P3生物(wù)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, 全國(guó)上下由于非典而变得人心惶惶, 而医務(wù)工作者和科(kē)研工作者為(wèi)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(kē)研人员许多(duō)思索和研究的空间, 我國(guó)的科(kē)研力量和科(kē)研条件在此期间也暴露出了许多(duō)问题, 都遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上世界的潮流。因此, 非典过后全國(guó)各地新(xīn)建或改建了许多(duō)生物(wù)安全实验室, 由于以前的工程实例和可(kě)参考的工程很(hěn)少, 而许多(duō)新(xīn)的设计中设计的洁净级别都偏高。

我國(guó)新(xīn)颁布的《生物(wù)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(wù)安全实验室的主要技术指标, 本文(wén)旨在用(yòng)计算机模拟技术对实际工程进行模拟, 并用(yòng)模拟结果与验收测试结果比较分(fēn)析,从而為(wèi)P3 生物(wù)安全实验室的设计提出一些有(yǒu)价值的建议。

1  设计依据

本工程依据《生物(wù)安全实验室建筑技术规范》( 征定稿) 给出的P3 生物(wù)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。该实验室面积為(wèi)25.2 m² , 吊顶标高為(wèi)2. 7 m, 设计总送风量811～3011 m³/h, 总排风量為(wèi)3 198m³/h, 生物(wù)安全柜设计排风量為(wèi)2000 m³/h, 还有(yǒu)一个储藏柜设计排风量為(wèi)200m³/h; 空调采用(yòng)全新(xīn)风系统, 气流组织采用(yòng)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(yòng)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 因為(wèi)细菌一般是附着在灰尘上向四周扩散, 但是有(yǒu)灰尘不一定有(yǒu)细菌, 所以本次模拟将细菌的菌落场和灰尘的浓度场分(fēn)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, 人静止的发菌量為(wèi)3 0 0 个/ (人·m i n ), 发尘量為(wèi)5 x 10 ⁵ 个/ (人·m i n ), 发尘量比例: 顶棚:墙面她面為(wèi)1:5 100; ④ 因為(wèi)灰尘的體(tǐ)积占气體(tǐ)體(tǐ)积的比例微乎其微, 可(kě)以认為(wèi)对气流场没有(yǒu)影响, 因此, 模拟中采用(yòng)非祸合计算。模拟浓度场和菌落场的基本方程為(wèi)动量方程( X方向) :

式( 1 )～( 3 ) 中: 人為(wèi)分(fēn)子平均自程;u 為(wèi)空气速度; u_p,為(wèi)粒子速度;g為(wèi)重力; ρ為(wèi)空气密度;F_x為(wèi)其他(tā)驱动力; D_p為(wèi)粒子直径; μ為(wèi)动力粘滞系数;R_e為(wèi)雷诺数;ρ_ρ為(wèi)粒子密度。

3.2 边界条件的处理(lǐ)

边界条件按以下假设处理(lǐ)。

①為(wèi)简化计算, 假设气體(tǐ)分(fēn)子与墙壁之间碰撞為(wèi)弹性碰撞, 没有(yǒu)动量和能(néng)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, 因此為(wèi)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(fēn)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(fēn)别為(wèi)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(fēn)析

从模拟结果和实测结果可(kě)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(kě)靠性。

②人员虽然是主要的产尘源和产菌源, 但是他(tā)们周围的细菌和灰尘浓度都不高, 分(fēn)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(xiǎo), 在如此大的送风量情况下很(hěn)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(néng)满足设计要求, 分(fēn)析其主要原因在于室内的空气流速比较小(xiǎo), 室内空气不能(néng)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(xiǎo)的涡流, 导致细菌、灰尘不能(néng)被稀释掉, 从而浓度偏高。

④本工程的洁净级别偏高, 分(fēn)析原因是由于本实验室采用(yòng)的生物(wù)安全柜為(wèi)单通道型, 操作口就是进风口, 而生物(wù)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(duō)次, 能(néng)达到普通百级洁净厂房的设计水平^[3-4]。

5 结论

从本文(wén)的研究可(kě)以得到如下结果:

①设计中尽量选用(yòng)专用(yòng)送、排风管道的生物(wù)安全柜, 这样可(kě)以大大降低送风量, 减小(xiǎo)高效过滤器的负担, 或可(kě)以选用(yòng)小(xiǎo)风量的过滤器, 因為(wèi)3P 生物(wù)安全实验室必须采用(yòng)全新(xīn)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(xīn)风量。

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

③ 由于计算机模拟过程中对某些参数作了理(lǐ)想化的处理(lǐ), 因此与实际结果有(yǒu)一定的偏差, 但是它可(kě)以為(wèi)实际工程的设计提供一个很(hěn)好的参考。

参考文(wén)献

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