P3生物安全实验室模拟检测

0 引言

一场突如其来的瘟疫席卷了整个中华大地, 全国上下由于非典而变得人心惶惶, 而医务工作者和科研工作者为了抗击非典而不懈奋斗着。非典已经过去了一段时间了, 人们的心情也逐渐趋于平静, 但是留给了科研人员许多思索和研究的空间, 我国的科研力量和科研条件在此期间也暴露出了许多问题, 都远远跟不上世界的潮流。因此, 非典过后全国各地新建或改建了许多生物安全实验室, 由于以前的工程实例和可参考的工程很少, 而许多新的设计中设计的洁净级别都偏高。

我国新颁布的《生物安全实验室建筑技术规范》( 征订稿) 中已给出了一到四级生物安全实验室的主要技术指标, 本文旨在用计算机模拟技术对实际工程进行模拟, 并用模拟结果与验收测试结果比较分析,从而为P3 生物安全实验室的设计提出一些有价值的建议。

1  设计依据

本工程依据《生物安全实验室建筑技术规范》( 征定稿) 给出的P3 生物安全实验室的二级防护主要指标, 如表1 所示。

2  实验室模型的建立

本实验室平面图如图1 所示, 结构图如图2 所示。该实验室面积为25.2 m² , 吊顶标高为2. 7 m, 设计总送风量811～3011 m³/h, 总排风量为3 198m³/h, 生物安全柜设计排风量为2000 m³/h, 还有一个储藏柜设计排风量为200m³/h; 空调采用全新风系统, 气流组织采用双向上送下回式。

3 数值计算模型及边界条件

3.1 数值计算模型的建立

本模拟采用的是k－ε。双方程模型, 但在菌落场模拟和浓度场模拟中给定以下几个假设: ① 因为细菌一般是附着在灰尘上向四周扩散, 但是有灰尘不一定有细菌, 所以本次模拟将细菌的菌落场和灰尘的浓度场分开模拟; ②忽略温度对菌落场和浓度场影响, 即忽略温差驱动力; ③假设地面8 m² , 的发尘量和发菌量与一个人员的发尘量和发菌量相当, 人静止的发菌量为3 0 0 个/ (人·m i n ), 发尘量为5 x 10 ⁵ 个/ (人·m i n ), 发尘量比例: 顶棚:墙面她面为1:5 100; ④ 因为灰尘的体积占气体体积的比例微乎其微, 可以认为对气流场没有影响, 因此, 模拟中采用非祸合计算。模拟浓度场和菌落场的基本方程为动量方程( X方向) :

式( 1 )～( 3 ) 中: 人为分子平均自程;u 为空气速度; u_p,为粒子速度;g为重力; ρ为空气密度;F_x为其他驱动力; D_p为粒子直径; μ为动力粘滞系数;R_e为雷诺数;ρ_ρ为粒子密度。

3.2 边界条件的处理

边界条件按以下假设处理。

①为简化计算, 假设气体分子与墙壁之间碰撞为弹性碰撞, 没有动量和能量的交换;

②送、回风口的送、回风速度均按实际工程的实际风速;

③由于人是室内的主要污染源, 因此为简化计算,本模拟设了两个柱形污染源, 将总的发菌量和发尘量集中到这两个柱形污染源上^[1-2]。

4 计算结果的分析

4.1细菌、灰尘浓度场和速度场的模拟结果

菌落场的模拟结果见图3～5。灰尘浓度场的模拟结果见图6～8, 速度场的模拟结果见图9～1 1。

4 .2 施工验收测试结果

表2～4 分别为悬浮粒子、沉降菌和速度的检测结果。

4.3 细菌、灰尘浓度场的模拟结果分析

从模拟结果和实测结果可以看出:

①模拟结果与施工验收结果基本上吻合, 说明此工程的设计、施工都达到了工艺要求的洁净级别和模拟结果的可靠性。

②人员虽然是主要的产尘源和产菌源, 但是他们周围的细菌和灰尘浓度都不高, 分析其主要的原因在于总的产尘量和产菌量相对于空气来说非常小, 在如此大的送风量情况下很快就被稀释掉。

③在2.5 m 以上的范围内, 主要是发菌源和发尘源下游的菌落场和灰尘浓度场都偏高, 而在2 m 以内的范围内都能满足设计要求, 分析其主要原因在于室内的空气流速比较小, 室内空气不能形成大的扰动,致使室内上部细菌和灰尘集聚, 空气的含菌量和含尘量偏高。在一些死角的位置, 由于形成了小的涡流, 导致细菌、灰尘不能被稀释掉, 从而浓度偏高。

④本工程的洁净级别偏高, 分析原因是由于本实验室采用的生物安全柜为单通道型, 操作口就是进风口, 而生物安全柜的通风量也相当大, 导致室内的换气次数达到四十多次, 能达到普通百级洁净厂房的设计水平^[3-4]。

5 结论

从本文的研究可以得到如下结果:

①设计中尽量选用专用送、排风管道的生物安全柜, 这样可以大大降低送风量, 减小高效过滤器的负担, 或可以选用小风量的过滤器, 因为3P 生物安全实验室必须采用全新风系统, 所以高效过滤器的负担较重, 在达到设计要求的情况下应该尽量减少送风量及新风量。

②送风方式尽量采用双向上送下回式(如本工程所采用的形式), 在人员活动的范围内(2m 以下) 都能满足规范要求, 并且尽量避免死角以减少形成涡流区的可能。

③ 由于计算机模拟过程中对某些参数作了理想化的处理, 因此与实际结果有一定的偏差, 但是它可以为实际工程的设计提供一个很好的参考。

参考文献

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