徐兆颖
深圳市建筑工务署（广东 深圳 518000）
摘要：实验室是科研人员的重要工作场所，有化学、生物因子不同程度的污染风险，属于高风险环境。目前，我国实验室建设已进入高效、快速、精准化阶段，特别是新冠疫情暴发后，装配式实验室建设的优点更为突显，为降低这些潜在风险，实验室的暖通设计非常关键，设计施工也相对复杂。本文以某医疗器械检测中心PCR实验室为案例，重点阐述未来装配实验室的建设发展方向，如何将实验室暖通设计及施工与装配式建筑融为一体，更好地控制实验室的气流组织、实验室的废气处理、实验室的节能措施，建造出一个真正安全、高效、有生命力的实验室。
关键词：装配、PCR实验室、气流、节能
The particularity of HVAC design of Assembling laboratory
Abstract：The laboratory is an important work place for scientific researchers. There are different levels of pollution risks from chemical and biological factors. It is a high-risk environment. At present, the construction of laboratories in my country has entered a stage of high efficiency, rapidity and precision, especially after the outbreak of the new crown epidemic. The advantages of laboratory construction are more prominent. In order to reduce these potential risks, the HVAC design of the laboratory is very critical, and the design and construction are relatively complex. This article takes the PCR laboratory of a medical device testing center as a case, focusing on the development direction of the future assembly laboratory, how to integrate the laboratory HVAC design and construction with the prefabricated building, and better control the airflow organization of the laboratory , Laboratory waste gas treatment, laboratory energy-saving measures, to build a truly safe, efficient and viable laboratory.
Keywords: Assembly、PCR laboratory、Airflow、Energy saving
背景：中国经济持续多年高速增长，社会产业结构转型升级，人力成本水涨船高，人口老年化程度加剧，对生态环境影响越来越大，传统建筑造成的噪声、废水、废气、粉尘污染影响着人们的生活及环境。随着文化程度的增高，年轻劳动力不再愿意进入建筑施工场所从事劳力活动，所有这些不利因素导致传统建筑成本增加，利润下降、质量进度控制难度加大。
2016年9月30日国务院国办公厅出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》【1】。积极探索发展装配式建筑，因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑。力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。
2016年-2019年期间，31省、自治区、直辖市出台装配式建筑相关政策文件的数量分别为33、157、235、261个【2】，不断完善配套政策和细化落实措施。在政策的驱动和市场的引领下，装配式建筑发展趋势良好，装配式建筑面积有了大幅增长。
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图1 2016-2019年全国装配式建筑新开工建筑面积【2】
2020年，新冠疫情暴发，推动了装配式实验室的发展。装配式实验室实现装修、内装系统与结构系统、围护系统、设备与管线系统一体化设计建造。装配式实验室的显著特点是快速、精准、高效，它能更好地满足实验室扩建、改建、快建及个性化定制的功能要求，最大程度减少实验室的建设周期，全方位地适应未来实验室变化，及时阻断重大疫情传播，应对应急突发事件，为传染病检测防治提供重要保障。在实验室建设亟需升级发展的当下，装配式实验室成为新的实验室建设方向。
实验室长期进行着理化类、生物类实验，会产生有毒有害的细菌、微生物、病原体、毒素等致病因子，一旦污染物扩散开或形成气溶胶，会严重影响环境及实验人员的健康安全，同时生物安全实验室多采用不低于15次/h全新风净化空调系统，能耗非常大（后面会有这方面数据分析），这些安全、能耗的重点难点恰恰是通过暖通专业来保障解决，彰显暖通专业在生物安全实验室的建设过程中的重要性，暖通系统的设计及施工又该怎样进行是本次论文研究的重点。
装配式建筑是用预制部品部件在工地装配而成的建筑【1】。装配式实验室相较于装配式建筑而言，并非简单的吊顶、隔断、地板、门窗等围护结构的装配，还应综合协调建筑、结构及内装专业及其实验室暖通等各专业的配套，将设备与管线集成系统、控制系统、配电系统、设备带、净化空调及排风系统、环境监控系统、消杀设施及综合配套水电气设施等各设备实现标准化模块化，制定相互协同的装配方案，实现装配式施工。
装配式实验室将绝大部分工作转移到工厂内完成，节省施工劳动力，提高工程的效率，改善工作环境，减轻施工现场的环境污染。装配式实验室的部品部件都是在工厂内生产，有完整配套的生产工具、质量保证体系，标准化、模块化生产，工程质量上优于传统实验室建设，现场灵活组装，最大程度满足实验室灵活多变的功能需求，是未来实验室的发展方向。
概述：1.PCR实验室又称基因扩增实验室，它是专门用来检验艾滋病、乙型肝炎、禽疫病、新冠肺炎等病毒感染性疾病的实验室，它为临床治疗提供了可靠的检验依据。
装配式PCR实验室是由围护系统、设备与管线集成系统、内装系统三大系统组合而成的功能单元实验室，其大部分部品部件实现标准化，围护系统集成金属墙板、保温层，综合配套水电气通风空调控制等专业要求形成标准模块，在工厂内完成制作加工后运抵现场，快速装配。
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图2装配式实验室部品部件组成
2.工艺布局
根据《基因检验实验室技术要求》SNT1193-2003规范【3】要求，装配式PCR实验室设置四个隔开的工作区域：试剂准备区、样品制备区、核酸扩增区、产物分析区，若使用荧光PCR仪，扩增区和产物分析区可以合并。
PCR四个实验过程的实验用房相邻布置，组成独立实验区域的形式，设有明显标志，各区间不能直通，安装物品传递舱【4】做为物品通道，各室在入口处设缓冲间，以减少室内外空气交换，避免实验间相互干扰，装配式实验室配置独立的净化机房，就近设置。具体布局参见下图
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图3装配式PCR实验室工艺布局
3.舱体设计装：
装配式PCR实验室与传统PCR实验室不同，装配式PCR实验室其特征在于：围护系统、吊顶、隔断、地板、洁净门、固定视窗、设备与管线集成系统、控制系统、配电系统、设备带、净化空调及排风系统、环境监控系统、消杀设施及综合配套水电气设施等各设备实现标准化模块化生产，在现场实现快速装配，形成单元实验室。
某医疗器械检测中心PCR实验室吊顶净高2500mm，采用装配式围护结构，装配板厚度50mm，钢板厚度0.6mm，在工厂内加工时统一编号，预留好门窗、高效送风口、高效排风口、线槽、触摸屏、传递窗、电话、摄像机孔洞、设备带的安装位置并做好标识。
插座采用设备带替代传统的插座，预留快速接头，便于现场对接，减少舱体孔洞，降低泄露风险，满足装配式要求。
在出厂之前，并通过BIM技术对设备、产品、仪器进行精细化建模，最大程度上还原设计方案、模拟安装空间，并用动画演示构配件的安装顺序，以便后期对接，现场装配。现场舱体的装配需要结合水电专业、暖通专业、实验台、仪器设备布局，拆分成若干个单元模块，各个单元模块结合门窗位置、传递窗位置、给排水、设备带等在立面上预留孔洞位置，详见舱体装配图1-3：
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图4舱体装配一
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图5舱体装配二
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图6舱体装配三
装配式实验室吊顶包括多块顶板A、顶板B和顶板C，各顶板设计时需结合暖通专业要求，预留高效送排风口的孔洞，详见舱体装配4。
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图7舱体装配图四
4.暖设计
装配式PCR实验室洁净等级设计为ISO-7级，吊顶高度为2400mm，换气次数25次/小时，采用全新风空调系统，室内配置高效过滤风口，排风配置风口型高效过滤单元。
洁净室室内参数：空调设计计算温度：夏季22±2℃，相对湿度60±10%；冬季20±2℃，相对湿度50±10%
高效排风模块设计：高效送排风口设计，先定好风口位置，风口对应的装配天花吊顶定义为核心模块，设计好的核心模块在工厂内完成加工，固定好高效送排风单元及对应的分支管接口。采用“上送上排”的气流组织方式。排风口设置在靠生物安全柜一侧，保证室内的污染气体以最短的路径、最快的速度排至室外。送风口设置在缓冲间进入实验室一侧，室内形成合理的气流组织。在设计合理的情况下，“上送上排”和“上送下排”两种气流方式，均可以形成定向趋势流。两者方式对颗粒物的去除效果，并没有明显的区别【5】。此种对装配式实验室的层高有一定的要求，因此管道设计时，应尽量避免风管交叉，若管道交叉无法避免，也应避开送排风主管。
变风量模块设计：将变风量阀与出入口段一体化设计，形成变风量模块，确保控制质量及稳定性，有条件的地方可以与核心板一起合作组装，更加方便快捷。
净化机房设计：净化机房毗邻实验室所在区域，力求减少管道，净化空调入口处选择南向。排风机房适当靠近空调机房，排风口选择北向。保证实验室排风从最短的路径快速排出，减少排风系统通过排风管道渗漏的风险。若净化空调机组、排风机组共一个机房，新风口、排风口位置应南北错开并保持足够的安全距离，避免排出的气体循环至室内，详见风管平面图：
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图8风管平面
装配式PCR实验室洁净空调系统选用全新风组合式空气处理机组，机组配置初、中效过滤器，实验室末端风口设置高效过滤器，以保证室内合理的空气的温度、湿度、洁净室、气流速度，设备出厂时做好标识，分段运输，现场装配。
在进行管道设计时，应进行管道优化，尽可能减少管道规格，最好不超过主管、支管、分支管3种，保温一体化成型，工厂内完成加工，并做好编号，管道采用承插或法兰连接，配好支架，支架高度设计与风管规格匹配，现场快速完成装配。
暖通控制设计：采用机电一体化设计并与环境控制技术平台实现远程监控，减少综合布线，空调及控制一体化、排风机及控制一体化，装配过程中只需提供市电，模块化装配设备在工厂内完成测试，运至现场装配，开机即可投入正常运行。
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图9风管装配编号
5.压力梯设计：
PCR实验室存在交叉污染潜在风险，采用全新风净化空调系统，且各实验室须保持合理的压差，以防止感染和产生交叉污染。用于核酸检验的转基因产品检测实验室【4】，宜在所分隔的各工作区域设置缓冲间，缓冲间的压力为负压【4】。
试剂准备室主要是完成试剂和主反应混合液的储存、配制和封装工作，本区域相对外界保持正压【4】，避免外界含核酸气溶胶的空气进入，防止试剂和样品受污染；
样品制备室的功能样本的保存、核酸提取和贮存、样本准备区域。样本直接运送并储存在本区内，不得经过其他区域。本区内加样操作可能产生气溶胶，为避免气溶胶扩散出去对外界造成污染，本区应对外界保持负压；同时相对于扩增区或扩增产物分析区为正压，以避免从邻近区进入本区的气溶胶污染。
扩增分析室的功能是DNA扩增和扩增片段的测定。可能会用到某些可致基因突变的有毒物质。该区域是PCR实验的最后一步，压力应为最低，相对于邻近区域为负压，以避免气溶胶从本区漏出。为避免气溶胶所致的污染，应尽量减少在本区内的不必要的走动。
结合上述，装配式PCR压力梯度设计如下：
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图10装配式PCR实验室压力梯度分布
6.气流织设计：
PCR实验室最重要的是气流组织设计。合理的气流组织，既可以保障实验室过程中样品不受污染，也可以保护实验人员的健康安全。
采用洁净空调集中送风，上送侧回，新风入口、净化空调机组出口安装调节阀，高效送风口送风支管安装开关型定风量调节阀（开关型双稳态调节阀），排风口安装开关型变风量调节阀。高效送风口靠近相对清洁区布置，排风口靠近污染源，尽可能减少气流停滞区域，确保室内可能被污染的区域的空气以最快速度流向排风口，排风口下边离地宜要保持合适高度，排风风速宜不大于2m/s否则容易卷直地面灰尘。
实验室整体气流组织应保持气体从清洁区、半污染区流向污染区；实验室室内则是通过控制送、排风风量控制室内压差，通过送、排风风口的位置控制气体流向。原则上由清洁区域流向污染区域，排风口设置在实验区域的下风向，新风从远离排风设备的地方引入，本PCR实验室采用上送上排模式，实验室整体气流流向如下：
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图11装配式PCR实验室整体气流流向
通过上图可得出，实验室各个区域之间应形成合理的气流组织，形成单向流程的保护屏障，避免实验之间的相互干扰，防止气溶胶对实验过程造成污染产生假性结果。装配式PCR实验室气流流向：试剂准备室→样品制备室→扩增分析室；防止扩增产物顺空气气流进入扩增前的区域。严格控制实验室的压力梯度，维持气流的合理气流，保障实验人员的安全。
实验室室内通过控制送、排风口的相对位置控制实验室的气流组织。实验室送风从远离排风设备的地方引入，空气流动路径远离排风设备。避免存在涡流区, 避免污染物向工作区扩散。详见下图：
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图12实验室室内气流组织分布
由上图可得，室内的气流分布均匀，工作区上方区域范围内气流无横向扩散，主流流线近似平行，基本为单向流。
7.废气处理
传统的实验室废气处理常用活性炭吸附和酸雾喷淋处理方式。PCR实验室采用的是风口型高效排风过滤单元来处理实验室废气，融入生物安全理念，有效的避免气溶胶泄露到室外环境。高效排风过滤单元除了具有基本的高效过滤功能外，还具有原位检漏和原位消毒功能。
高效排风过滤单元安装完成后，实验室运行前，检测过滤器是否有明显渗漏，称之为原位检漏。常用的检漏方法有效率检漏法和扫描检漏法【7】。最初采用的是效率检漏法，随着国外对生物安全-的重视程度日益加深，慢慢出现了可手动扫描检漏的高效排风过滤装置。但是手动扫描具有操作不便、稳定性差的缺点，美国、瑞典及中国的一些公司相继研发了具有自动扫描检漏功能的过滤器单元【8-9】。稳定性功能更强。
原位消毒方法主要有气体局部循环消毒法和实验室气体整体循环消毒法【7】。
高效排风过滤单元配置压力传感器，监控过滤器压差变化，实现信号远程传输。高效排风过滤单元尽量设置在室内排风口处，可有效避免污染物通过管道系统泄露的危险。此种安装方式对建筑物的层高有一定的要求，需要保证合理的安装空间以便使用期间的性能检测、过滤器的安装、维护期间的安全更换。
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图13风口型高效排风过滤单元装置
8.节能措施
为保持PCR室内严格并恒定的温度、湿度、压力梯度、气流速度、洁净度。换气次数设计为25次/h，为保持良好的实验环境，实验室采用全新风系统。洁净机组一旦运行，即全天候运行，能耗巨大。
86㎡的PCR，通过深圳地区夏季和冬季的室内外气象参数，结合以下焓湿图可得：风量5000㎡，
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图14深圳地区空气处理过程焓湿图
室外状态点W：干球温度为33.7℃，湿球温度为27.5℃，焓值为87.9kJ/kg；
送风状态点S：干球温度为20℃，相对湿度为60%，焓值为42.6kJ/kg；
室内状态点N：干球温度为22℃，相对湿度为60%，焓值为47.6kJ/kg；
机器露点L：干球温度：12.5℃，相对湿度为90%，焓值为33.3kJ/kg；
通过计算可得制冷量为92kW，再热量为16kW，加热量为33kW；加湿量25kW。
机组24小时运行，由此可见，实验室能耗巨大。
能源紧缺是世界各国面临的一个重要问题，其中建筑耗能位居首位，占能源总消耗的30%-40%。实验室是建筑中耗能最高的一类建筑，一些实验室的能源消耗量是常规办公建筑的5~10倍，某些特殊实验室的能源消耗量甚至更大。
为防止污染物的扩散和各实验室之间的交叉污染，实验室多采用全新风系统，实验室内外空气状态参数相差较大，具有巨大的节能潜力，案例说明分析如下。
采用乙二醇热回收系统进行能量回收，空调送风与排风之间以乙二醇载冷剂方式热回收，热回收盘管段与空调机组、排风机组、包括对应的乙二醇动力系统形成一体化设计，并考虑现场装配空间条件，分模块运输，现场完成装配，热回收系统原理图如下：
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图15盘管式热回收系统原理
室内空气直接通过实验室排风设备排至室外，会造成大量的能量浪费。在排风机组内增加热回收盘管，吸收排风中的冷量，通过循环管道，在水泵的作用下，将排风空气中的冷量通过和新风机组的能量交换，传递到新风系统中，新风机组增加预冷盘管和再热盘管，室外新风通过预冷盘管，可以降低室外空气和露点状态点的焓差值，从而降低新风的冷量；表冷段设再热段，经表冷器后的气体，利用排风机组回收热量对新风气体再热，利用盘管进行热回收，从而降低系统的整体能耗，节能效率达到近40%，同时可避免送、排风系统接触直接，降低交叉污染。
9.BM技术应用
本次装配式PCR实验室在建设过程中引入BIM技术，利用BIM的信息化、数字化、协调性等功能，把多专业集成在BIM模型中，根据厂家资料对设备、产品、仪器进行精细化建模，最大程度上还原设计方案、模拟安装空间，并用动画演示构配件的安装顺序，使安装工序清晰易理解，对装配式PCR实验室的理解更加直观、明了。
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图16装配式实验室爆炸
BIM技术可以在设计优化和构配件生产的过程中，协调围护结构的孔洞预留，解决各管道、线槽、设备等各专业之间的碰撞问题，对装配式PCR实验室进行可视化展示、协调、模拟和优化以后，绘制出的综合管线图、综合结构留洞图以及碰撞检查侦错报告和建议改进方案，可提高工作的效率和构配件组装的准确。
10.结语：
装配式实验室产品以质量管理方式来完成项目，部品部件工厂标准生产制作，产品质量更能得到有效保障，现场工期及人数大幅缩减，施工管理流程简化，现场管理机构及安全文明施工压力减轻。装配式实验室具有完全可拆卸功能，部件均可移动及重复使用以节约资源。装配式实验室可在疫情发生地直接装配使用，减少患者的流动，减少病毒传递的路径，缩短病原的检测时间和流转的距离，从而提高公共卫生、传染病防治、突发事件检测能力，提高对疫情的更有效控制。
参考文献：
[1]国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》国办发〔2016〕71号000014349/201-00194.
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[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布，中华人民共和国出入境检验检疫行业标准《基因检验实验室技术要求》SN/T1193-2003
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布的《转基因产品检测 实验室技术要求》 GB/T 1495.2-2004
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