P3生物安全實(shí)驗(yàn)室模擬檢測

0 引言

一場突如其來的瘟疫席卷了整個(gè)中華大地, 全國上下由于非典而變得人心惶惶, 而醫(yī)務(wù)工作者和科研工作者為了抗擊非典而不懈奮斗著。非典已經(jīng)過去了一段時(shí)間了, 人們的心情也逐漸趨于平靜, 但是留給了科研人員許多思索和研究的空間, 我國的科研力量和科研條件在此期間也暴露出了許多問題, 都遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上世界的潮流。因此, 非典過后全國各地新建或改建了許多生物安全實(shí)驗(yàn)室, 由于以前的工程實(shí)例和可參考的工程很少, 而許多新的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的潔凈級(jí)別都偏高。

我國新頒布的《生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范》( 征訂稿) 中已給出了一到四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的主要技術(shù)指標(biāo), 本文旨在用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬, 并用模擬結(jié)果與驗(yàn)收測試結(jié)果比較分析,從而為P3 生物安全實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)提出一些有價(jià)值的建議。

1  設(shè)計(jì)依據(jù)

本工程依據(jù)《生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范》( 征定稿) 給出的P3 生物安全實(shí)驗(yàn)室的二級(jí)防護(hù)主要指標(biāo), 如表1 所示。

2  實(shí)驗(yàn)室模型的建立

本實(shí)驗(yàn)室平面圖如圖1 所示, 結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)室面積為25.2 m² , 吊頂標(biāo)高為2. 7 m, 設(shè)計(jì)總送風(fēng)量811～3011 m³/h, 總排風(fēng)量為3 198m³/h, 生物安全柜設(shè)計(jì)排風(fēng)量為2000 m³/h, 還有一個(gè)儲(chǔ)藏柜設(shè)計(jì)排風(fēng)量為200m³/h; 空調(diào)采用全新風(fēng)系統(tǒng), 氣流組織采用雙向上送下回式。

3 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

本模擬采用的是k－ε。雙方程模型, 但在菌落場模擬和濃度場模擬中給定以下幾個(gè)假設(shè): ① 因?yàn)榧?xì)菌一般是附著在灰塵上向四周擴(kuò)散, 但是有灰塵不一定有細(xì)菌, 所以本次模擬將細(xì)菌的菌落場和灰塵的濃度場分開模擬; ②忽略溫度對(duì)菌落場和濃度場影響, 即忽略溫差驅(qū)動(dòng)力; ③假設(shè)地面8 m² , 的發(fā)塵量和發(fā)菌量與一個(gè)人員的發(fā)塵量和發(fā)菌量相當(dāng), 人靜止的發(fā)菌量為3 0 0 個(gè)/ (人·m i n ), 發(fā)塵量為5 x 10 ⁵ 個(gè)/ (人·m i n ), 發(fā)塵量比例: 頂棚:墻面她面為1:5 100; ④ 因?yàn)榛覊m的體積占?xì)怏w體積的比例微乎其微, 可以認(rèn)為對(duì)氣流場沒有影響, 因此, 模擬中采用非禍合計(jì)算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動(dòng)量方程( X方向) :

式( 1 )～( 3 ) 中: 人為分子平均自程;u 為空氣速度; u_p,為粒子速度;g為重力; ρ為空氣密度;F_x為其他驅(qū)動(dòng)力; D_p為粒子直徑; μ為動(dòng)力粘滯系數(shù);R_e為雷諾數(shù);ρ_ρ為粒子密度。

3.2 邊界條件的處理

邊界條件按以下假設(shè)處理。

①為簡化計(jì)算, 假設(shè)氣體分子與墻壁之間碰撞為彈性碰撞, 沒有動(dòng)量和能量的交換;

②送、回風(fēng)口的送、回風(fēng)速度均按實(shí)際工程的實(shí)際風(fēng)速;

③由于人是室內(nèi)的主要污染源, 因此為簡化計(jì)算,本模擬設(shè)了兩個(gè)柱形污染源, 將總的發(fā)菌量和發(fā)塵量集中到這兩個(gè)柱形污染源上^[1-2]。

4 計(jì)算結(jié)果的分析

4.1細(xì)菌、灰塵濃度場和速度場的模擬結(jié)果

菌落場的模擬結(jié)果見圖3～5?；覊m濃度場的模擬結(jié)果見圖6～8, 速度場的模擬結(jié)果見圖9～1 1。

4 .2 施工驗(yàn)收測試結(jié)果

表2～4 分別為懸浮粒子、沉降菌和速度的檢測結(jié)果。

4.3 細(xì)菌、灰塵濃度場的模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果可以看出:

①模擬結(jié)果與施工驗(yàn)收結(jié)果基本上吻合, 說明此工程的設(shè)計(jì)、施工都達(dá)到了工藝要求的潔凈級(jí)別和模擬結(jié)果的可靠性。

②人員雖然是主要的產(chǎn)塵源和產(chǎn)菌源, 但是他們周圍的細(xì)菌和灰塵濃度都不高, 分析其主要的原因在于總的產(chǎn)塵量和產(chǎn)菌量相對(duì)于空氣來說非常小, 在如此大的送風(fēng)量情況下很快就被稀釋掉。

③在2.5 m 以上的范圍內(nèi), 主要是發(fā)菌源和發(fā)塵源下游的菌落場和灰塵濃度場都偏高, 而在2 m 以內(nèi)的范圍內(nèi)都能滿足設(shè)計(jì)要求, 分析其主要原因在于室內(nèi)的空氣流速比較小, 室內(nèi)空氣不能形成大的擾動(dòng),致使室內(nèi)上部細(xì)菌和灰塵集聚, 空氣的含菌量和含塵量偏高。在一些死角的位置, 由于形成了小的渦流, 導(dǎo)致細(xì)菌、灰塵不能被稀釋掉, 從而濃度偏高。

④本工程的潔凈級(jí)別偏高, 分析原因是由于本實(shí)驗(yàn)室采用的生物安全柜為單通道型, 操作口就是進(jìn)風(fēng)口, 而生物安全柜的通風(fēng)量也相當(dāng)大, 導(dǎo)致室內(nèi)的換氣次數(shù)達(dá)到四十多次, 能達(dá)到普通百級(jí)潔凈廠房的設(shè)計(jì)水平^[3-4]。

5 結(jié)論

從本文的研究可以得到如下結(jié)果:

①設(shè)計(jì)中盡量選用專用送、排風(fēng)管道的生物安全柜, 這樣可以大大降低送風(fēng)量, 減小高效過濾器的負(fù)擔(dān), 或可以選用小風(fēng)量的過濾器, 因?yàn)?P 生物安全實(shí)驗(yàn)室必須采用全新風(fēng)系統(tǒng), 所以高效過濾器的負(fù)擔(dān)較重, 在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)該盡量減少送風(fēng)量及新風(fēng)量。

②送風(fēng)方式盡量采用雙向上送下回式(如本工程所采用的形式), 在人員活動(dòng)的范圍內(nèi)(2m 以下) 都能滿足規(guī)范要求, 并且盡量避免死角以減少形成渦流區(qū)的可能。

③ 由于計(jì)算機(jī)模擬過程中對(duì)某些參數(shù)作了理想化的處理, 因此與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差, 但是它可以為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提供一個(gè)很好的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏偉.C F D 技術(shù)在百級(jí)潔凈手術(shù)室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2 0 0 2,( 6 ) : 5 6－5 8

[2] 顏偉.頂送四角回風(fēng)氣流組織形式的C F D 分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2 0 02,2 1 ( 2 ) : 36 －3 9

[3] 李先庭.用C F D 方法評(píng)價(jià)亂流潔凈手術(shù)室的潔凈等級(jí)[J].潔凈與空調(diào)技術(shù), 2 0 0 1,

( 4 ) : 18－21

[4] 王軍.P3 實(shí)驗(yàn)室潔凈空調(diào)設(shè)計(jì)的若干問題[J].通風(fēng)除塵,19 9 3 , ( 3 ) : 3 5－3 7