上海科仕控制系统有限公司 陈烨汀
摘 要：屏障环境实验动物设施需要确保设施环境的洁净度、房间压差、温度、相对湿度等最为重要的几个参数，以保障实验动物实验质量。而空调通风自控系统是确保其环境参数最为重要的环节，一个精确、高效、节能、合理的控制系统势在必行。从一个屏障环境实验动物设施空调通风控制系统实例，选用压力无关性的文丘里阀结合差值风量重置控制方法对屏障环境实验动物设施的室内风量控制、压力控制进行分享叙述。
关键词：屏障环境实验动物设施；风量控制；差值风量恒定；压力控制；模式控制
0 引言
随着国家对各领域创新的支持，在制药领域，我国各大有实力的药企从过往仿制药逐渐纷纷开发具有自我知识产权的药物，即创新药物。但是，创新药物因成分剂量，剂型及处方都存在很大的不确定因素。若直接用于临床，在安全性方面并不能得到保障，增加患者受危害的风险。所以，采用实验动物作为临床前的研究尤为重要。
近期，国内相关药企，高校及社会的科研机构都加大了对实验动物生产、实验设施的建设。在此情形下，我有幸参与到一家规模较大的实验动物中心的建设中。
目前，该实验动物中心，已建设完成，符合国标，并将通过国际AAALAC认证，已经通过省科技厅的现场验收，并于2019年8月正式投入运营。
实验动物中心，投入运营后，中心单日最多可容纳实验猴380只，实验犬230只，啮齿类动物将容纳15000只。用作创新药临床前研究，药代动力学、药效和毒理学研究。
实验动物中心，其饲养环境存在普通环境和屏障环境，今天我们以1个屏障环境设施分享我们对屏障环境环境参数指标控制的方法。
实验动物中心屏障环境的布局如图1所示，此屏障环境设施是典型的两侧双走廊型的布局，这种布局因其能避免清洁物品与污染物品交叉污染，同时也方便了人流与物流，是目前一种主流的屏障环境实验动物设施的布局。
图1 屏障环境实验动物设施布局图
设施布局是控制污染的手段之一，而控制污染最重要的手段仍然是通过自控的手段，控制净化区域所需的送风风量以及控制正确的压力梯度。一个有效，合理的自控控制系统对实验动物设施污染控制尤为重要。下述，是我们对风量控制与压力控制的理解与实际应用。
1 屏障环境实验动物设施通风量控制策略
1.1 屏障环境实验动物设施通风量控制要点
根据我国已颁布的国标GB 14952–2010《实验动物环境与设施》要求，ISO7级的屏障动物生产区，检疫区，实验区及主要辅助功能区的最小换气次数均为15次以上。
但是，实际上在设计时各设计院会根据使用方提出的设施内饲养动物的密度，及处理室内的热湿负荷需求的送风量以及洁净度需要的换气次数综合考虑。
本项目的屏障环境实验动物设施其动物饲养室的环境,检疫室的环境的换气次数控制为20次，主要辅助功能区的换气次数为15次，均高于规范要求的最小换气15次，符合屏障环境实验动物设施通风量与洁净度的技术控制要求。
结合屏障环境实验动物设施环境技术指标对通风量，洁净度有着严格的参数规范。考虑系统节能模式的运用和运行后高效过滤器堵塞带来的问题。此屏障环境通风系统，我们在房间末端送风采用了压力无关性的文丘里风量调节阀给与室内送风量进行稳定、准确的控制。同时，对于AHU净化空调机组，我们采用以管道静压控制机组变频的方法。在设定管道静压值时，我们对处在系统压力最高点处的文丘里风量调节阀与最不利回路处的文丘里风量调节阀做了前后压差的测试，以保证设定的压力值能满足系统中每一个文丘里风量调节阀的工作压降需求，这个步骤是后面调试每个房间的送风风量的基本保证。
在调试房间送风风量时，我们是从有最大送风风量需求的洁净走廊开始调试，然后再辐射到每一个饲养室，检疫室，污物走廊及更衣换鞋等辅助房间。在房间送风风量调试的环节中，因送风末端采用文丘里风量调节阀的缘故以及前期管道静压设定控制的准备，我们进行的很顺利，因文丘里风量调节阀的压力无关特性，使得我们调试完一个房间送风风量后无后顾之忧，无需担心已经调试好的房间存在送风风量变化的情况；对于整个屏障环境从我们第一遍开始调试送风风量，到第三遍复测送风风量结束，总共只用了半天的时间。
1.2 屏障环境实验动物设施的模式控制
根据屏障区动物房实际使用以及节能的需求，我们采取了3种不同的运行模式，分别为正常工作模式，节能值班模式以及消毒清洁模式。
在正常工作模式下，以屏障区动物房所要求的换气次数进行控制，此时送风风量相对较大，以满足在白天有工作人员在动物房进行操作时，环境的洁净度，处理房间热湿负荷的需求。
节能值班模式，主要在夜晚及非工作日时，饲养区域内无工作人员操作时，因人带来的尘埃数及热湿负荷减小，此时饲养房间以相对低的换气次数（选取10~12次换气）运行。以达到节能运行的目的。
在以上两种模式下，尽管房间的送风风量发生了变化，但保持房间正压环境的风量差值一直维持不变。饲养室与相邻房间的相对压差仍保持≥10Pa。
消毒清洁模式的控制，主要是控制送风末端与排风末端的电动密闭阀。在该模式下，送风电动密闭阀与排风电动密闭阀均处于关闭状态。以保证在熏蒸消毒时，室内空气不外泄。在消毒完成后，根据要求，先打开排风电动密闭阀，延时后打开送风电动密闭阀。对应的先打开排风机组后打开空调机组，快速稀释房间内熏蒸药水到来的气味。
因系统内的送风末端及排风末端均采用调节式的变风量文丘里风量阀，所以除以上的模式外，可以有更多的房间换气次数变化选择，如一些饲养室处于空载情况时，在保证室内压差不变的条件下，可以降低更多的换气次数，以达到节能的目的。
2 屏障环境实验动物设施压力控制策略
2.1 屏障环境实验动物设施压力控制要点
在屏障环境动物饲养室，IVC笼架是主要的防护设施，饲养室房间作为二级防护屏障，根据我国已颁布的国标GB 14952–2010《实验动物环境与设施》中实验动物生产间的环境技术指标表规范，屏障环境相通区域的最小静压差≥10Pa；屏障环境设施辅助用房主要技术指标表规定洁净走廊，污物走廊及更衣、消毒等辅助房间与相通区域的最小静压差≤10Pa；
图2 压力梯度
如图2所示，结合此次项目为正压屏障环境的双走廊模式，其气流方向根据工艺布局呈现出中间的洁净走廊的压力高于各饲养间的压力，及各饲养间压力又高于污物走廊的压力的逐级递减格局，不同功能区相对压差≥10Pa。
2.2 屏障环境实验动物设施压力控制方式
目前净化房间室内的压力控制存在几种方式，有较为原始的手动调节法控制压力，有初始的室内压差直接控制法，有较为稳定的风量跟踪控制法，和更为稳定与先进的串级风量控制法。无论通过上述哪一种方法实现压力控制，归根结底都是以控制进入房间的风量与离开房间的风量，促使房间压力达到正压（或负压）控制的目的。不同的是所选取的末端风量设备不同及控制的变量存在差异。
在本项目中，我们在每个独立的净化房间均配置单独的房间微压差传感器及压力探测器，在洁净走廊及污物走廊因长度较长的区域，我们每10m配置1个压差测试点，根据现场洁净走廊与污物走廊的长度需具有3个压差测试点。所有房间的压差均对准同一夹层环境测试绝对压差。
图3 房间控制图
此次我们对室内压差的控制采用最为先进的差值风量重置的控制法。如图3所示，我们在饲养室的送风末端和排风末端均采用压力无关特性的文丘里风量调节阀，以保证精确控制房间送风风量与排风风量，同时根据饲养室压力要求与房间密闭性情况设定饲养室房间的风量差值，从而保证饲养室房间压差的稳定控制。若在房间围护性结构（如门、传递窗）关闭情况下，若房间测试压力与设定压力存在较大偏差时，可通过风量差重置控制，实现房间压差准确控制。
在这里我要强调的是具有压力梯度控制的环境，最主要的是找到基准点，基准点找对并控制好，对后续的压力控制有着事半功倍的作用。对于此次的动物房，我们找的基准点是洁净走廊，从布局上洁净走廊是整个系统犹如主心骨的区域，洁净走廊的压力值要求也是整个系统较高的。所以，我们的首要目的是先控制好洁净走廊的压力。
屏障区动物房的空调通风系统，从开机到对应的管道静压稳定控制需要4min，所以在这4min内，所有的末端风量控制阀均不动作是最好的选择，以避免在不稳定的静压条件下做出不正确的操作。空调通风系统的管道静压稳定将作为末端风量设备是否开始控制的首要条件。
2.3 屏障环境实验动物设施室内压力测试效果
严格按照国标GB 14952–2010《实验动物环境与设施》的静压差测定方法在静态环境，动态环境及开机情况下的压力测试：
（1）静态环境下检测室内压力控制效果
静态检测指在洁净实验室动物设施空调送风系统连续运行48h以上，已处于正常运行状态，工艺设备已安装，设施内无动物及工作人员的情况下进行检测。[1]
图4所示，我们选取其中测试10min的房间压力测试数据。压力控制稳定准确，基本能控制在设定压力±1.5Pa的幅度。
图4 静态状态下的房间压力趋势图
（2）动态环境下检测室内压力控制效果
动态环境是指有人员进出的情况，我们在人流/物流/气流走向布测试压力点，对室内压力进行测定。
在人员进出情况下，我们抽取一间房间的压力记录情况；我们分别对该房间的两扇房间门在启闭情况下，进行压力的监视如图5，图6所示。可以看到在人员正常进出且随手关门情况下，室内压力随即恢复正确值且控制稳定；这主要在于我们选取的室内压力控制策略差值风量重置控制法在开关门的瞬间，不因无效的测量压力变量而进行调节。若在开关门的过程中，门未被关闭，导致相邻房间压力梯度消失，压力趋于一致，这种压力变化过程出现3s后，上位机中控系统即发出压力异常蜂鸣报警，提示值班管理人员及时进行检查，若检查房门与传递窗均关闭正常，值班管理人员可选择手动进行风量差重置或根据设定延时进行自动风量差重置。
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| 图5 前室房间对洁净走廊，在门的启闭情况下房间压力趋势图 | 图6 前室房间对饲养室，在门的启闭情况下房间压力趋势图 |
（3）开关空调通风系统情况下的室内压力控制效果
开关空调通风系统指在重新开启空调通风系统，室内压力是否能迅速恢复至设定压力的测试。
在重新开启空调通风系统后，前4min是机组升频率控制管道静压调整的过程，在系统管道静压控制稳定后，房间能在3~5min内即恢复室内压力的准确控制。这种迅速恢复室内压力的方式是采用通过空调通风系统的运行状态指令，作为末端文丘里风量调节阀的控制的条件。在空调系统为停止状态时，房间末端的排风文丘里风量调节阀的开度为系统关闭时的最后停止位置；同时，在空调系统由停止状态变为运行状态可促使风量差值重置程序初始化，在空调通风系统开启后达到相应范围的管道静压值，程序初始化开始执行，延时10min（时间可设）后初始化程序关闭。其中，空调通风系统若满频率未达到管道静压时，上位机中控系统进行报警，所有末端文丘里风量调节阀均不动作；若10min后，仍存在室内压力偏离设定压力的情形，上位机中控系统进行报警，值班管理人员进行检查现场，检查室内围护性结构及压差监测设备及文丘里风量调节阀，若均无问题情况下，值班管理人员可选择手动进行风量差重置或根据设定延时进行自动风量差重置。同时需注意若自控系统中无门禁状态信号上传，则在重启空调通风系统前，应先检查现场的围护性结构，如房门、传递窗是否处于关闭状态，以保证重启空调通风系统情况下，室内压力能有效有序控制。
图7 重启空调通风系统后房间压力趋势图
3 屏障环境实验动物设施温湿度控制策略
3.1 屏障环境实验动物设施温湿度控制要点
温度、相对湿度作为饲养室环境的日常检测参数，其重要性不言而喻。屏障环境动物饲养室要求温度为20~26℃，最大日温差≤4℃，相对湿度为40~70%。
尽管其中IVC笼架是动物饲养的主要屏障环境，但是，IVC笼架系统其笼盒内的温湿度主要是受二级屏障环境饲养室的影响。
3.2 屏障环境实验动物设施温湿度控制方式
在此项目中，饲养室的温湿度主要由净化空调机组进行控制。考虑到项目建设在沿海区域，其相对湿度过高，所以在设计时考虑选用带有转轮除湿功能的净化空调机组。
在饲养室的末端排风管路上设置温湿度传感器，监视饲养室室内温湿度（图3所示）；同时在送风末端设有再热装置；设定饲养室环境所需的温度，与饲养室实时监视的温度值进行比较，比例调节末端再热装置的水阀，以保持饲养室温度的稳定。
在饲养室门口，我们设置就地触摸屏，以显示实时的室内温湿度，并在触摸屏内设置参数的报警上限与报警下限，当实时的温湿度值超出上下限范围时，就地触摸屏实现声光报警进行提示。
在EMS上位机系统，对室内温湿度实时监视，具有超限报警提示，实时数据采集及趋势记录，报警短信发送等功能。上述就地及远程系统均有助于管理者更有效率的管理好屏障动物房的环境。
4 项目调试过程中存在的不足之处
IVC笼架是作为饲养实验动物主要的防护设施，是具有独立送/排风的空间。项目上所选用的IVC笼架，自带送风机取室内送风为笼架进行送风，排风接入集中排风系统。问题在于IVC笼架与房间排风共有1个变风量末端设备。同时，室内排风变风量末端设备对房间压差有着重置调节作用。若在重置过程中，因人员出入导致房门等虚掩情况出现，使得饲养房间与相邻房间气流控制异常，导致人为因素的不正确的排风风量调节，这种情况下，因IVC无独立的风量阀进行控制，势必造成IVC笼架内的环境造成影响。同时，对房间工作/节能模式切换也带来困难。
我的建议是IVC笼架在饲养室作为一种独立的微环境，在目前的情况下，把笼架设备的排风与饲养室的室内排风进行独立的控制，对于目前的系统控制将更为合理、稳定。同时，在今后的设计控制方面，我个人觉得IVC笼架微环境与饲养室的二级屏障环境的通风系统完全独立分开，在造价成本上或许会更贵一些，但从整个通风系统的控制的稳定性及节能性将做的更好。具体详见参考文献[2]。
5 结束语
实验动物设施的空调通风控制系统应注重保障屏障环境的环境参数如洁净度、压力、温度、相对湿度的控制，注重对整个空调通风系统运行的节能考虑。结合能精确调节风量的文丘里风量调节设备和理念先进的压力控制方法，实践证明是能更稳定的控制屏障环境实验动物设施内的通风量，更有效有序的控制其室内压力；与此同时，末端文丘里风量设备的压力无关性，对运行模式切换调节，风量变化控制无后顾之忧，实现屏障环境实验动物设施空调通风系统经济、可靠的运行。
参考文献
[1] 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，中华人民共和国国家标准GB 14925–2010：实验动物环境及设施.
[2] 何婧, 沈晋明, 汪亚兵.“实验动物房环境特点与空调设计”，《洁净与空调技术》，2003年第1期.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年9月刊总第25期。
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