中国建筑科学研究院有限公司-陈清莹等：基于“双碳”战略下的高级别生物安全设施节能分析

基于“双碳”战略下的高级别生物安全设施节能分析

中国建筑科学研究院有限公司 陈清莹 梁磊

[摘要]“双碳”战略是目前国家的发展方向，对于高级别生物安全设施，减少运行成本，降低碳排放，是响应国家“双碳”战略，意义是非常重大的，本文针对高级别生物安全设施，从提高围护结构密封性、采用低阻高效过滤器、降低换气次数、采用新回风热回收、设置值班工况、全新风改回风系统、空调水系统节能分析等方面，进行节能分析研究。

[关键词]生物安全实验室 高生物安全风险车间 节能  低阻高效过滤器 值班工况

0引言

我国是全球气候治理的重要参与者，并已将碳达峰碳中和纳入国家总体发展战略。2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会中提出，中国将力争于2030年前实现二氧化碳排放达峰，并努力争取于2060年前实现碳中和。习近平总书记在多个重要的国际场合重申了我国的“双碳”目标和决心，承诺将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，全面推行绿色低碳循环经济发展，并明确指出，我国作为发展中大国，承诺实现从碳达峰到碳中和的时间远远短于发达国家；按照此目标，我国将完成全球最大的碳排放强度降幅，并用全球历史上的最短时间实现从碳达峰到碳中和的跨越。减少碳排放是刻不容缓的。

自2020新冠疫情以来，生物安全受到党和国家的重视，2020年2月14日，习近平总书记在中央全面深化改革委员会第十二次会议上强调：“要从保护人民健康、保障国家安全、维护国家长治久安的高度，把生物安全纳入国家安全体系，系统规划国家生物安全风险防控和治理体系建设，全面提高国家生物安全治理能力。”这个论述丰富了国家安全的内容要素，完善了国家安全体系的顶层设计，对维护国家生物安全明确了要求。

新冠肺炎疫情不仅给全球卫生安全体系带来了重大考验，也给全球治理结构和格局带来新的冲击；同时，还暴露出全球及我国在公共卫生应急体系和生物安全体系建设等方面的一些不足。生物安全是国家安全的重要组成部分，已成为国家安全的新疆域。其中，高级别生物实验室是开展生物安全科学研究和体现国家安全能力的核心平台。因此，我国需要进一步实施高级别生物安全实验室体系建设规划，形成布局合理、定位明确、功能齐全、分工协作、网络化运行的高级别生物安全实验室国家体系，建设临床、生产、科研活动有机融合的国家生物安全协作中心。

高级别生物安全实验室及高生物安全风险车间（以下统称为“高级别生物安全设施”）具有投资成本大，运行成本高特点，降低高级别生物安全设施的运行成本，将是亟待解决的问题。基于国家“双碳”战略思维，开展高级别生物安全设施节能分析研究，是本文的主要内容。 

1国内外现状分析

欧美一些发达国家在生物安全实验室领域起步较早，已形成较全面的涵盖实验室设施、设备及管理等在内的标准体系， 如WHO 实验室生物安全手册（第4版）（以下简称“WHO手册”）、加拿大生物安全手册（第2版）（以下简称“加拿大标准CBS-2”）以及美国的“微生物和生物医学实验室生物安全”（第6版）（以下简称“美国手册BMBL-6 ），我国生物安全实验室建设历经十几年的发展也已初具规模，建立了一套符合我国国情的标准体系，如 GB19489-2008《实验室生物安全通用要求》（以下简称“GB19489-2008”）、 GB50346-2011 《生物安全实验室建筑技术规范》（以下简称“GB50346-2011”）、疫苗生产车间生物安全通用要求（国卫办科教函【2020】483号）（以下简称“疫苗生物安全通用要求”）、兽用疫苗生产企业生物安全三级防护标准（以下简称“三级防护标准”）等。

综合分析以上规范，WHO手册、加拿大标准CBS-2、GB19489-2008、GB50346-2011均未提到节能相关的问题，美国手册BMBL-6的附录L 可持续性部分，有提到“可持续性是在不消耗未来所需资源的情况下满足当前需求的能力，虽然安全在实验室的设计和运营中仍然至关重要，但最大限度地减少浪费和通过保护环境保护人类的长期健康是一个高度优先事项，文中提到减少换气次数（设置值班状态）、设置自控手段避免能源浪费、选用更高效的设备、采用变风量系统减少间歇运行设备排风能耗、放宽温湿度的设置范围、能量回收、尽量减少换气次数等来降低运行能耗。

{C}2 {C}{C}高级别生物安全设施节能分析

根据以上分析，本文将在以下七个方面对高级别生物安全设施节能分析。

2.1提高围护结构密封性

为保障高级别生物安全设施内存在风险隐患的空气不外漏，须时刻保证核心区的负压状态，同时确保相邻房间之间一定的压力梯度，以及核心区内从低风险区流向高风险区的定向气流方向。例如根据国家规范GB50346-2011，微生物主实验室和带有隔离设施的小动物主实验室与其相邻房间的最小负压差为-15Pa；微生物主实验室相对大气的最小负压不少于-40Pa；小动物主实验室相对大气的最小负压不少于-60Pa；大动物三级生物安全主实验室与相邻房间的最小负压差为-25Pa，相对大气的最小负压不少于-80Pa。核心区的负压通过送、排风量差，即负压风量来实现。当房间的排风量大于送风量且保持稳定的负压风量时，房间即处于绝对负压下的动态平衡状态。负压风量的取值与所采取的围护结构形式相关，包括围护结构的材质、拼接方式及施工质量等。提高围护结构的严密性，既能减少负压风量也能减少进入负压区的含尘，从而降低满足洁净度要求的换气次数。

2.2采用低阻高效过滤器

对于高级别生物安全设施，高效过滤器是关键的防护设备，为了保证设施内的洁净度，送风系统必须设置一道高效过滤器，根据GB19489-2008、GB50346-2011、疫苗生物安全通用要求、三级防护标准等规范和标准的要求，高级别生物安全设施排风设置一道或二道高效过滤器，低阻高效过滤器的初阻力100Pa，终阻力200 Pa，比常规有隔板的高效过滤器初阻力250 Pa，终阻力350Pa要小的多，对于排风需要设置两道高效过滤器的系统，全压在1200Pa的情况下，即可减少1/4的排风机能耗。

2.3降低换气次数

GB50346-2011要求核心工作间换气次数不小于12次/h（10万级）或15次/h（万级）。但由于高级别生物安全设施的核心工作间的绝对负压很低（普遍低于-60Pa），房间内洁净度受围护结构的严密性影响较大，故一般高级别生物安全设施核心工作间的换气次数高于GB50346-2011要求的数值。

据文献【5】对28个生物安全三级实验室项目中的98间核心工作间的换气次数整理，一半以上的核心工作间的换气次数在15次/h至30/h次之间，同时这组样本的中位值和平均值都约为25，认为25次/h为实际运行中的生物安全三级实验室的代表性数据。同时对于98间核心工作间的房间含尘浓度检测，均能满足相应的级别要求，且当换气系数大于15次/h时，均能满足洁净度7级（万级）的要求。

根据以上分析，可通过降低换气次数来达到节能的目的。

2.4采用新回风热回收

对于高级别生物安全设施排风的要求，规范GB50346-2011中明确要求“三级和四级生物安全实验室应采用全新风系统”，GB19489-2008中也规定，“不得循环使用实验室防护区排出的空气”。对于高级别生物安全设施，应采用全新风直流空调通风系统，送风经高效过滤器过滤后送入房间，排风经过高效过滤器过滤后高空排放。高级别生物安全设施运行能耗就会很大。因此，在空调风系统设计中，应采用热回收装置。

现在工程中常用的热回收装置主要有：转轮热回收器、板式热回收器、板翅式热回收器、溶液吸收式热回收装置、热管式热回收器、液体循环式热回收器等。

其中，转轮热回收器、板翅式热回收器和溶液吸收式热回收装置的效率高，但是它们都属于全热回收装置，对于高污染性排风而言，是很不安全的，不应采用；板式热回收器虽然在设计上属于显热回收装置，但是并不是完全密闭的，正常状态的漏风量也在4%左右，更何况在长期使用中难免会出现换热板损坏的情况，更加剧了泄漏的危险性，因此也不建议采用；热管式热回收器可以做成完全隔离的显热换热器，但是由于其属于无动力的热回收器，不太适合高等级生物安全实验室这种空调新风机组与排风机组距离很远的情况。

液体循环式热回收器是显热回收装置，分别在送风机箱和排风机箱安装一个盘管，依靠泵循环管道中的乙二醇溶液回收排风中的能量，这种系统完全隔离了送排风系统，而且由于生物安全实验室空调系统送排风设备距离通常很远，采用乙二醇溶液泵可不受场地的限制。可见，液体循环式热回收器是安全的，也是最适合生物安全实验室空调系统的热回收装置。

但是高级别生物安全设施安装液体循环式热回收器，其冬季的热回收效益要远远好于夏季，不同地区热回收的效果差异较大，北方地区效果高于南方地区，对于是否采用热回收器，还需要进行具体分析。

2.5设置值班工况

对于高级别生物安全实验室的动物实验，整个实验室过程往往持续很长的时间，实验室内饲养的实验动物的情况下，实验室的空调系统是不能停止的。实验室在工作时间是有人员参与的，但是没有人员参与的非工作时间，房间内的温度与湿度均可适当的调整，以减少能源的消耗。

对于高级别的生物安全生产车间，2010版GMP规定“无菌药品生产的洁净区空气净化系统应当保持连续运行，维持相应的洁净度级别；因故停机再次开启空气净化系统，应当进行必要的测试以确认仍能达到规定的洁净度级别要求”。同样对于没有人员参与的非工作时间，房间内的温度与湿度均可适当的调整，以减少能源的消耗。且短时间内暂停生产时，可降低换气次数来达到节能的目的。

2.6全新风改回风系统

GB50346-2011中明确要求“三级和四级生物安全实验室应采用全新风系统”，GB19489-2008中也规定，“不得循环使用实验室防护区排出的空气”。疫苗生物安全通用要求也规定，“防护区空气不应循环使用”，但是三级防护标准要求“涉及人畜共患病病原微生物操作的，防护区空气不应循环利用。不涉及人畜共患病病原微生物操作的，防护区空气不宜循环利用，如需循环利用应仅在本区域内循环，回风必须经高效过滤，高效过滤器性能应定期检测。”       但是对于高级别生物安全实验室与高生物安全风险车间，如果工作人员均采取相应级别的安全防护装置，例如正压头套或者正压防护服等，房间内是采用全新风还是有一定风险的回风系统，均不会对工作人员产生危害，且房间内为负压状态，也不会对环境产生危害，在这样的情况下，如果将全新风直流系统改成部分回风系统，将大大减少能源消耗。

2.7空调水系统节能

空调的冷热水系统一般情况下是按照设备及管路按最不利情况设计的，而实际运行时，有70%~80%的时间系统是在部分负荷下运行的，这种情况下如果冷机与水泵设置的不合理均会在较低的效率下使用。采用高效的风冷或者水冷冷水机组、水泵，并采用变频机组及水泵将能有效的提高空调水系统的效率。在空调冷热水一次泵变流量控制过程中，更多的使用压差控制对系统进行调节，采用压差传感器布置在水泵出口是常用的方式。

{C}3 {C}{C} 小结

“双碳”战略是目前国家的发展方向，对于高级别生物安全设施，减少运行成本，降低碳排放，是响应国家“双碳”战略，意义是非常重大的，本文针对高级别生物安全设施，从提高围护结构密封性、采用低阻高效过滤器、降低换气次数、采用新回风热回收、设置值班工况、全新风改回风系统、空调水系统节能分析等方面，进行节能分析研究。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部 , 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 . 生物安全实验室建筑技术规范 :GB 50346-2011[S]. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2011.

[2]付博文 .ABSL-3 实验室空调能量回收设计方案⸺以武汉大学动物实验中心为例 [J]. 科技创业月刊 , 2017,30(13):128-130.

 [3]肖秋珂 . 三级生物安全实验室能耗与气流模拟研究 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学 ,2018.

[4] 谭鹏 曹国庆.生物安全实验室通风空调系统节能措施探讨[J].中国医院鉴于与装备, 2021.04.024

[5]高等级生物安全实验室全新风直流空调系统热回收方案分析

[6]世界卫生组织.实验室生物安全手册第四版