P3生物安全實驗室模擬檢測

摘要:利用CFD模擬軟件AIRPAK2.1對已完工生物安全實驗室的細菌、灰塵濃度場和空氣速度場進行模擬, 並用模擬結果與實測的檢驗報告進行比較, 結果基本吻合, 說明本工程各方麵的指標都超過了規範要求的標準, 以及數值模擬的可行性; 另一方麵, 說明本工程技術措施的標準要求也有不足之處, 應加以改進。通過模擬和分析,作者提出了一些見解供設計者參考。

關鍵詞: CDF 評價模擬生物實驗室

0引言

一場突如其來的瘟疫席卷了整個中華大地, 全國上下由於非典而變得人心惶惶, 而醫務工作者和科研工作者為了抗擊非典而不懈奮鬥著。非典已經過去了一段時間了, 人們的心情也逐漸趨於平靜, 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, 都遠遠跟不上世界的潮流。因此, 非典過後全國各地新建或改建了許多生物安全實驗室, 由於以前的工程實例和可參考的工程很少, 而許多新的設計中設計的潔淨級別都偏高。

我國新頒布的《生物安全實驗室建築技術規範》( 征訂稿) 中已給出了一到四級生物安全實驗室的主要技術指標, 本文旨在用計算機模擬技術對實際工程進行模擬, 並用模擬結果與驗收測試結果比較分析,從而為P3 生物安全實驗室的設計提出一些有價值的建議。

1 設計依據

本工程依據《生物安全實驗室建築技術規範》( 征定稿) 給出的P3 生物安全實驗室的二級防護主要指標, 如表1 所示。

2實驗室模型的建立

本實驗室平麵圖如圖1 所示, 結構圖如圖2 所示。該實驗室麵積為25.2 m2, 吊頂標高為2.7 m, 設計總送風量811～3011m3/h, 總排風量為3 198m3/h, 生物安全櫃設計排風量為2000 m3/h, 還有一個儲藏櫃設計排風量為200m3/h; 空調采用全新風係統, 氣流組織采用雙向上送下回式。

3 數值計算模型及邊界條件

3.1 數值計算模型的建立

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假設: ① 因為細菌一般是附著在灰塵上向四周擴散, 但是有灰塵不一定有細菌, 所以本次模擬將細菌的菌落場和灰塵的濃度場分開模擬; ②忽略溫度對菌落場和濃度場影響, 即忽略溫差驅動力; ③假設地麵8m2, 的發塵量和發菌量與一個人員的發塵量和發菌量相當, 人靜止的發菌量為3 0 0 個/ (人·m i n ), 發塵量為5 x105個/ (人·m i n ), 發塵量比例: 頂棚:牆麵她麵為1:5 100;④ 因為灰塵的體積占氣體體積的比例微乎其微, 可以認為對氣流場沒有影響, 因此, 模擬中采用非禍合計算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動量方程( X方向) :

式( 1 )～( 3 ) 中: 人為分子平均自程;u 為空氣速度; up,為粒子速度;g為重力;ρ為空氣密度;Fx為其他驅動力;Dp為粒子直徑;μ為動力粘滯係數;Re為雷諾數;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處理。

①為簡化計算, 假設氣體分子與牆壁之間碰撞為彈性碰撞, 沒有動量和能量的交換;

②送、回風口的送、回風速度均按實際工程的實際風速;

③由於人是室內的主要汙染源, 因此為簡化計算,本模擬設了兩個柱形汙染源, 將總的發菌量和發塵量集中到這兩個柱形汙染源上[1-2]。

4 計算結果的分析

4.1細菌、灰塵濃度場和速度場的模擬結果

菌落場的模擬結果見圖3～5。灰塵濃度場的模擬結果見圖6～8, 速度場的模擬結果見圖9～1 1。

4.2 施工驗收測試結果

表2～4 分別為懸浮粒子、沉降菌和速度的檢測結果。

4.3 細菌、灰塵濃度場的模擬結果分析

從模擬結果和實測結果可以看出:

①模擬結果與施工驗收結果基本上吻合, 說明此工程的設計、施工都達到了工藝要求的潔淨級別和模擬結果的可靠性。

②人員雖然是主要的產塵源和產菌源, 但是他們周圍的細菌和灰塵濃度都不高, 分析其主要的原因在於總的產塵量和產菌量相對於空氣來說非常小, 在如此大的送風量情況下很快就被稀釋掉。

③在2.5 m 以上的範圍內, 主要是發菌源和發塵源下遊的菌落場和灰塵濃度場都偏高, 而在2 m 以內的範圍內都能滿足設計要求, 分析其主要原因在於室內的空氣流速比較小, 室內空氣不能形成大的擾動,致使室內上部細菌和灰塵集聚, 空氣的含菌量和含塵量偏高。在一些死角的位置, 由於形成了小的渦流, 導致細菌、灰塵不能被稀釋掉, 從而濃度偏高。

④本工程的潔淨級別偏高, 分析原因是由於本實驗室采用的生物安全櫃為單通道型, 操作口就是進風口, 而生物安全櫃的通風量也相當大, 導致室內的換氣次數達到四十多次, 能達到普通百級潔淨廠房的設計水平[3-4]。

5 結論

從本文的研究可以得到如下結果:

①設計中盡量選用專用送、排風管道的生物安全櫃, 這樣可以大大降低送風量, 減小高效過濾器的負擔, 或可以選用小風量的過濾器, 因為3P 生物安全實驗室必須采用全新風係統, 所以高效過濾器的負擔較重, 在達到設計要求的情況下應該盡量減少送風量及新風量。

②送風方式盡量采用雙向上送下回式(如本工程所采用的形式), 在人員活動的範圍內(2m 以下) 都能滿足規範要求, 並且盡量避免死角以減少形成渦流區的可能。

③ 由於計算機模擬過程中對某些參數作了理想化的處理, 因此與實際結果有一定的偏差, 但是它可以為實際工程的設計提供一個很好的參考。

參考文獻

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