三级生物安全实验室两种气流组织方式的对比研究(终稿)

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1、三级生物安全实验室两种气流组织方式的对比研究 天津大学环境学院 李江龙 凌继红 邢金城 涂光备 周志航 江苏苏净集团 黄征 王力 摘 要 摘 要 本文对三级生物安全实验室上、下两种排风方式的特点进行了研究。文章将实验与数 值模拟相结合，根据实验数据修正数学模型，利用 Fluent 软件进行计算，重点对空气龄、换气 效率、自净时间等评价指标进行了提取和处理，对两种气流组织方式的实验数据及计算结果进 行了分析比较，得出结论：相同情况下，上排风方式的室内平均空气龄和换气效率高于下排方 式；二者自净时间相差不大。 关键词关键词 生物安全实验室 气流组织 数值模拟 评价指标 换气效率 空气龄 Compa

2、rison of Airflow Distribution in Level-3 Biosafety Laboratory By Li Jianglong, Ling Jihong, Xing jincheng, Huang Zheng, Wang Li, Tu Guangbei and Zhou Zhihang Abstract The article discourses upon the research on the air performance of the two exhaust mode in Level-3 Biosafety Laboratory. Combine the

3、Experiment and numerical simulation, the researcher sets up and optimizes the mathematical model in the help of the experimental data. The computation is done with Fluent soft and the evaluation index data that contains age of air, air exchange efficiency and recovery time etc are picked up and proc

4、essed. Based on the data, the article gives analyses and comparisons on the two air distribution modes and educes the conclusion: on the same conditions, the age of air and air exchange efficiency is better when using a ceiling exhaust; the self cleaning time is sameness of the two exhaust modes. Ke

5、ywords Level-3 boisafety laboratory, Airflow distribution, Numerical simulation, Evaluation index, Air exchange efficiency, Age of air 1 引言 在我国生物安全实验室建设中，三级生物安全实验室的气流组织一直是设计和研究人员讨 论的焦点。生物安全实验室建设技术规范规定，生物安全实验室“气流组织应采用上送下 排方式，送风口和排风口布置应使室内气流停滞的空间降低到最小程度 1。”其出发点是使送 入室内的清洁空气从工作区下部迅速地带走室内污染物而不使其在室内长时间滞留，

6、然而，是 否有必要强制性采用这种排风方式呢？国内部分研究人员通过理论分析及实验得出，上送下排 是最理想的气流组织方式 2。而国内外的一些研究者则通过工程实例证明，上送上排的方式在 合理设计的情况下是完全可以满足以上要求的，而设计不合理，上送下排方式也不能起到快速 排除污染物的作用。同时，上送上排在建筑施工上简单易行的优势，使得部分人员更乐于接受 上送上排方式。由于规范的强制要求，国内的生物安全实验室尚没有采用上部排风方式的， 而国外的规范对此没有强制性要求，所以上送上排的气流组织方式在国外还是比较常见的。 依据天津大学和苏净集团合作承担的江苏省科技攻关项目，经过一年多来的工作，建立了 生物安全

7、实验室的实体研究模型。在对三级生物安全实验室测试的基础上，本文采用数值模拟 和实验结合的方法，对两种气流组织方式的自净时间、换气效率等评价指标进行了对比研究。 2 数学模型 2.1 几何模型 本模型实验室总面积 26m 2，层高 2.8m。设计洁净度等级为ISO 7 级，换气次数为 20 次/h， 送风口尺寸为 500mm500mm， 共 3 个， 排风口为 500mm350mm， 共 4 个， 送风量为 1230m 3/h。 室内设备布置情况见实验室平面布置图 1，各设备尺寸规格见表 1。 考虑到数值计算中数学模型的复杂性， 省略实验室中对气流状态影响不大的设备如洗眼器、 座椅及安全柜的附件

8、等，简化后的立体图见图 2。 表表 1 实验室设备规格表实验室设备规格表 序号 设备名 尺寸规格（mm） 序号设备名 尺寸规格（mm） 1 高压灭菌锅 300400 6 CO2培养箱 500500800 2 操作台 70015001000 7 低温医用冰箱5005001400 3 操作座椅 250500（可升降）8 B2 生物安全柜15258302300 4 落地式洗眼器 2001200 9 A2 生物安全柜12008152270 5 洗手烘干器 6344701100 10 洁净工作台 15008001500 2.2 数学模型 图 3 高效送风口实物图 2.2.1 数学模型描述 本模拟仅考查排

9、风口安装在不同位置时空态下的室内气 流组织情况，因此，模拟中选择三维稳态、隐式非耦合求解方 法，数学模型采用标准k模型3,4。在建模中，对模型作 如下假设： 空气为非可压缩流体； 忽略温差对气流组织的 影响；忽略室内已经略去的小型设备对气流组织的影响； 2.2.2 边界条件 本实验室采用的高效风口见图 3，风口中心为孔板，四周 为 45导流叶片。为了建立合理的送风边界条件，笔者对距 风口 2080mm 区域的气流速度进行了测试，测得上送下排和 上送上排方式的风口速度基本相同，结果见图 4。 根据风口实测速度，本模拟风口采用孔口面风速相等模型，在风口出风量与实际风口相等 的情况下，使得在距风口

10、200mm以外时的空气动量与实际相等5,6。经过多次模拟尝试，选定 送风口模型见图 5。送风口设为速度入口边界，中心孔风速为 0.55m/s，方向竖直向下，四周孔 口风速为 0.325m/s，方向向下偏外 45。通过模拟计算，得出稳定情况下送风口中心剖面图上 距出风面z200mm，400mm，600mm，800mm处的等速度线，见图 6 和图 7。从图上可以看出， 各截面风速基本和实测数据相等，见图表 2，说明模拟所选取的风口模型是适用的。 排风口设为自由出流边界，其余均为绝热边壁条件。 图 4 距风口不同距离平面上测点的风速（m/s） 图 5 风口模型 图 7 选定点实测值与模拟值比较 图

11、6 过送风口纵断面模型气流等速图 3 数值计算与实验结果 3.1 空气龄及换气效率7 室内空气龄评价了空气流动状态的合理性，换气效率是评价换气效果优劣的指标。本文对 两种气流组织方式的室内平均空气龄及换气效率进行了计算，计算公式见式 14。 = 0 0 )( )( dc dc e e （1） N n 1 = （2） 2 n a = （3） 将式 1 经差分离散后得到差分公式如下： = 0 0 )( )( e e c c （4） )( 式中：为室内平均空气龄，s； n 为室内空气最短滞留时间，s；)( e c为时刻排风口示踪 气体浓度，； a 为换气效率；为监测时间间隔，s； 本文以 CO 为示

12、踪气体，初始状态下室内 CO 体积分数为 20，分布均匀。然后，以 3s 时间为间隔，对两种排风方式下排风口 CO 浓度衰减情况连续追踪了 1200s，CO 浓度随时间 的衰减规律见图 9。根据模拟所得数据，利用式 14 计算得出：室内最短空气滞留时间（名 义时间常数）为 180s；上送上排方式的室内空气平均寿命为 164.6s，换气效率为 0.547；上送 下排方式的空气平均寿命为 198.5s，换气效率为 0.453。从室内空气平均寿命和换气效率来看， 上送上排方式的空气流动状态更为合理，换气效果更好。 3.2 自净时间 自净时间是评价洁净室换气效率的重要指标。本实验采用人工发尘的方法测试

13、实验室的自 净时间：先将通风系统关闭，用巴兰香在室内发尘 23 分钟，通过室内粒子计数器监测 5um 粒径的粒子数大约接近 10 万的时候停止发尘，开启通风系统同时对工作区粒子进行实时监测， 测至室内粒子数稳定为止。通过对实验室人工发尘测试和数值模拟，得出实验室的自净时间均 为 15 分钟左右， 图 8 和图 9 分别表示实验过程室内烟粒子的衰减过程和模拟过程 CO 浓度的衰 减过程。 图 8 巴兰烟粒子浓度衰减曲线 图 9 模拟 CO 浓度衰减曲线 以图 8、9 显示的数据对两种排风方式作对比：在室内粒子浓度较大时，上送下排方式粒子 浓度衰减较快，但衰减至某一较低浓度所用的总时间相差不大，即

14、两种排风方式下，实验室的 自净时间相差不大。从以上两图还可以得出，数值模拟的结果与实验吻合得很好。 4 结论 1以实际测试获得计算空间的空气动力特性，再根据空气动力特性通过多次尝试建立合理的数 学模型，是获得与实际流动相吻合数值模型的有效方法。 2两种排风方式在室内换气次数均为 20 AC/h 情况下，上送上排方式室内平均空气龄与换气效 率均优于上送下排方式。 3相同的换气次数下，上送下排方式在高浓度时室内粒子衰减较上送上排方式快，但总的衰减 时间相差不大，即二者自净时间相同。 4针对生物安全实验室污染源的特点，进一步实测与模拟分析各种气流组织实际效果的工作尚 待深入。 参考目录 1 中华人民

15、共和国建设部GB50346-2004 生物安全实验室建设技术规范S北京：中国建 筑工业出版社，2004 2 许钟麟，张益昭等.关于生物安全实验室送、回风口上下位置问题的探讨.洁净与空调技术， 2005（4）;1520 3 涂光备，凌继红.CFD及其在医疗卫生建筑空调净化的应用.第九届国际洁净技术论坛文集， 2006，156187 4 涂光备，邢金城，凌继红等.医院建筑空调净化与设备.北京：中国建筑工业出版社，2005 5 赵 彬,曹 莉.洁净室孔板型风口入流边界条件的处理方法.清华大学学报.2003,43(5),691 -692. 6 赵彬， 李先庭， 彦启森 室内空气流动数值模拟的风口模型综述J 暖通空调， 2000， 30(5)； 3337 7 陆亚俊，马最良等.暖通空调.北京：中国建筑工业出版社,2002;245247. 附：作者信息附：作者信息 李江龙：男，1983.05，天津大学环境学院在读硕士，电话：022-27890555，天津市南开区卫津 路 92 号天津大学环境学院 24 楼 B508， （300072） 。 凌继红：天津大学环境学院，电话：022-27890555，天津市南开区卫津路 92 号天津大学环境学 院 24 楼 B508， （300072） 。 邢金城：同上。 涂光备：同上。 周志航：同上。