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摘　要　医院、医学院、制药厂及医药科研单位等生物实验室洁净环境控制系统的设计与
实现。论述了洁净环境控制系统的组成和控制工作原理
关键词　洁净环境　单片机　空调机组　变频节能
0 　前言
生物实验室广泛应用于医学制药,微生物学、生物实验、遗传工程、航天工程、电子工程等。实力较强的医疗科研单位都采用生物实验室做关节置换,脏器移值、脑外科、心胸外科等大型手术。制药厂、医药科研机构为了作相应生物试验项目也设置了生物实验室。生物实验室最基本的条件是无尘无菌,要按使用工艺要求来确定洁净度级别,按照工艺要求来确定控制方式,为了达到工艺控制特殊要求,生物实验室还要保持恒定的温度、湿度、压力梯度等。
1 　洁净环境控制系统的主要技术指标设计
1. 1 　压差设计
为了维持生物实验室各区域(房间) 的洁净度要求,防止空气由洁净度低的区域或房间流向洁净度高的区域或房间,必须认真研究各洁净区之间的合理压差,利用压差设计控制空气污染,也能防止有害气体向外扩散(指洁净间做生物感染实验时,为防止危险因素向外扩散,房间采用设计负压运行) 。在保证生物安全的同时还要防止来自外部的感染。
空气压差设计是一个比较复杂的问题,需要根据具体情况分别对待,按照各洁净区域(房间)所需正(负) 压差关系,通常都保持在10 - 30pa 的压差,压差的控制需要在形成压差的区域里设置压力传感器,控制送风和排风的比例使其达到设计压差。
1. 2 　气流及换气量设计
单向流送风方式从保证洁净角度来看,往往被认为是洁净室最理想的气流组织形式,但是生物实验室的换气次数小于20 次Ph ,不属于循环式大风量洁净室,而且不易保证风速低于0. 1mPs 的要求和温、湿度均匀分布。
经实践证明:洁净室顶棚采用散流器送风口,回风口设置距地面50 - 60cm 的四个墙角处。这样的设计气流组织效果较好。
1. 3 　空调净化设计
生物实验室设置空调净化系统的目的是保证室内空气质量,维持室内温、湿度的要求,在北方地区,冬季气候比较干燥,需要考虑在空调系统中设置干蒸气加湿器或湿模加湿器及其它加湿装置。
空气净化系统,一般采用粗效、中效、高效、三级过滤。过滤器要采用金属框架,使于消毒和更新。生物感染试验室的排风除根据情况选用中效,高效过滤器(HEPA) 处理外,还要根据其危害程度,采用杀菌灯、臭氧消毒、高温灭菌等多种措施,已保证排出有害气体净化。
1. 4 　主要技术指标
(1) 空气洁净度:10000 级、1000 级、100 级
(2) 生物安全等级:P1 、P2 、P3 、P4 级

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(3) 测范围:
温度测量范围:0 ℃—50 ℃精度±0. 3 ℃压力测量范围:0 —50 % —100pa ,精度20 ℃±2. 5 %MR
湿度测量范围:10 % —95 %相对湿度测量精度(20 ℃)20 % —90 %相对湿度±5 %相对湿度
40 % —60 %相对湿度±3 %相对湿度
(4) 工艺控制范围
湿度:冬季:23 ℃±1 ℃
夏季:25 ℃±1 ℃
压力(压差) :洁净室:30pa ±3pa
感染室: (50 —70) pa ±3pa
湿　度:55 %RH ±5 %RH
2 　控制系统组成
洁净环境控制系统,主要由空气净化系统和温度、湿度、压力(压差) 控制系统组成。空气净化系统设置粗效、中效、高效,过滤器的三级净化,排出有害气体经净化外还要加紫外线灯和臭氧消毒器等灭菌消毒。温度、湿度、压力控制系统主要由温度、湿度、压力传感器、温控阀门执行器、湿控阀门执行器、送风、排风调节阀、单片微处理机及扩展部分组成。
单片微处理机作监控核心,它包括:模数转换电路、多路数据采集开关电路、CPU、LED 显示器等。
空气净化系统的粗效、中效、高效过滤器设置压差开关,堵塞时报警并提醒及时更换。
空调机组的净化和控制系统见图1。

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3 　洁净环境控制原理
洁净环境控制原理见图2。

洁净间内温度传感器,压差传感器,将来集到数据经传感器内部直流放大器变为0 —10V 模拟量信号,输入到多路开关电路按顺序循打开和关闭传感器输入信号,再经APD 转换电路输入单片机8031 ,按照洁净间设定的温度、湿度、压力经过计算比较,自动调节: (冬季) 加热器阀门, (夏季)表冷器阀门,按一定的比例自动调节送风阀门和回风阀门,使洁净间对走廊保持30pa 的压差,并使温度湿度达到工艺设计要求。
空调机组内设置新风温度传感器,当新风温度低于5 ℃时,加热系统开始工作,预热器阀门打开,将新风温度加热5 —10 ℃若预热器阀门全部打开后,而新风温度仍低于5 ℃,为防止空调机组预热器冻坏,设置关小或关闭新风阀门程序。在新风预热温度正常时,控制加热器阀门将预热后新与回风混合流加热到设定值。
当新风检测值高于设定值时(夏季) ,制冷系统开始工作,控制表冷器阀门将混合流冷却到设定值。
系统的送风湿度按工艺设定值,由送风湿度传感器检测,根据设定值控制加湿器阀门开度来控制湿度值,洁净间湿度传感器作为辅助监控。
在温度控制系统中以预加热器阀门控制为主,加热阀门为辅助加热控制。
为了减少能耗,空调机组风机采用变频机组送风,根据实验室使用期和非使用期,自动调风压(送风量) 使用期(风量) ,维持微正压5 —10pa 运行,减少了大量能耗。

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4 　生物感染实验室控制系统
生物试验室的感染间是试验有害病菌,病毒的场所,要防止外界空气污染,更要防止有毒物质污染外界,所以进入感染间的空气要经过粗中效过滤器,二级净化,排出的空气也要经过中效过滤器,高效过滤器二级净化,再加一级空气消毒系统。确保排出的空气不带病菌和病毒,控制系统见图3。
室内温度、湿度检测与控制系统基本原理图与图2 控制系统相同,感染实验区采用直流或全新风系统,换气次数10 次Ph。室外新风先经过排风全热交换器,预热或冷却后,经粗、中效过滤器,由上侧送风口送入实验间,试验间的下侧排风口排出的空气送到机房,经中、高效过滤,再进入全热交换器,回收冷、热量后排放外界。
感染实验区室内外走廊安装压差传感器,测量室内与走廊的压差,在所有的实验室门外装有压差显示装置,供工作人员了解室内压力情况,室内压差偏离设定值很多,自控设置会自动报警引起工作人员注意。
在送风总管、排风总管及紧急排风总管上,均设有电动密闭阀与电机联锁,当电机运行时,密闭阀打开,当电机停止时,密闭阀自动关闭。
为保证空调系统的密闭性,开机和停机方面必须装设联锁装置,开机时必须先启动排风机,联锁打开电动密闭阀延时启动送风机,并联锁打开送风电动密闭阀门,然后延时停排风机,联锁关闭排风电动密闭阀。
感染实验室洁净区不使用时,可减少风量和排风量,维持不受到外界污染的压力水平。减少能源消耗。
为了保证负压运行,设置单片微处理机自动控制系统。
5 　结束语
生物洁净环境控制系统设计,有两种控制形式:一种是生物实验室中的洁净实验室要求洁净间正压运行,另一种是生物实验室中感染试验室(主要是作生物感染或有害细菌病毒试验) 要负压运行。采用单片处理机系统,完全满足洁净间内温度、湿度、压力控制需要,而且还可以根据使用要求做:使用期空调机组风机高速运行全压送风(30pa) 非使用期低速运行,维持正压(5 —10pa) 以保障洁净间不受到外界空气污染。经实践该控制系统技术指标都能达到工艺要求,具有运行稳定、可靠、自动化程度高,抗干扰能力强,节约能源等优点。是生物实验室洁净环境控制系统设计最佳方案之一。
参考文献
1 　涂光备. 制药工业的洁净与空调. 北京中国建筑出版社,1999