能保證整個實驗室的房間內(nèi)負(fù)壓情況良好。但實際上一旦排風(fēng)機出現(xiàn)問題則會導(dǎo)致排風(fēng)機停機，而這種停機將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

為了對生物實驗室的設(shè)計原則進(jìn)行論述，本文以p3級生物實驗安全實驗室為例，對其設(shè)計原則進(jìn)行逐一分析與闡述。文章中所引用的示例工程為PLC控制系統(tǒng)，該實驗室的房間排風(fēng)和生物安全柜是同一個排風(fēng)系統(tǒng)。通過對該實驗室的分析，得出以下結(jié)論。首先生物實驗室在設(shè)計的過程中，要對排風(fēng)系統(tǒng)的停機故障瞬間進(jìn)行分析，這樣才能做好記錄，不斷優(yōu)化排風(fēng)系統(tǒng)。除此之外，實驗室在暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計上，要避免出現(xiàn)增壓的設(shè)計思路，同時進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)措施預(yù)備。

本實驗室的暖通自控系統(tǒng)設(shè)置分別具有以下特點。首先，排風(fēng)系統(tǒng)在發(fā)生停機故障的過程中，其重要的表現(xiàn)就是，房間并沒有出現(xiàn)任何避免鎮(zhèn)壓的措施和策略。其次，排風(fēng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障信號時，系統(tǒng)并沒有發(fā)出故障信號。例如流量開關(guān)并沒有發(fā)出on或者off的信號，因此系統(tǒng)并不能對停機故障作出反應(yīng)。

對于上述假設(shè)，需要對生物實驗室的排風(fēng)系統(tǒng)故障，進(jìn)行一定的記錄。例如，本身是在排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生停機故障之后的5s內(nèi)，房間出現(xiàn)正壓情況。而此時控制中心并沒有感知到排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，真正對排風(fēng)系統(tǒng)，出現(xiàn)反應(yīng)則是在12s。雖然不同的工程會有不同的差異，但是，本組實驗數(shù)據(jù)，可以對排風(fēng)系統(tǒng)故障情況作出一定的反饋。那就是房間出現(xiàn)正壓的時間非常短，大概在5s左右。對其主要原因進(jìn)行分析，這是因為生物安全實驗室中，排風(fēng)量的差值本來就不大，通常每個小時只有一二百cm³。一旦排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機故障，排風(fēng)量當(dāng)然能夠在極短的時間出現(xiàn)非常多的減少。因此雖然5s是一個實驗數(shù)據(jù)，不同的實驗室也會產(chǎn)生差異，但是卻從本質(zhì)上表明排風(fēng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，實驗室出現(xiàn)正壓的時間非常短。當(dāng)然雖然排風(fēng)系統(tǒng)，在10s之后，會呈現(xiàn)出一定的對策，但是卻無法消除致命的安全運行問題。而在這一過程當(dāng)中，控制中心對系統(tǒng)故障的感知時間并不靈敏。對這個原因進(jìn)行分析主要是因為風(fēng)機從停機到風(fēng)量下降，需要經(jīng)歷的時間過長，大多是在10s左右。這是所有風(fēng)機所面臨的問題，因此，會極大的影響控制中心對系統(tǒng)故障的感知周期。

根據(jù)上述對排風(fēng)系統(tǒng)停機故障瞬間分析的內(nèi)容可以得出，避免實驗室內(nèi)部出現(xiàn)正壓是非常必要的。通常為了實現(xiàn)避免正壓的這種設(shè)計思路，必須采取一定的步驟。如控制中心必須能夠快速對排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機故障進(jìn)行感知，這樣才能做出及時的回應(yīng)。除此之外控制中心在感知到排風(fēng)系統(tǒng)故障之后，必須能夠快速的進(jìn)行措施補救，以避免房間出現(xiàn)正壓。鑒于以上的實驗數(shù)據(jù)，這兩個步驟必須在5s之內(nèi)完成。

2.2.1 風(fēng)量傳感器優(yōu)化

風(fēng)量傳感器的優(yōu)化可以加強排風(fēng)系統(tǒng)的敏銳度，因此可以在排風(fēng)總管上進(jìn)行反應(yīng)速度較快的風(fēng)量傳感器的安裝與設(shè)置。這樣風(fēng)量傳感器可以專門應(yīng)用于對排風(fēng)系統(tǒng)故障的分析。在進(jìn)行設(shè)置的過程當(dāng)中，可以將排風(fēng)系統(tǒng)停機故障的排風(fēng)量，設(shè)定在一個比較高的水平之上，這樣可以使控制中心不至于誤判，又能在控制中心感受到之后，及時作出反應(yīng)。之所以將風(fēng)量傳感器設(shè)置在排風(fēng)總管上，是因為排風(fēng)總管上的另一個傳感器的響應(yīng)速度相對較差。該傳感器實際的作用，是為了保證房間的壓力穩(wěn)定。因此在風(fēng)量傳感器的設(shè)計上，必須考慮到不同的作用和效果。

2.2.2 電動蝶閥的設(shè)計

電動蝶閥的設(shè)計是為了實現(xiàn)完全關(guān)斷的功能。該電動蝶閥的響應(yīng)速度在2s以內(nèi)，這樣做才能夠保證控制系統(tǒng)在感知到排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后的2s之內(nèi)，就能迅速對系統(tǒng)的送風(fēng)進(jìn)行切斷。以此來保證房間不會出現(xiàn)正壓。當(dāng)然，其他的措施也可以對送風(fēng)量進(jìn)行良好的減少。例如，定風(fēng)量閥可以保證房間處于負(fù)壓的狀態(tài)。同時送風(fēng)機變頻控制的速度也可以不斷得到加大，在故障發(fā)生的同時，能夠在瞬間就對送風(fēng)機進(jìn)行關(guān)斷。不過需要注意的是，這些方法都必須建立在電動蝶閥的基礎(chǔ)之上，這樣才能滿足快速響應(yīng)的要求。當(dāng)然，對于許多生物實驗室而言，排風(fēng)系統(tǒng)上采用變風(fēng)量閥是比較基礎(chǔ)的配置。但是定風(fēng)量閥也是不可缺少的，因為定風(fēng)量閥可以促進(jìn)系統(tǒng)固定送風(fēng)，而變風(fēng)量閥則是減少送風(fēng)量。兩者起到的作用完全不同，但是卻又不可缺少。在對實驗室的暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的過程當(dāng)中，其測試結(jié)果表明僅僅依靠這些其他手段，是無法保證實驗室在出現(xiàn)排放系統(tǒng)停機故障之時，房間不會出現(xiàn)正壓情況。因此，電動蝶閥的設(shè)置和風(fēng)量傳感器的優(yōu)化是非常必要的。

為了對生物實驗室的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點進(jìn)行細(xì)致的闡述，本文選取某家國家級實驗動物生產(chǎn)環(huán)境作為具體的案例，對其生產(chǎn)環(huán)境設(shè)施和指標(biāo)控制進(jìn)行分析和論述。

本次選取的案例為實驗動物生產(chǎn)環(huán)境，簡稱動物房。因為動物房在特殊的領(lǐng)域當(dāng)中，必須具有潔凈的環(huán)境。首先它的存在目的是為人類的科研事業(yè)服務(wù)的。主要是將某一類或數(shù)類動物進(jìn)行無菌培育，無菌飼養(yǎng)，以便于進(jìn)行各類無毒性生物和藥物實驗所用。從解禁系統(tǒng)類型劃分來講，它屬于比較復(fù)雜也比較特殊的門類。因此為了為實驗類動物生存環(huán)境營造一個適合的環(huán)境，就必須保證室內(nèi)的溫度，室內(nèi)的濕度，光照度以及噪聲等指標(biāo)。但是在這一過程當(dāng)中還必須保證，不能給周圍的環(huán)境帶來污染和不利影響。因此本實驗室在設(shè)計的過程當(dāng)中采用了全新風(fēng)處理方式，即全送全排方式。除此之外為了消除外界和季節(jié)對室內(nèi)的影響，采用了升溫降溫加濕除濕等手段。對于實驗室內(nèi)部的壓力差問題，能量回收等問題也需要進(jìn)行解決。因此，該實驗動物生產(chǎn)環(huán)境設(shè)施的設(shè)計與建造是非常復(fù)雜的，需要設(shè)計者不斷對這些工作指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)而實現(xiàn)智能化控制。

本人所選擇的屏障型動物房，其布局是中分左右對稱的結(jié)構(gòu)。實驗室的區(qū)域是由若干個形式相同，但是功能相似的小區(qū)間組成。實驗室的四壁和頂采用的是不會擊沉，不會產(chǎn)生塵土，并且能夠保溫隔聲，防火等綜合性能的，凈化專用鋼材板。在建設(shè)的過程當(dāng)中，板縫經(jīng)過嚴(yán)格的處理，地面輔以堅固耐磨的環(huán)氧自流坪。而從功能去看待其分區(qū)，則可以看出，該實驗室是由這些區(qū)域組成的，分別有潔凈內(nèi)走道，前室飼養(yǎng)室后室，環(huán)形污物通道。

該實驗的暖通空調(diào)系統(tǒng)，包括空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)。但是因為該實驗室的特殊性，與常規(guī)凈化空調(diào)系統(tǒng)相比，它的不同之處也比較明顯。首先為了避免二次污染和交叉污染，新風(fēng)經(jīng)過處理，送入各潔凈區(qū)之后，必須全部排除。因此整個系統(tǒng)所消耗的能源是非常巨大的，為了促進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果，配備了必要的能量回收裝置。這樣做也是為了提升動物房內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。其次，排風(fēng)系統(tǒng)專門設(shè)置了包括活性炭在內(nèi)的過濾裝置，這樣能夠?qū)κ彝猸h(huán)境，進(jìn)行一定的保護，過濾掉有害物質(zhì)。最后個系統(tǒng)單元采用了空調(diào)送風(fēng)和排風(fēng)的定量裝置。這樣才能保證實驗室內(nèi)部的壓差梯度不會受到外界太多的影響。

屏障型動物房的配套設(shè)施是環(huán)境設(shè)施的重要組成部分，這些設(shè)備的合理選用和有機組合能夠有效維持整個系統(tǒng)正常運行。在本實驗室的設(shè)備配置過程中，其情況如下。首先，新風(fēng)預(yù)處理機組二套。其次，板式通道熱交換器一套。第三，二級過濾，三組加熱，三組加濕，以及表冷組合式空調(diào)器一套。最后，活性炭除臭裝置兩套，而且需要帶過濾排風(fēng)機組兩套。除此之外，各個獨立的單元需要配備定風(fēng)量閥，這樣才能保證各個單元的風(fēng)量，壓差梯度等指標(biāo)，能夠持續(xù)保持在平穩(wěn)的狀態(tài)當(dāng)中。

在本市的系統(tǒng)控制當(dāng)中，我們設(shè)置了比較全面和完整的控制點位，配置了功能齊全的自控系統(tǒng)。自控系統(tǒng)包括對室內(nèi)溫度的控制，室內(nèi)正壓的控制，以及防火閥關(guān)閉控制等等。

3.5.1 室內(nèi)溫度

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度的自動化控制，通過設(shè)在室內(nèi)的溫度信號顯示器以溫度信號優(yōu)先的原則，來控制冷水熱水的電動雙通閥及加濕電動雙通閥的開度。從而保證整個實驗室的溫濕度處在合適的范圍之內(nèi)。

3.5.2 正壓控制

最初在運行的過程當(dāng)中，室內(nèi)壓力調(diào)整在設(shè)定之后，通常，運行中的室內(nèi)正壓，可以通過送風(fēng)和回風(fēng)的定風(fēng)量來進(jìn)行保證。

3.5.3 防火閥的關(guān)閉

如果主風(fēng)道內(nèi)溫度達(dá)到70℃之后，防煙防火閥就會關(guān)閉，同時，這種信號也會被傳送給消防中心，除此之外關(guān)閉此系統(tǒng)的送風(fēng)機和排風(fēng)機以及排風(fēng)電動閥，或者當(dāng)有火情爆發(fā)時，防煙防火閥接受消防值班中心傳送的信號，防火閥就會自動關(guān)閉，同時連鎖的送排風(fēng)和新風(fēng)閥門也會同時進(jìn)行關(guān)閉。

3.5.4 空調(diào)送風(fēng)機停止運行

一旦暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中的送風(fēng)機停止運行，與之相關(guān)的電動排風(fēng)閥和排風(fēng)機和電動新風(fēng)閥也會同時關(guān)閉。除此以外，空調(diào)器送排風(fēng)機常設(shè)變頻器，這樣可以通過定風(fēng)量閥兩端的壓差，來對供電頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而能夠?qū)λ惋L(fēng)機排風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的改變，使風(fēng)量得到良好的調(diào)節(jié)。

3.5.5 送風(fēng)機排風(fēng)機運行故障切換

一旦送風(fēng)機或排風(fēng)機的負(fù)荷較大之時，動力柜傳出的過負(fù)荷信號也會自動切換到備用風(fēng)機及備用系統(tǒng)，同時主運行的風(fēng)機及系統(tǒng)也會進(jìn)行關(guān)閉。風(fēng)機皮帶在發(fā)生故障的過程當(dāng)中，微壓差開關(guān)檢測出送風(fēng)機前后壓差的降低，也會自動切換到備用風(fēng)機和系統(tǒng)。同時，運行風(fēng)機及其系統(tǒng)也會關(guān)閉。板式換熱器需要定時定期進(jìn)行檢修。在檢修的過程當(dāng)中必須考慮工藝的特性，這樣才能保證多個控制信號得到有效的控制。實驗動物與普通的形式不同，它對潔凈度的要求也更高，因此在暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計過程當(dāng)中，必須對設(shè)計要點進(jìn)行細(xì)致的考慮。

本文在進(jìn)行生物實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點闡述的過程中，采用了實驗?zāi)M的方式，以切斷電源模擬出排風(fēng)系統(tǒng)停機故障發(fā)生時會產(chǎn)生的狀況，來對實驗室出現(xiàn)的情況進(jìn)行記錄。筆者將本次實驗結(jié)果與美國的專業(yè)檢測機構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)容的對比。需要明確的是，一旦排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障之后，控制中心接到指令來完成響應(yīng)。響應(yīng)時間必須確保的最少，這樣才能保證實驗室不會出現(xiàn)負(fù)壓較大的狀態(tài)。但是，暖通系統(tǒng)可以被劃分為，實驗室房間排風(fēng)和實驗設(shè)備排風(fēng)。這兩者可以共用一個排風(fēng)系統(tǒng)，也可以不共用。但是優(yōu)先選擇共用排風(fēng)系統(tǒng)，這是因為這樣可以消除房間的正壓情況，因此在案例分析當(dāng)中，生物實驗動物房采用的也是共用排風(fēng)系統(tǒng)。