１　 生物安全柜简介

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％气体经高效过滤器过滤后在柜内循环使用，３０％气体经高效过滤器过滤后排柜外； Ｂ２生物安全柜（见图２）柜内全部气体经高效过滤器过滤后，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。内排式是将安全柜放置于实验室内合适的位置，自房间引风，其中７０％在柜内循环，３０％经高效过滤器过滤后直接排至安全柜外；外排式是将上述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。

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。

国内外标准中均推荐 Ａ２生物安全柜外排式通风系统采用套管的连接方式。安全柜的排风口通过排气罩与外排风管连接，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。套管式排气罩连接方式如图３所示。

如图３所示：排气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 交接的长度，使房间的空气可以被自由地吸入到外排系统中，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，影响安全柜的性能；用软管连接有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。采用套管式排气罩连接方式，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。

２　 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，对 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２０ｍ

２ ，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为６００ｍ３ ／ｈ ，设计排风量为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６２４ｍ ３ ／ｈ 。根据压力要求，考虑房间排风量为７００３ ／ｈ ，此时安全柜排风量为８００ｍ３ ／ｈ ，因此房间的送风量增加１００ｍ３ ／ｈ 。３ ）外排套管式连接，回风式系统；房间送风量为６２４ｍ３ ／ｈ ，安全柜排风量为８００ｍ３ ／ｈ ；该房间原有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 （新风比按１０％计算）。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生物安全柜系统较 Ａ２安全柜的能耗明显增大。

３　 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。下面以北方地区某生物洁净实验室项目为例对空调系统设计进行分析探讨。

该项目共有６个房间，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。该项目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他房间排风统一设置１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（由调试获得）：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 ），因此生物安全柜阻力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。

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，该空调通风系统形式较简单。生物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，该系统最稳定，成本及能耗均最低。 Ｂ２生物安全柜常见外排风量为１　６００～１　８００ｍ３ ／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，实验室系统的控制思路清晰、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台排风机排至室外，如图５所示。

由于排风量恒定，该方案生物安全柜的启闭对系统不会产生压力波动影响，可以较好地保护使用者、受试样本和环境。但与方案１相比，当实验室房间较小时，若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，需增加补风量，也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留有余量，且由于设有排气罩，房间的净高也会增加，施工难度也相应增加。

房间排风和 Ａ２ ， Ｂ２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 ，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，使平衡性更好，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，实际调适结果表明，系统稳定性较好，调适较易完成。

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增加了初投资及运行成本，但是系统调适更方便。３种方案对比如表３所示。

上述３种方案均设置了与 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。该方式已大量应用于有压力要求的洁净室领域中。

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，系统运行调适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适问题。

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。

４　 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要求。

２ ）基于本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。房间高度增加也将增加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适的便利，建议排风机分开设置，使系统更加稳定。