中国建筑科学研究院有限公司-梁磊等：非人灵长类动物生物安全三级实验室 关键防护设备通风设计探讨

非人灵长类动物生物安全三级实验室

关键防护设备通风设计探讨

王燕芹¹赵四清² 宋冬林³ 魏强⁴王晓军⁵ 刘晓东⁶刘定文² 王群芳¹梁磊^1△

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京；2.军事科学院军事医学研究院，北京；3.中国科学院武汉病毒研究所，武汉；4.中国医学科学院医学实验动物研究所，北京；5.武汉生物制品研究所有限责任公司，武汉；6.长春生物制品研究所有限责任公司，长春）

摘要：根据非人灵长类动物生物安全三级实验室的使用要求和特点，结合实际工程案例，对负压猴笼、II B2型生物安全柜、负压解剖台、动物呼吸暴露系统有排风要求实验设备的通风系统设计要点进行分析，讨论了设置该类实验设备的非人灵长类生物安全实验室的设计，并探讨了两种不同通风控制策略的优缺点。当房间设置该类实验设备时均需考虑设备的各种运行工况及在不同工况下设备排风量的变化对房间压力带来的影响，并应考虑此时房间送风量的相应变化策略。文章同时提出对该种设计的节能考虑。

关键词：非人灵长类；生物安全三级实验室；实验设备

Discussion on ventilation design of core containment equipment employed in Non-human Primates ABSL-3 laboratories 

Wang Yanqin, Zhao Siqing, Song Donglin, Wei Qiang, Wang Xiaojun,

 Liu Xiaodong, Liu Dingwen, Wang Qunfang, Liang Lei

{C}1. {C}{C}China Academy of Building Research, Beijing

{C}2. {C}Academy of Military Medical Sciences，Academy of Military Science of the Chinese PLA, Beijing

{C}3. {C}{C}Wuhan Institute of Virology, Cas, Beijing

{C}4. {C}{C}Institute of Laboratory Animal Sciences, CAMS & PUMC, Wuhan

{C}5. {C}{C}Wuhan Institute of Biological Products CO., LTD., Wuhan

{C}6. {C}{C}Changchun Institute of Biological Products CO., LTD., Changchun

Abstract According to the requirements and characteristics of ABSL-3 of non-human primates, combined with actual engineering cases, the design points of major experimental equipment with outdoor exhaust requirements, such as negative pressure monkey cages, II-B2 BSC, negative pressure autopsy table and Animal inhalation exposure system, is analyzed. Strategies to deal with multiple ventilation equipment when they are used at the same time and their ventilation status (air volume) changes. When setting up such experimental equipment in the Lab, it is necessary to consider influence of room pressure from the change of the exhaust air volume considering the various operating conditions. And the strategies of the air supply volume should be considered. At the same time, the paper puts forward the energy-saving consideration of this kind of design.

Keywords  Non-human primates；ABSL-3 lab; experimental equipment;

王燕芹, yanqinspace@126.com  13501093668  

第一作者：王燕芹、女、出生于1985年6月、研究生、硕士、暖通设计师、高级工程师

通信作者：梁磊、北京市北三环东路30号中国建筑科学研究院空调所131室、100013、13910407927、tayaya76@126.com

0引言

2019年底新冠疫情的暴发，给全球人类生命健康和经济财产均带来了极大的冲击，敲响了全球生物安全的警钟。自疫情暴发至今，我国已陆续改、扩建和新建了一批高级别生物安全设施。其中，为应对新冠疫情，用于空气传播疾病治疗药物研发及疫苗评价的非人灵长类（non-human primates, NHP）动物生物安全三级（以下简称“ABSL-3”）实验室在国内的建设也逐渐增多。

生物安全实验室是通过防护屏障和管理措施，达到生物安全要求的微生物实验室和动物实验室，包括防护区和辅助工作区^[1]。目前国内涉及生物安全实验室的国家规范或标准有 GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》（以下简称GB50346）和GB19489-2008《实验室 生物安全通用要求》（以下简称GB19489）。生物安全实验室根据所处理对象的生物危害程度和采取的防护措施可分为一至四级，其中四级生物安全实验室等级最高^[2]，在我国乃至世界范围内数量有限。从国内外现有生物安全实验室的分布和使用情况来看，三级生物安全实验室的应用较为普遍^[3]。

非人灵长类动物在生理、认知能力、神经解剖学、社会复杂性、繁殖和生育等方面与人类具有高度相似性。与人类的遗传物质有75.0%~98.5%的同源性^[4]。非人灵长类动物生物安全实验室是开展非人灵长类动物实验活动的生物安全实验室。

目前我国已建或在建的非人灵长类ABSL-3实验室多采用非气密性生物安全隔离设备，通常包括饲养及实验操作用的负压猴笼、ⅡB2型生物安全柜、负压解剖台及呼吸暴露系统等有局部排风要求的特殊设备。在该类实验室中，动物的饲养、转运、实验活动（影像学、解剖及空气传播研究等）及排泄物处理等环节可能会产生致病因子气溶胶暴露风险。该类实验室属于GB50346中规定的b2类实验室，即不能有效利用安全隔离装置进行操作的生物安全实验室，对围护结构严密性、空调系统稳定性、不同类型有通风要求实验设备的设计与选型等均有特殊要求。实验室的室内环境参数、平面布局、设备布置等均需尽可能考虑实验操作的便利性和动物“福利”，核心工作间及其缓冲间的气密性应满足恒定压力下空气泄漏率检测法的要求。本文以实际工程为例，结合笔者所在团队非人灵长类ABSL-3实验室的设计、检测及运维管理经验，就该类实验室有通风要求的关键防护设备的通风系统设计关键点进行探讨。

1 关键防护设备通风应注意的问题

1.1负压猴笼

近年来我国非人灵长类实验室内的饲养设备多为半开放甚至开放式笼具，其形式、外观、通风量等性能均存在差异。从控制主机和猴笼搭配上，可分为 “一拖二”、“一拖四”甚至“一拖多”等，即由1台主机承担2个、4个甚至更多个猴笼的形式；在通风量方面，单个猴笼的通风量范围为25~85m³/h；从隔离形式上分，可分为部分隔离和完全隔离，即非气密式和气密式2种。非气密式为腔体不完全密闭（即半开放式）猴笼，气密式为腔体完全密闭（即手套箱式）猴笼。手套箱式猴笼可视为安全有效隔离装置，其所在实验室可视为GB50346中规定的b1类实验室，核心工作间无围护结构气密性要求。由于非人灵长类动物聪明、好动，导致手套箱式猴笼不便于实验室人员操作，实践中较少使用。我国近年来非人灵长类ABSL-3实验室中多采用半开放式负压猴笼，空气从实验室抽取，经高效空气过滤器过滤后排放至室外，在房间通风空调系统的送、排风设计时需考虑猴笼独立的通风量。

以国内某品牌猴笼为例（见图1），其由1台主机控制若干猴笼组成1个模块，其总排风量与模块内猴笼数量相关，数量越多，排风量越大，以保证猴笼中动物的呼吸质量，并维持猴笼相对实验室的负压。该产品自带送、排风机，且进、排风口均设置高效空气过滤器。设备送风来自房间，通过排风机将负压猴笼内的污染空气排出。由于设备自带的排风机额定全压有限，仅能克服设备自身的高效空气过滤器阻力，根据规范要求，实验室排风应高于所在建筑物屋面排放，且该类实验室依据风险评估往往设置两道串联的高效空气过滤器，因此空调系统设计时需充分考虑排风系统阻力。

图1 某负压猴笼工作原理图

1.2 IIB2生物安全柜

Ⅱ级生物安全柜分为A1型、A2型、B1型和B2型^[5]。目前我国实验室常采用ⅡA2型（以下简称A2安全柜）和ⅡB2型（以下简称B2安全柜），A2和B2安全柜在通风方式上存在差异。我国标准^[5]和美国标准^[6]均明确指出B2安全柜主要适用于以挥发性有毒化学品和放射性核素为辅助剂的微生物实验。当仅进行微生物相关实验活动时，A2生物安全柜较B2安全柜更简单、能耗更低，且生物安全等级相当。使用者应依据实验室的生物危害分级、所从事的操作类型及所在房间的空间条件综合考虑，选取合适类型的生物安全柜^[7]。当选用B2安全柜时（其原理见图2），其排风量通常为1200～2500m³/h，开关状态将对设备所在实验室的通风量和压力产生较大影响，空调通风系统设计时应充分考虑。

图2 ⅡB2型生物安全柜原理图

1.3负压解剖台

负压解剖台是非人灵长类ABSL-3实验室中常用的设备之一。不同类型的负压解剖台通风参数要求不尽相同。其中一种形式的解剖台为开敞操作台面，在台柜内设置排风装置。还有一些解剖台采用类似双面生物安全柜的形式布局，并配备排风系统，能迅速地将解剖动物时产生的可能携带病原微生物的气溶胶和气味排出室外。

以某个需配备排风系统的国产品牌负压解剖台为例，该解剖台额定排风量为1000m³/h，在解剖台下方设排风口及排风管道，设备无自带高效空气过滤器及排风机（见图3）。负压解剖台排风机可单独设计，也可以与实验室大系统的排风机合并使用。如果解剖台所在房间通风设备较少且通风状态固定，没有其他通风设备干扰，可将设备排风接至实验室排风系统。

图3 某负压解剖台

1.4动物呼吸暴露系统

非人灵长类动物呼吸暴露系统是用于开展动物气溶胶感染实验的仪器设备。以某国产品牌动物呼吸暴露系统为例（见图4），该设备为非完全密闭隔离装置，设备在开门工作状态和关门工作状态所需的排风量不同，且不同工况下风量差别较大。设备在关门工作时所需风量较小，在开门工作状态时所需排风量较大，且开启不同数量的门时排风量也有所不同。该设备仍从房间抽风，排风自带双级高效过滤装置，可接至实验室排风系统或单独设置排风机。设计时需考虑房间该设备不同工况下所需排风量，送风量，高效过滤装置、管道、阀门等设备的设置情况。

图4 某品牌动物暴露系统

2. 关键防护设备通风系统方案设计

上述非人灵长类ABSL-3实验室中经常使用的负压猴笼、ⅡB2生物安全柜、负压解剖台及动物呼吸暴露系统4种实验设备均在某项目中得以使用，该项目空调通风方案采用为定风量送风、变风量排风控制策略，设备的启停与实验室送、排风系统动态平衡，系统运行稳定。项目已经竣工，且通过了综合性能检测验收和相关部门的认证认可与实验活动授权，投入正常使用。实践证明，上述实验设备的设计方案能够满足规范要求。笔者结合该实际工程案例，介绍通风系统方案设计，供同仁参考。

2.1负压猴笼

为满足规范对三级生物安全实验室风口位置、净化级别、压力梯度及自动控制的要求，设计时应根据实验室内猴笼的类型和数量，确定猴笼的总排风量和排风管道尺寸等参数，结合房间换气次数要求，计算出满足要求的送风量。通常情况下，房间送风量大于猴笼排风量，系统排风由猴笼排风和房间排风共同组成。文献[3]给出了房间采用定送风量、变排风量的空调系统控制形式，为了保证系统的稳定性，负压猴笼排风管路上设置定风量阀，排风阀恒定常开，房间排风管路上设变风量阀，根据压力调节房间排风量，以满足规范对ABSL-3实验室的压力控制要求。图5为设有负压猴笼的生物安全实验室通风原理图。

注：SA为送风管路；EA为排风管路；H14为高效空气过滤器（级别H14）；CAV为定风量阀；VAV为变风量阀；BED为生物安全型电动密闭阀；MED为生物安全型电动调节阀

图5 设有负压猴笼的生物安全实验室通风原理图

通过合理设计，可以避免房间压力在猴笼不同工况转换时发生逆转，。设计时应考虑猴笼自带的高效空气过滤器、排风机等设备，综合考虑整个空调系统的阻力情况，保证排风量的稳定。

2.2 IIB2生物安全柜

为保证生物安全柜开启或关闭时不对实验室的压力造成较大影响，文献[8]对多种控制模式进行了探讨，提出房间宜设置与生物安全柜相同风量的排风口。生物安全柜开启时，其排风系统开启，房间排风口对应的风阀关闭；生物安全柜关闭时，其排风系统关闭，房间排风口对应的风阀开启。风阀切换应同步进行，以保证房间负压或压力梯度在切换过程中基本稳定。图6为设置ⅡB2生物安全柜的生物安全实验室通风原理图，可以看出，无论生物安全柜是开启还是关闭，房间均需恒定排放生物安全柜所需的风量，因此房间送风量应在满足规范规定的换气次数和压力要求的前提下，还应满足补充生物安全柜或其对应排风口的排风量（见图6）。

图6 设置ⅡB2生物安全柜的生物安全实验室通风原理图

2.3负压解剖台

图7为设有负压解剖台的生物安全实验室通风原理图，可以看出，负压解剖台通过其排风支管上的定风量阀保证其排风量恒定，通过设置在其排风支管上的袋进袋出（BIBO）式排风高效装置保证其排风无害化要求。设计时需考虑房间总送风量满足该设备排风量的需求，及高效空气过滤装置、排风机、管道、阀门及消毒与验证等设备的设置，以保证房间生物安全及压力满足规范和实际使用要求。

图7 设有负压解剖台的生物安全实验室通风原理图

2.4动物呼吸暴露系统

针对动物呼吸暴露系统的运行特点，在将与设备相关的总排风量设计为恒定不变的情况下，通过管道及阀门的设置，调试获得不同工况下设备所需排风量，实现不同工况切换时风量的匹配，从而满足实验室的生物安全和规范的要求。

2.5其他

非人灵长类ABSL-3实验室为全新风直流系统，设计时还应在保障安全可靠的前提下考虑节能，除热回收（适用于北方严寒地区）、采用低阻高效空气过滤器等常规节能措施外，结合非人类灵长类ABSL-3实验室特点，还应考虑：1）根据科学的实验规划合理确定实验动物数量，尽量减少不必要的设备排风。有通风要求的实验设备越多，排风量越大，则能耗越大。2）可采用“变送变排”控制思路，即送风量随动物房间排风设备的启停进行相应调整。该方案对空调系统自动控制策略的设计及现场调试要求较高。3）由于设备排风与实验室排风多为管道密闭硬连接，为满足测试、消毒与验证的需求，应在连接管道上、下游适当位置设置检测孔。

3 通风自控系统策略探讨

由于b2类ABSL-3实验室围护结构存在气密性要求，少量的风量变化也可能导致房间压力大幅波动，如控制不当，会对核心工作间压力稳定性产生严重的不利影响，甚至出现实验室压力逆转的情况^[9]。设计时应充分考虑非人灵长类ABSL-3实验室中设备排风量与房间送风量的匹配关系，及设备启停或处于不同工作状态时排风量对房间压力的影响。

3.1 定送定排控制

笔者第2节给出的案例采用了定送定排的控制思路，即针对不同实验设备的送风量和排风量均按照不同状态和工况的最大值设计，实验室的排风根据房间压力波动进行调节，以满足规范要求。该方案的优点为房间内通风量不因设备状态或工况转变而发生变化，房间的通风与设备的通风解耦，控制相对简单，安全性较高；缺点为房间保持高风量通风，能耗较大。

3.2 变送变排控制

对有通风要求的实验设备可采用变送变排控制思路，即送风量随动物房间排风设备的启停进行相应调整。该方案可明显降低实验室由于实验设备通风而产生的能耗，但对空调系统自动控制策略的设计及现场调试要求较高，运行安全性略有降低。

针对设置多台或有多种通风要求实验设备的生物安全实验室，保证实验室的生物安全为首要，定送定排控制较适合。

4结论

1） 非人灵长类生物安全实验室通风空调系统设计，应充分考虑实验室设备如负压猴笼、ⅡB2生物安全柜、负压解剖台及动物暴露系统等关键设备的通风要求，结合工况使用特点，确定实验室通风空调的控制方案。

2） 设置负压猴笼的生物安全三级实验室的通风系统设计，应重点关注猴笼排风量及其变化与送风量的匹配，采用合理的压力控制策略，避免房间压力在不同工况转换时发生逆转。

3） 设置ⅡB2安全柜的生物安全三级实验室的通风系统设计，可采用定送变排且生物安全柜排风量与房间排风量等量切换的模式，以确保不同工况切换时房间压力稳定。

4） 设置有通风要求的负压解剖台，应重点关注外接设备阻力的计算；设备排风机可单独设计，也可以与实验室大系统的排风机合并使用，但需分别考虑系统的阻力情况。

5） 设置动物呼吸暴露系统的生物安全三级实验室的通风系统设计，应重点关注不同工况下排风量的变化，设计时可考虑将与设备相关的总排风量设置为恒定不变，调试获得不同工况下设备所需排风量，实现不同工况切换时风量的匹配。

6）当实验室有通风要求的实验设备数量较多或存在不同排风控制类型时，应充分考虑各种设备的排风量及运行情况，通过等风量切换或者保证设备常开的措施保证设备排风量不变，确保房间压力满足规范要求，同时应考虑节能。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院，江苏双楼建设集团有限公司.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，2011：4

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[3] 王燕芹，梁磊，陈清莹，等.高级别生物安全实验室空调系统设计要点探讨[J].中国医院建筑与装备，2020,21（5）:35-37

[4] 黄涛，张海涛，李志雄，等.非人灵长类动物在病毒感染模型中的研究进展[J].中国实验动物学报，2021， 29（2）：248-255.

[5] 北京市医疗器械检验所，苏净集团苏州安泰空气技术有限公司，上海力申科学仪器有限公司，等.II级生物安全柜:YY0569-2011 [S].北京：中国标准出版社，2011：3.

[6] NSF International. Bio-safety cabinetry: design, construction, performance, and field certification：NSF/ANSI 49-2020 [S]. Michigan，USA:, 2020：28.

[7] 王燕芹，梁磊，孟令坤，等.生物洁净实验室中的生物安全柜空调系统设计[J].暖通空调，2019，49（2）：82-86.

[8] 梁磊, 冯昕, 张旵东, 等.高等级生物安全实验室中II级B2型生物安全柜气流控制模式研究 [J].暖通空调，2018，48（1）：20-27.

[9] 梁磊，曹国庆，李屹，等.高等级生物安全实验室压力控制方法[J].暖通空调，2020，50（1）：43-49.