ZG建筑科学研究院有限公司王燕芹☆梁磊 孟令坤

青岛市建筑工程质量监督站李延敏

原文发表在2019年2月《暖通空调》

摘要 介绍了ⅡA2型生物安全柜和ⅡB2型生物安全柜的工作原理以及在国内空调系统中的常见设计方式。ⅡA2型生物安全柜的排风可排至实验室内或者通过排气罩排至室外。本文介绍了排气罩的设置方式，以北京为例计算A2生物安全柜设置排气罩时的冷热负荷量。并以北方地区某工程为例对两种生物安全柜在空调系统中的不同设计方案进行了对比分析，不同方案的系统稳定性、能耗等都不尽相同。根据我国现有生物安全柜规范，对ⅡA2型生物安全柜设置排气罩排风并未明确要求，是否需要设置排气罩由实验对象的性能确定。ⅡB2型生物安全柜的排风设置还需进一步验证探讨。

关键词 生物安全柜 排风能耗 排气罩系统稳定性

Research on the Design of AirConditioning Systemof Bio-safetyCabinetin Bio-safetyLaboratory

By WangYanqin, Liang Lei，MengLingkun andLi Yanmin

Abstract Introduce the operation theory of ⅡA2 Bio-safetyCabinet and ⅡB2 Bio-safety Cabinet, and their design mode in HVACsystem in China. The exhaust of ⅡA2 Bio-safety Cabinet can exhaustto the laboratory or through the exhaust hood to the outdoor.Introduce the located mode of exhaust hood based on an example of airconditioning load of anⅡA2 Bio-safety Cabinet when located anexhaust hood in Bei极ng. Compare and analyze different designproposal of the two kinds of Bio-safety Cabinet in the project in onenorthern place, system stability and energy consumption of differentscheme are different. According to the existing code of Bio-safetyCabinet in China, there is no explicit require about the need ofexhaust hood of ⅡA2 Bio-safety Cabinet. Whether need to set theexhaust hood depend on the performance of the subject.

Keywords Bio-safety Cabinet; exhaust; energy consumption;exhaust hood; system stability

01

生物安全柜的简介

生物安全柜是生物洁净实验室中的重要设备，是保障生物安全的一级屏障，防止工作人员在操作含有感染性因子的材料时，发生接触性、暴露性感染，保护人、环境和实验对象的安全[1]。根据结构设计、排风比例和保护对象，生物安全柜分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级3个级别，常用的为Ⅱ级生物安全柜。Ⅱ级生物安全柜又分为A1型、A2型、B1型和B2型[1-2]。目前我国实验室常用Ⅱ级A2型（以下简称A2生物安全柜）和Ⅱ级B2型（以下简称B2生物安全柜），2种生物安全柜在通风方式上存在差异。

A2生物安全柜（见图1）柜内70%气体经GX过滤器过滤后在柜内循环使用，30%气体经GX过滤器过滤后排至柜外；B2生物安全柜（见图2）柜内全部气体经GX过滤器过滤后，通过外排风机强制排出室外[3]。使用者应依据实验室的生物危害分级和所从事的操作类型综合考虑，选取合适类型的生物安全柜。

目前国内实验室采用的A2生物安全柜通风方式通常分为内排式和外排式2种。内排式就是将安全柜放置于实验室内合适位置，自房间引风，其中70%在柜内循环，30%经GX过滤器过滤后直接排至安全柜外；外排式则是将上述30%的排风排至室外。可根据操作对象及工作场合通过风险评估确定选择何种方式。国内外标准对A2生物安全柜通风方式的要求对比如表1所示。

表1 国内外标准对A2生物安全柜通风方式要求的对比

对于外排式的通风方式，一般也存在2种做法：1）将安全柜排风口与管道密闭连接，排风管道直接通向室外排风机处；2）在安全柜排风口位置上方设局部排气罩，形成类似套管的连接方式，排气罩尺寸略大于安全柜排风口上沿尺寸，将安全柜排风口上沿伸入排气罩内形成一定程度重叠，以保证在这种松散连接方式下，安全柜的排风能全部经局部排气罩排至室外。

值得一提的是，国内外标准对A2生物安全柜外排式通风系统均推荐套管的连接方式。安全柜的排风口通过排风罩与外排风管连接，外排系统的排风量必须大于安全柜的外排风量，以完全收集安全柜排出的空气并排至室外。套管式排风罩连接方式如图3所示。

如图3所示：排风罩安装在安全柜排风口的上方，套管包围安全柜排风过滤器的卡圈，将安全柜排出的空气吸入排风管道中；在套管和排风过滤器的卡圈之间应保留3cm的间隙和1.5cm交接的深度，使房间的空气可以被自由的吸入到外排系统中，避免外排系统强制抽吸安全柜内空气，干扰安全柜自身的气流分配，破坏安全柜的性能；用软管连接利于排风套管位置的微调和减少对排风管的影响；为方便软管消毒、更换软管和防止接口泄漏，应将软管连接部分置于实验室内部。采用套管式排风罩连接方式，可有效减少建筑物外部气流波动对生物安全柜运行工况的影响。

与套管连接方式相比，排风管密闭连接方式增加了安全柜启闭时排风量变化对房间压力稳定性的影响；当安全柜排风量大于规范规定的房间换气次数计算风量时，房间送风量相应增大，能耗增加。

02

不同类型生物安全柜气流方式及能耗分析

以北京地区某实验室为例，就A2生物安全柜（不同类型排风气流方式）及B2生物安全柜的能耗情况进行对比分析。

该实验室面积20㎡，净高2.6m，假定室内状态点夏季温度24℃、相对湿度55%；冬季室内温度20℃，相对湿度40%。实验室内设置单台双人A2生物安全柜（根据厂家提供的信息，该生物安全柜排风量约600m³/h，设计排风量800m³/h），不同工况下的风量估算如下：

1）排风采用内排式，房间送风量及新风量不变，能耗不增加。

2）外排套管式连接，全新风系统，房间换气次数为12h-1，房间送风量为20㎡×2.6m×12h-1=624m³/h。根据压力要求，考虑房间排风量700m³/h，此时安全柜排风量为800m³/h，因此房间增加100m³/h的新风量。

3）外排套管式连接，回风系统；房间送风量为624m³/h，安全柜排风量为800m³/h；该房间原本的回风系统改为全新风系统，房间新风量增加约100m³/h +624m³/h×（1-10%）=660m³/h的新风量（新风比按10%计算）。

4）生物安全柜型号若为双人B2生物安全柜，排风量约1600 m³/h，则该房间送风量需增加约1000 m³/h。

夏季将室外状态点（W）处理至机器露点（L），冬季将室外（W）点等湿加热至室温（A），冷热负荷（Q1，Q2）按下式计算：

（1）

（2）

式中Q1为夏季冷负荷，kW；Q2为冬季热负荷，kW；G新风量，m³/h；ρ为空气密度，kg/m³；hN，hL，hA，hW为相应状态点的焓值，kJ/kg。

计算可得，每增加100m³/h的新风量，夏季冷负荷及冬季热负荷分别增加约1.3kW与1.0kW。

基于以上假设及计算分析，可得到不同类型生物安全柜气流方式的能耗分析表，见表2。

表2不同类型生物安全柜气流方式的能耗分析表

从表2可以看出：对于房间换气次数风量小于安全柜排风量的实验室，工况2和工况3较工况1冬夏季负荷均有所增加，工况4负荷增加量明显。因此，A2生物安全柜设置排气罩较不设置排气罩的形式能耗增加，B2生物安全柜在系统较A2安全柜的能耗明显加大。

03

洁净室多台生物安全柜排风系统实例对比分析

按照所使用空气的来源分类，空调系统分为全新风系统（又称直流式系统）、再循环式系统（又称封闭式系统）及回风式系统（又称混合式系统）[6]。而在生物洁净实验室中，依据实验室的操作使用要求及生物安全级别，一般采用全新风系统或回风式系统。下面就北方地区某生物洁净实验室项目为实例对空调系统的设计进行分析探讨。

该系统共有6间房间，包含3间实验室及其对应的缓冲间。其中实验室1设置1台A2生物安全柜；实验室2设置1台A2生物安全柜和1台B2生物安全柜；实验室3设置1台B2生物安全柜。该项采用负压全新风净化系统，气流控制采用定送变排模式；以房间为单元，送风管设置定风量阀，排风管设变风量阀，房间内设压力传感器。系统运行时，送风恒定，以满足房间设计的换气次数要求；排风管上的变风量阀根据房间压力传感器进行调节，以满足房间压力要求。设计过程中，依据不同型号的生物安全柜特点及使用要求，考虑了3种设计方案。

3.1方案1

A2生物安全柜排风采用内排式，B2生物安全柜的排风与系统其它房间排风统一设置一台排风机排至室外，实验室内排风口排风量与B2生物安全柜相同（调试获得）：当B2生物安全柜开启时，该生物安全柜排风管上的电动阀开启，与之对应的房间排风管上的电动阀关闭；当B2生物安全柜关闭时，该生物安全柜排风管上的电动阀关闭，与之对应的房间排风管上的电动阀开启。由于国内同型号生物安全柜的阻力及排风量可能有所不同，且B2生物安全柜本身阻力较大（某厂家提供的阻力值高达800Pa），因此生物安全柜与其对应的室内排风口阻力相差甚远。笔者在安全柜排风总管上设置定风量阀，保证启闭安全柜时房间排风量不变，如图4所示。

方案1中，A2生物安全柜的设置属国内常见方式。此时，A2生物安全柜气流为室内自循环，该形式的空调通风系统较简单。安全柜的开启不会对系统稳定性产生影响，对室内的温湿度影响较小，且能耗较低，对于小型实验室，不会因生物安全柜外排风（往往较大）的存在而增大房间送风量。当工艺、实验人员通过风险评估认为室内可回风时，该形式系统Z稳定，成本及能耗均Zdi。B2生物安全柜常见外排风量为1600~1800m³/h（双人），对于某些小型实验室，该风量往往大于规范规定的换气次数下限值所确定的送风量。为保证房间压差的平稳，实验室必须增加送风量，能耗也相应增加。但该形式在控制系统及阀门响应良好的前提下，实验室的控制清晰、控制方法简单，具有较强的适用性。

由于该项目中业主对系统压力要求较高，设计中各房间送风干管均设置定风量阀，排风干管设变风量阀，B2生物安全柜排风管设置定风量阀。这种设计不仅能保证房间压力，还使系统各支管间阻力相对平衡，利于调节。

3.2方案2

A2生物安全柜采用外排套管式连接（见图3），B2生物安全柜排风方式不变，A2与B2生物安全柜的排风由1台排风机排出室外，如图5所示。

由于排风恒定，该方案生物安全柜的启闭对系统不会产生压力波动影响，可以较好的保护使用者、受试样本和环境。但与方案1比较，当实验室房间较小时，如按照换气次数及室内负荷计算得到的房间送风量比安全柜排风量小，为保证房间压力及系统平衡，增加补风量，增大了能耗及成本等。同时，设计A2生物安全柜的排风量时需要留有余量，且由于设有排气罩，房间的净高也增加，施工难度也增加。

房间排风和生物安全柜排风共用1台排风机组，三者的阻力各不相同，不利于系统调试及平衡，且该系统形式在实际应用中并不多见。

3.3方案3

A2生物安全柜采用外排套管式连接，B2生物安全柜设置与室内对应的排风口（与方案1、方案2相同）。房间排风与A2生物安全柜排风共用1台排风机，B2生物安全柜的排风单独设置1台排风机，如图6所示。

由于2种生物安全柜排风方式在阻力上存在较大差别，且B2生物安全柜在启闭切换过程中易对房间压力产生影响，因此将两者排风机分别设置，平衡性更好，且易于调节。尽管与前2种方案相比，方案3在初投资及能耗上均有所增加，但该工程依然采用了方案3的系统设计，实际调试结果表明，系统稳定性较好，调试较易于完成。

以上3种方案均为负压全新风系统。如假设为回风式系统，根据估算可知，方案2，3的能耗增加明显。所有A2生物安全柜的排风须设置补风以满足室内的压力要求，增加了系统的能耗，负荷计算时需考虑补充该部分排风的新风能耗。方案3中A2，B2生物安全柜分别设置排风机，较方案2增加初投资及运行成本，但是系统调试更为方便。3种方案对比如表3所示。

表3 3种方案对比

上述3种方案中，均设置了与B2生物安全柜排风相对应的排风口，在生物安全柜启闭时进行排风切换，保持总排风量不变。该种方式已大量应用于有压力要求的洁净室领域。

对于B2生物安全柜排风设置，另一种方案如图7所示。B2生物安全柜的排风采用定风量阀控制，房间排风管变风量阀根据房间设置的压差要求调节开度，以消除B2生物安全柜启闭时对房间压差产生的扰动。该方案的控制思路仍为定送变排方式，只要控制模式及阀门响应及时，系统运行调试及实际使用效果不错。需要注意的是，图7中B2生物安全柜及房间排风的支路阻力相差较大，实际应用时需考虑调试问题。

2种B2生物安全柜的排风控制模式在国内均较为常见，其关键点在于合理预设阀门动作顺序、采用快速响应阀门，建议响应时间不要超过2s[7]。阀门的调节或切换不可影响室内压差，同时需考虑系统的阻力平衡问题。

04

结论

1）对于A2生物安全柜是否外排，需根据实验室生物安全等级、实验操作对象等综合考虑。对于是否采用外排套管式连接方式，国内规范尚未给出明确的要求。

2）基于文中能耗分析及估算，外排式A2生物安全柜或B2生物安全柜的使用导致新风量、冷热负荷、冷热源装机容量等均有所增加。尤其是针对仅有A2生物安全柜的实验室，设置排气罩时还应考虑房间高度等参数。房间高度增加也将加大由换气次数确定的室内送风量。

3）当系统中同时存在A2生物安全柜与B2生物安全柜且台数较多时，考虑到系统的阻力平衡和调试的便利，建议排风机分开设置，使系统更加稳定。