高等级生物安全实验室压力衰减法气密性测试影响因素

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2021-07-27   环球过滤分离技术网  nanopuretech6

生物安全四级实验室(ABSL-4和BSL-4，均属于高等级生物安全实验室)是我国目前对生物安全防护级别要求最高的一类实验室，所涉及的病原微生物能够使人或动物患上严重疾病，传染性极强且通常经空气传播，对产生的感染一般没有有效的预防和治疗措施。为了防止实验人员被感染，人员在实验过程需要借助具有生命支持系统的正压服来进行相关的操作。同时，实验室系统在正常运行状态下，各房间的绝对压力始终低于外界环境大气压，通过在各房间之间建立有序的压力梯度，防止操作过程中涉及到的病原微生物泄漏至外界或相邻房间。另外，实验室在某些特定情况下(如设备切换过程失败、消毒过程中压力升高、实验设备发热导致压力升高)，室内压力会高于环境压力，增加了病原微生物向室外环境扩散的风险。基于上述原因，国内相关规范对该类实验室的气密性进行了严格的要求，以减少室内空气经由围护结构缝隙、电气管线及门体等其他防护屏障向外界泄漏，从而实现实验室内部与外界的充分隔离。

目前，我国现行国家标准GB 19489—2008《实验室生物安全通用要求》(以下简称GB 19489)和GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》(以下简称GB 50346)中要求使用压力衰减法对生物安全四级实验室围护结构气密性进行测试，即人为使房间内压力处于较高状态，随后通过观察房间内压力在一段时间内的变化，对其气密性进行判断。本文依托国内目前现有生物安全四级实验室现场气密性的测试数据，结合理论计算，分析在压力衰减法测试过程中，由于大气压、房间有效容积、温度等参数的不同对其测试结果的影响。同时，根据衰减率随时间变化的特点，提出提前判断测试结果是否合格的理论及实践依据，以期为GB 19489和GB 50346后续的修订提供理论依据及数据支撑。


1 压力衰减法测试要求
对于生物安全四级实验室，GB 19489要求“实验室防护区围护结构的气密性应达到在关闭受测房间所有通路并维持房间内的温度在设计范围上限的条件下，当房间内的空气压力上升到500 Pa后，20 min内自然衰减的气压小于250 Pa”；GB 50346同样要求“房间相对负压值达到－500 Pa，经20 min自然衰减后，其相对负压值不应高于－250 Pa”，同时要求“生物安全四级实验室有条件时进行正、负压两种工况的检测”。

对于高等级生物安全实验室气密性测试时正、负压工况的选择，曹国庆等人从气密性测试的意义及工程建造工艺的角度出发，提出了相应的观点。可以看出，无论使用何种工况，对于房间围护结构气密性的要求均以500 Pa压差下半衰期为20 min气密性指标作为评价标准。

对于气密性的测试方法，GB 19489以及ISO 10648-2：1994《密封箱室  第2部分：密封性分级及其检验方法》有较为详尽的描述。图1为压力衰减法测量系统示意图。



2 理论计算
ISO 10648-2对小时泄漏率的定义为“密封箱室在正常工作条件(压力和温度)下1 h的泄漏量F与该密封箱室的体积V的比值”，即




式中  Tf为小时泄漏率，h-1。

对于泄漏量F的计算，目前国内外许多学者通过实验测试，认为式(2)更适用于房间整体缝隙空气渗透特性的表达。




式中  C为流量系数；Δp为缝隙两侧静压差，Pa；m为流动指数，反映经过缝隙时气流的流速及流动状态，取值范围在0.5～1之间(当接近0.5时，缝隙内气流以湍流为主；接近1时，以层流为主)。

式(2)中的C，m是对泄漏量进行实测后，通过对幂指数方程进行回归后确定的。针对压力衰减法计算泄漏率的公式



式中  t为检验持续的时间，h；p1为第一次读数时室内的绝对压力，Pa；pn为最后一次读数时室内的绝对压力，Pa；T1为第一次读数时的温度，K；Tn为最后一次读数时的温度，K。

式(3)是将气态平衡方程代入式(1)中转化得出的，可根据房间初始状态时的p1，T1及终止状态时的pn，Tn结合持续时间t，直接计算出该房间的小时泄漏率Tf，此种方法适用于压差随时间变化时泄漏量也随之改变的泄漏率的计算。

生物安全四级实验室“500 Pa压差下半衰期为20 min”的气密性指标，如考虑起始及终止时房间内的温度变化，也可通过式(3)计算得出其小时泄漏率。同时，观察式(3)中的各变量后可以发现，室外的绝对压力p或箱体内的温度T发生改变，对于小时泄漏率的计算结果会产生很大影响。下面针对不同参数变化对泄漏率的影响进行具体说明。



3 各参数对泄漏率的影响
3.1  大气压

根据我国针对高等级生物安全实验室体系建设规划，到2025年我国将建设5～7个四级实验室，实现每个省份至少有1个三级实验室的目标。我国幅员辽阔，海拔高度变化明显，这决定了我国生物安全四级实验室将建设在不同海拔的地区，从而导致不同的大气压力对小时泄漏率的计算结果产生影响。图2显示了不同大气压下，满足“500 Pa压差下半衰期为20 min”要求时小时泄漏率的理论计算结果。





从图2可以看出，由于所处海拔高度不同，其小时泄漏率随大气压的降低而增大，即同样满足规范标准要求的房间，处在大气压低的地区，其每小时泄漏的空气量要多于大气压高的地区。该现象可通过质量守恒原理结合气态平衡方程进行解释，具体过程如下。

初始时刻房间空气的质量按下式计算：





式中  m0为初始时刻房间空气的质量，kg；mt为终止时刻房间空气的质量，kg；ρ为房间空气的密度，kg/m3；Δt为测试过程的时间，min。

根据气态平衡方程(pV=mrT，其中p为空气压力，V为空气体积，m为空气的质量，r为空气比例常数，r=R/M，T为空气温度)，式(4)可转化为




式中  p0，pt为分别为初始和终止时房间的相对压力，Pa；T为房间内温度，K。

图3显示了根据式(5)得到的不同大气压下某房间由－503 Pa衰减至－302 Pa过程中各时间段内小时泄漏率的变化趋势(房间内温度保持20 ℃不变)。图3中101.325，91.193，81.060，70.928 kPa大气压下20 ℃时空气的密度分别为1.205，1.084，0.964，0.844 kg/m3。







由图3可以看出，温度不变的情况下，在满足“500 Pa压差下半衰期为20 min”的房间，空气的泄漏率与密度的倒数成正比，即 (下标0指标准大气压，1指非标准大气压)。由此得出不同海拔地区由于空气密度的不同泄漏率发生变化，且泄漏率与密度变化成反比。鉴于不同海拔地区房间在满足规范中气密性指标要求的前提下出现泄漏率不同的现象，今后对生物安全风险评价指标的细化、确定，值得我们讨论。

3.2  房间有效容积

当房间与相邻空间存在静压差时，气流通过围护结构的缝隙进入或流出房间。因此，静压差就是一定风量通过缝隙时产生的阻力，即静压差反映的是房间缝隙的阻力特性。根据式(2)对泄漏量进行定义，即当泄漏量达到动态平衡时，房间会产生稳定的静压差。Walker认为式(2)中的C，m实际上与流量没有直接关系，其中影响C变化的参数主要为密度、动力黏度及温度，缝隙的尺寸及复杂程度直接影响m的变化。因此可以得出，当房间的缝隙、温度、空气的密度未发生变化时，单位时间内压差变化导致的泄漏量是不变的。

生物安全四级实验室的核心工作间为实验操作的主要区域，内部放置大量的科研设备及家具，占据了房间的部分体积，而根据式(1)对泄漏率的定义，当单位时间内泄漏量不变时，泄漏率随房间体积的减小而增大。

为验证该理论，笔者在生物安全四级实验室核心工作间气密性测试过程中测试了单独核心工作间及开启核心工作间与相邻缓冲间之间门体2种状态。图4显示了房间体积变化前后小时泄漏率实测数据对比。



由图4可以看出：

1) 所测6间核心工作间在温度不变的情况下，体积增大后房间泄漏率实测数据与理论计算数据基本一致，可知房间的泄漏率 (下标a表示体积增大后，b表示体积增大前)。

2) 体积增加的部分其围护结构泄漏量对原泄漏量影响较小。主要由于受测房间门体均采用气密门，且进行验证前均单独对门体进行了泄漏测试，门体导致的泄漏量差异基本可忽略。同时，体积增加的房间主要为核心工作间的相邻缓冲间，其围护结构缝隙及线路管线较核心工作间更易控制，故其围护结构产生的泄漏量对整体空间而言影响较小。

3.3  温度

根据理想气体状态方程可知，当房间内空气质量及体积不变时，房间内压力与温度成正比，且在标准状态下，空气变化1 ℃，其绝对压力变化约350 Pa。将“500 Pa压差下半衰期为20 min”的气密性指标作为评价标准，温度的变化幅度将会对气密性的测试结果产生很大影响。为减小温度对气密性计算结果产生的影响，ISO 10648-2中对压力衰减法测试的温度要求为“箱室内部温度的变化必须小于±0.3 ℃”。表1给出了现场测试过程中不同房间泄漏率随压力、温度变化的结果。





由表1可以看出：1) 在温度不变的情况下，压力变化越小的房间其计算泄漏率的结果越小；2) 1号房间压力变化幅度小于4号房间，但由于1号房间温度降低0.1 ℃导致小时泄漏率高于4号房间；3号房间与6号房间的压力变化基本一致，但由于3号房间温度上升0.1 ℃，导致泄漏量低于6号房间。基于上述现象，当房间内温度发生变化时，不能仅依靠一段时间内压力变化幅度判断房间气密性是否合格。


4  探讨
1) GB 50346及GB 19489将“500 Pa压差下半衰期为20 min”作为气密性评价指标，由于泄漏率会因不同气压条件下空气密度的差异而出现变化，故单纯将一段时间内压力衰减幅度作为气密性合格的评价标准，衡量标准在一定程度上不统一。建议评价房间气密性效果按照一段时间内单位体积的泄漏量数值进行规定。

2) GB 50346要求实验室各项参数的验证须在静态环境下进行，即实验室内设施已建成、工艺设备已安装、实验对象尚未进入，但由于室内的工艺设备会占用房间部分体积，可能会导致泄漏率计算结果较设备就位之前有所增加。所以，在工程自检时应给予充分考虑。

3) 由于温度变化对房间气密性影响较大，即便按照ISO 10648-2中“箱室内部温度的变化必须小于±0.3 ℃”的要求进行，在101.325 kPa，20 ℃的状态下，压力变化也在104 Pa左右。因此，建议在进行现场检测时，充分考虑室内温度变化所带来的影响。


5  结论
1) 房间气密性验证的根本目的在于将病原体外逸至外界环境的数量限制在可接受的风险范围内，故应以单位体积的空气泄漏量作为衡量标准。

2) 对同一房间而言，室内的工艺设备占据一定体积，可能会影响泄漏率测试及计算结果。因此，房间气密性的验证应考虑实验设备及家具所占体积，以期真实反映正常使用情况下房间的气密性水平。

3) 房间气密性是否合格，不能仅依靠一段时间内压力的变化幅度来判断，应保证房间在监测周期内温度不变，避免产热设备运行时对温度造成影响。同时，应使用温度监测设备对测试周期内的温度变化进行持续监

全文刊登于《暖通空调》2018年第1期

作者：中国建筑科学研究院  李 屹   曹国庆
中国医学科学院医学生物学研究所  代 青


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