平疫結(jié)合醫(yī)用PCR實驗室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計探析

鄭嘉耀

(福州市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

0 引言

在2020年抗擊新冠疫情的防治工作中，武漢金銀潭醫(yī)院檢驗科的檢驗師并不直接接觸病人，只是做化驗和測試，卻仍有許多人感染新冠病毒(屬于參照甲類傳染病采取預(yù)防、控制措施的乙類傳染病)?？梢娏倚院粑纻魅静〔《緳z測樣本中的氣溶膠亦具有強烈的傳染性。常規(guī)醫(yī)院傳統(tǒng)病毒檢測實驗室的壓力梯度要求及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置，并不能在檢測烈性呼吸道傳染性病毒時，對醫(yī)護(hù)人員提供完備的保障。一個空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)完善配置的病毒檢測實驗室，在保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的同時，又能阻止有害病毒外泄，對疫情防控有重要作用。

1 工程概況

醫(yī)院的病毒檢測，是在PCR實驗室(PCR實驗室即臨床基因擴(kuò)增檢驗實驗室，是指通過擴(kuò)增檢測特定的DNA或RNA，進(jìn)行疾病診斷、治療監(jiān)測和預(yù)后判定等的實驗室[1])進(jìn)行。醫(yī)院檢驗科室一般僅配置一個PCR實驗室，故平疫結(jié)合的PCR實驗室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)顯得十分重要。為積極應(yīng)對新冠病毒肺炎疫情防治工作，對某建設(shè)中醫(yī)技大樓的PCR實驗室進(jìn)行了重新設(shè)計，升級建造，以滿足平疫結(jié)合的要求。

2 PCR實驗區(qū)空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的確定

標(biāo)準(zhǔn)PCR組合式實驗室依工作流程包括4個分區(qū)：試劑儲存和準(zhǔn)備區(qū)(Ⅰ區(qū))、標(biāo)本制備區(qū)(Ⅱ區(qū))、擴(kuò)增反應(yīng)混合物配置和擴(kuò)增區(qū)(Ⅲ區(qū))、擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)(Ⅳ區(qū))，再輔以各區(qū)緩沖間及內(nèi)走廊，構(gòu)成一個完整的PCR實驗區(qū)(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)均符合生物安全二級實驗室的相關(guān)要求[1])。合理的建筑功能分區(qū)、專用設(shè)備聯(lián)控裝置、壓力梯度、氣流組織及通風(fēng)控制策略，是避免PCR實驗的試劑及樣本受污染，造成假陽性檢測結(jié)果的重要保證。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)要求，標(biāo)本制備區(qū)：“可通過在本區(qū)內(nèi)設(shè)立正壓條件避免從鄰近區(qū)進(jìn)入本區(qū)的氣溶膠污染”；擴(kuò)增區(qū)：“可降低本區(qū)的氣壓以避免氣溶膠從本區(qū)漏出”；擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)：“采用負(fù)壓條件或減壓情況下(如安裝排風(fēng)扇)可減少擴(kuò)增產(chǎn)物從本區(qū)擴(kuò)散至前面區(qū)域的可能性”，可知PCR實驗室工作流程為單向流線傳遞，空氣流向亦為嚴(yán)格的單一方向，平時(非疫時)具體壓力梯度要求為I區(qū)(10Pa)→Ⅱ區(qū)(8Pa)→Ⅲ區(qū)(-10Pa)→Ⅳ區(qū)(-15Pa)，如見圖1所示。根據(jù)規(guī)范[2][3]規(guī)定，出于減少對工作人員和環(huán)境污染的考慮，疫情狀況下，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)均以符合加強型醫(yī)學(xué)BSL-2實驗室要求設(shè)置，疫時具體壓力梯度要求為I區(qū)(10Pa)→Ⅱ區(qū)(-10Pa)→Ⅲ區(qū)(-15Pa)→Ⅳ區(qū)(-20Pa)，如圖1所示。綜合各規(guī)范要求，得出PCR實驗區(qū)平時(疫時)空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表，如表1所示。

表1 PCR實驗區(qū)平時(疫時)空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

圖1 PCR實驗區(qū)平時(疫時)壓力梯度分布圖

3 PCR實驗區(qū)空調(diào)通風(fēng)設(shè)計

由于建設(shè)成本和運行成本的原因，傳統(tǒng)醫(yī)用PCR實驗室一般并不采用潔凈空調(diào)系統(tǒng)，沒有潔凈度、最小換氣次數(shù)及最小壓差等要求。該項目考慮平疫結(jié)合的需求，疫情期間參照加強型醫(yī)學(xué)BSL-2實驗室設(shè)置，該PCR實驗區(qū)滿足8級潔凈度等級(10萬級)要求，采用全新風(fēng)模式凈化空調(diào)系統(tǒng)，如圖2所示。

a-定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；b-變風(fēng)量文丘里閥；c-高效送風(fēng)口；d-高效排風(fēng)口圖2 PCR實驗區(qū)全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3.1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

采用兩管制全新風(fēng)變頻凈化空調(diào)機組，新風(fēng)經(jīng)熱、濕處理及粗、中、高三級空氣過濾后送入室內(nèi)。第一級粗效(C4)設(shè)置在空調(diào)機組的新風(fēng)入口處；第二級靜電光催化中效(Z3)設(shè)置在空調(diào)機組出口處；第三級高效送風(fēng)口(A類)設(shè)置在送風(fēng)系統(tǒng)末端(實驗室吊頂)。

實驗區(qū)設(shè)置帶粗、中、高三級空氣過濾系統(tǒng)的全面排風(fēng)系統(tǒng)。室內(nèi)排風(fēng)口設(shè)置于房間底部，且在排風(fēng)口設(shè)置高效過濾器(排風(fēng)口前設(shè)板式初效過濾器以保護(hù)末端高效過濾器(B類)，延長其壽命)，變頻排風(fēng)機組(帶粗效(C4)及靜電光催化中效(Z3))設(shè)于屋面構(gòu)架層。

3.2 局部排風(fēng)設(shè)計

標(biāo)本制備區(qū)(Ⅱ區(qū))設(shè)有一臺Ⅱ級B2型生物安全柜(100%外排)，對應(yīng)獨立設(shè)置變風(fēng)量新風(fēng)系統(tǒng)，補風(fēng)量按生物安全柜排風(fēng)量取值，避免安全柜使用導(dǎo)致室內(nèi)壓力變化。

3.3 氣流組織及壓差控制

PCR各實驗室的氣流組織均采用上送下排的方式，高效過濾器排風(fēng)口設(shè)置在室內(nèi)被污染風(fēng)險最高的區(qū)域，無障礙單向布置，使室內(nèi)氣流停滯降低到最小程度。高效送風(fēng)口不設(shè)置在生物安全柜操作面等有氣溶膠產(chǎn)生的操作點上方，避免氣溶膠擴(kuò)散。

根據(jù)設(shè)計要求的壓差值，參照《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》(GB 50073-2013)中的縫隙法計算，求得維持房間壓差的房間滲透風(fēng)量。Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區(qū)屬于負(fù)壓核心區(qū)，對應(yīng)區(qū)域的排風(fēng)支管設(shè)置變風(fēng)量文丘里閥，通過壓差控制器實時測量實驗室與緩沖間之間的實際壓差，與設(shè)定值做比較，反饋信號調(diào)節(jié)風(fēng)閥動作并聯(lián)動屋面變頻排風(fēng)機組調(diào)節(jié)排風(fēng)量，閉環(huán)控制要求閥響應(yīng)時間小于1 s，風(fēng)量平衡相對時間小于3 s，從而實時控制核心房間的壓差值。

a-定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；b-變風(fēng)量文丘里閥；c1-變風(fēng)量文丘里閥(安全柜補風(fēng))；c2-變風(fēng)量文丘里閥(安全柜排風(fēng))；d-電動氣密閥圖3 PCR實驗室變風(fēng)量運行示意圖

3.4 平疫結(jié)合

各房間的送風(fēng)量平疫工況相同，采用定風(fēng)量閥恒定各房間送風(fēng)支管的送風(fēng)量。各房間排風(fēng)支管均采用變風(fēng)量文丘里閥，設(shè)定平疫兩種工況點的排風(fēng)量，疫情時排風(fēng)支管的變風(fēng)量文丘里閥切換至疫情工況點，變頻調(diào)節(jié)排風(fēng)機組，加大排風(fēng)量，使各實驗區(qū)域的壓力值達(dá)到圖1的要求，滿足平疫轉(zhuǎn)換的使用要求。

3.5 空調(diào)負(fù)荷、送/排風(fēng)量設(shè)計

Ⅰ區(qū)：空調(diào)冷負(fù)荷約2.5 kW，送風(fēng)量按25次/h設(shè)計，取470 m3/h；考慮縫隙壓差風(fēng)量后，平時排風(fēng)量取420 m3/h；疫時排風(fēng)量取380 m3/h。

I緩：送風(fēng)量按12次/h設(shè)計，取100 m3/h；平時(疫時)排風(fēng)量取180 m3/h。

Ⅱ區(qū)：空調(diào)冷負(fù)荷約5.5 kW，送風(fēng)量按25次/h設(shè)計，取970 m3/h；考慮縫隙壓差風(fēng)量后，平時排風(fēng)量取880 m3/h；疫時排風(fēng)量取1050 m3/h。

Ⅱ緩：送風(fēng)量按12次/h設(shè)計，取150 m3/h；平時排風(fēng)量取220 m3/h；疫時排風(fēng)量取135 m3/h。

Ⅲ區(qū)：空調(diào)冷負(fù)荷約3 kW，送風(fēng)量按25次/h設(shè)計，取550 m3/h；考慮縫隙壓差風(fēng)量后，平時排風(fēng)量取580 m3/h；疫時排風(fēng)量取610 m3/h。

Ⅲ緩：送風(fēng)量按12次/h設(shè)計，取100 m3/h；平時排風(fēng)量取85 m3/h；疫時排風(fēng)量取70 m3/h。

情況 8.4 若f3(v)=3,此時最壞的情況是v點關(guān)聯(lián)7個6-面,3個(3,3,10)-面(兩兩不相鄰),v的非三角鄰點均為3-點,且它們各自還關(guān)聯(lián)著一個3-面。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4及最壞3-面9+-點情形可得

Ⅳ區(qū)：空調(diào)冷負(fù)荷約5.5 kW，送風(fēng)量按25次/h設(shè)計，取950 m3/h，考慮縫隙壓差風(fēng)量后，平時排風(fēng)量取1020 m3/h；疫時排風(fēng)量取1030 m3/h。

Ⅳ緩：送風(fēng)量按12次/h設(shè)計，按150 m3/h；平時排風(fēng)量取120 m3/h；疫時排風(fēng)量取110 m3/h。

PCR實驗區(qū)理論計算新風(fēng)總送風(fēng)量3440 m3/h，平時排風(fēng)量3505 m3/h，疫時排風(fēng)量3565 m3/h?？紤]一定余量，配置4000 m3/h風(fēng)量，70 kW制冷量的八排管變頻新風(fēng)機組；4200 m3/h的變頻排風(fēng)機組。

3.6 部分配件的設(shè)計要點

在高效送風(fēng)口前的支管段上，設(shè)置定風(fēng)量文丘里閥，高效排風(fēng)口后的支管段上，設(shè)置變風(fēng)量文丘里閥(非負(fù)壓核心區(qū)設(shè)置定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥)，以保證高效過濾器全壽命周期內(nèi)阻力逐漸變大情況下(初終阻壓差150～250 Pa)仍滿足送、排風(fēng)量的穩(wěn)定，確保室內(nèi)壓力恒定。

B2類生物安全柜需配置高密閉性電動氣密閥(泄漏率小于0.05%，詳圖3)，并與安全柜連鎖。避免安全柜關(guān)閉時，因室內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)，安全柜排風(fēng)管內(nèi)氣體倒流回室內(nèi)。

4 系統(tǒng)控制

4.1 送、排風(fēng)系統(tǒng)啟停連鎖控制措施

排風(fēng)機與送風(fēng)機應(yīng)聯(lián)鎖，應(yīng)先啟動排風(fēng)機，再啟動送風(fēng)機。關(guān)停時，應(yīng)先關(guān)閉系統(tǒng)送風(fēng)機，再關(guān)閉系統(tǒng)排風(fēng)機。送、排風(fēng)機采用變頻、手動調(diào)節(jié)措施。

4.2 局部排風(fēng)應(yīng)采用連鎖控制措施

本PCR實驗室的標(biāo)本制備區(qū)設(shè)置一臺Ⅱ級B2型生物安全柜(100%外排)，安全柜自帶低反應(yīng)時間(響應(yīng)時間小于1s)文丘里變風(fēng)量排風(fēng)閥，配置相應(yīng)的變風(fēng)量排風(fēng)機。該排風(fēng)閥應(yīng)連鎖對應(yīng)設(shè)置的變風(fēng)量新風(fēng)補風(fēng)系統(tǒng)(響應(yīng)時間小于1s)，確保補風(fēng)量與排風(fēng)量一致，不影響房間壓差值。隨著實驗檢測項目越來越多，實驗室很可能在未來增設(shè)生物安全柜，應(yīng)注意A、C類生物安全柜可以分類多臺并聯(lián)，設(shè)置相應(yīng)的變頻排風(fēng)控制系統(tǒng)，確保多臺生物安全柜之間的平衡；B類生物安全柜必須單臺設(shè)置獨立排風(fēng)系統(tǒng)。該特殊點應(yīng)特別提醒醫(yī)院方，避免后期增設(shè)生物安全柜未配置相應(yīng)的補風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致整個PCR實驗區(qū)壓力失衡。

所有送排風(fēng)機的開關(guān)，應(yīng)由專門人員統(tǒng)一控制。

5 結(jié)語

升級改造后的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置，使PCR實驗室可在疫情期間實現(xiàn)更高壓差級別的實驗房間的壓力梯度，在PCR實驗過程中試劑和樣本免受污染的同時，減少對工作人員和環(huán)境的傷害。疫情過后，PCR實驗室通過排風(fēng)量調(diào)節(jié)，使各實驗區(qū)域滿足平時的壓力梯度，也能滿足正常時期PCR實驗室需求，達(dá)到院方平疫轉(zhuǎn)換的使用要求。

精準(zhǔn)的設(shè)備管道密封施工、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的完善密閉性，調(diào)試正確的智能化控制系統(tǒng)，是PCR實驗室建造的重點。帶紫外線消毒燈的傳遞窗雙窗連鎖、實驗區(qū)與對應(yīng)緩沖間門電子互鎖、壓力梯度動態(tài)數(shù)顯、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)可視化控制等數(shù)字化技術(shù)的綜合應(yīng)用，確保了PCR實驗室的可靠安全。PCR實驗室專業(yè)性強，系統(tǒng)控制要求高，需要專業(yè)人員負(fù)責(zé)實驗室的維護(hù)及管理，方可保證實驗室的高效、安全的運行。

本工程的實驗室通過縫隙法計算后，若僅考慮最小壓差的需求，各實驗房間的全面通風(fēng)換氣的排風(fēng)量約6～12次/h，對應(yīng)新風(fēng)量僅約3～8次/h；但Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區(qū)的生物安全柜、離心機、水浴鍋、PCR儀、電泳儀、電熱板、消毒車等設(shè)備發(fā)熱量較大，故PCR各核心實驗室的空調(diào)送風(fēng)換氣次數(shù)為15～25次/h。本PCR實驗室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用全新風(fēng)模式凈化空調(diào)系統(tǒng)，從避免交叉感染的角度看安全性高，但該系統(tǒng)能耗較高。PCR實驗室非疫情時，是否可采用帶回風(fēng)箱的混風(fēng)模式，采用部分新風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，在疫情時關(guān)閉回風(fēng)密閉閥門，設(shè)置平疫雙排風(fēng)機，滿足平疫轉(zhuǎn)換的要求，這種為PCR實驗室空調(diào)通風(fēng)設(shè)計可考慮的做法，值得廣大暖通設(shè)計人員思考。