劉智琳，孟 晗

（奧星制藥設(shè)備（石家莊）有限公司，石家莊 050011）

0 引言

在新型冠狀病毒（以下簡稱“新冠病毒”）全球大流行的背景下，各界對于生物安全的關(guān)注達到了一個前所未有的高度。高生物安全類生產(chǎn)車間區(qū)別于普通潔凈室及生物安全實驗室，其內(nèi)部主要從事與高感染風(fēng)險生物因子相關(guān)的生產(chǎn)工作，若防護設(shè)施不合格或管理不到位，隨時都有工作人員被感染或病原體泄漏的風(fēng)險。因此，生產(chǎn)過程中的病原微生物或其他有害物質(zhì)泄漏后如何快速排除是需要關(guān)注的問題。

近些年，關(guān)于高生物安全類空間中的氣流組織的研究已經(jīng)證明，上送下排的送風(fēng)形式可以更好地排除污染物[1-3]，換氣效率和平均空氣齡也更能滿足要求[4-5]。現(xiàn)階段負壓房間的暖通空調(diào)設(shè)計多采用提高換氣次數(shù)的方法來保證壓力梯度及潔凈度要求，但是盲目增大換氣次數(shù)除了會增加能耗，還會影響室內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度分布[6]。本文以某新冠病毒疫苗的生產(chǎn)車間為例，通過數(shù)值模擬方法計算潔凈生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的污染物分布情況，提出基于排污效率的生物安全類潔凈室氣流組織的評價方法。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模擬方法

本文采用Fluent 軟件，對生產(chǎn)新冠病毒疫苗的核心生產(chǎn)區(qū)進行數(shù)值模擬。以某新冠病毒疫苗生產(chǎn)基地的生產(chǎn)樓作為研究對象，建筑內(nèi)共設(shè)置4 個生物安全防護區(qū)，本研究以上游工藝收獲滅活區(qū)為研究對象。該防護區(qū)包括核心生產(chǎn)區(qū)和防護服更換間、淋浴間、人員氣鎖等房間，總面積約為110 m2，層高為5.8 m，吊頂高度為2.7 m，其中核心生產(chǎn)區(qū)為三級生物安全防護區(qū)，面積約為100 m2。

參考的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》[7]、GB 50457—2019《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[8]、GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》[9]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，模擬區(qū)域的潔凈度級別為C 級，在滿足上述規(guī)范要求的前提下，結(jié)合工藝生產(chǎn)實際需求，上游工藝收獲滅活區(qū)的核心生產(chǎn)區(qū)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為：換氣次數(shù)28 次/h、房間負壓值-50 Pa、溫度18～27 ℃、相對濕度30%～70%。

上游工藝收獲滅活區(qū)的核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)包括1 個隔離器及9 個大小基本一致的預(yù)混罐/滅活罐等設(shè)備，由于核心生產(chǎn)區(qū)面積較大、內(nèi)部設(shè)備較多且實際模型較為復(fù)雜，進行網(wǎng)格劃分時的網(wǎng)格數(shù)目巨大，因此首先對模型進行簡化，如圖1 所示。房間的最大尺寸為10.87 m×9.68 m×2.7 m（長×寬×高），采用上送側(cè)下回的送風(fēng)形式，房間頂部均布置9 個送風(fēng)口，尺寸為695 mm×695 mm；四周側(cè)墻布置8 個回風(fēng)口，風(fēng)口底部距離地面100 mm，尺寸為500 mm×400 mm。

圖1 核心生產(chǎn)區(qū)模型示意圖

本文應(yīng)用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法進行核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)流場變化的計算，對室內(nèi)流動做以下假設(shè)：流體為不可壓縮流體；潔凈區(qū)內(nèi)為了達到潔凈度的要求，往往采用高換氣次數(shù)，因此認(rèn)為流動為等溫過程。一般室內(nèi)氣體的流動狀態(tài)為充分發(fā)展的湍流流動，本研究中的核心生產(chǎn)區(qū)面積較大、內(nèi)部設(shè)備較多，因此湍流模型采用RNG k-ε 模型。

根據(jù)前文內(nèi)容可知，核心生產(chǎn)區(qū)的換氣次數(shù)為28 次/h，房間實際體積為271 m3，送風(fēng)量為7590 m3/h；房間負壓為-50 Pa，滲透風(fēng)量為890 m3/h。在不考慮空氣比容變化的情況下，進入潔凈室的風(fēng)量與排出潔凈室的風(fēng)量是平衡的。模擬計算的邊界條件選擇與實際工程送風(fēng)量一致的情況，送風(fēng)量為7590 m3/h，邊界條件采用速度入口（正）；排風(fēng)量為8480 m3/h，邊界條件采用速度入口（負），其中靠近1#培養(yǎng)基儲罐的1 個排風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口。

本文研究對象為新冠病毒疫苗的生產(chǎn)車間，新冠病毒的粒徑為70～120 nm[10]，在模擬中假設(shè)所有的顆粒為球形光滑顆粒，粒徑為100 nm。潔凈區(qū)墻壁均為彩鋼板，壁面處設(shè)置為“reflect”邊界條件。顆粒物的計算采用離散相模型，勾選“Inject Using Face Normal Direction”，質(zhì)量流量設(shè)置為1.0×10-8kg/s。

1.2 污染物的排除效果

為了實現(xiàn)更好的氣流組織形式，現(xiàn)在潔凈空間的暖通空調(diào)設(shè)計多采用均布送排風(fēng)口的經(jīng)驗方法，在驗收時基本能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于潔凈區(qū)內(nèi)溫濕度、懸浮粒子及微生物動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)、氣流流向等要求。但是由于工藝設(shè)備與風(fēng)口布置會發(fā)生沖突，實際情況中并不能做到均布送排風(fēng)口，潔凈區(qū)內(nèi)氣流流向等是無法估計的。在高生物安全類潔凈空間中，發(fā)生突發(fā)污染是非常危險的，因此在建筑方案設(shè)計階段就需要量化氣流指標(biāo)。本文以突發(fā)污染時的排污效率作為評價指標(biāo)，可以評價并優(yōu)化初期設(shè)計方案，以保證最大限度地滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

排污效率（ε）可以用來表示排除室內(nèi)污染物的能力。排污效率的計算采用穩(wěn)態(tài)模擬，定義排污效率為出口污染物的平均質(zhì)量濃度與室內(nèi)污染物的平均質(zhì)量濃度的比值，計算公式如下：

式中，Ce為出口污染物的平均質(zhì)量濃度；C 為室內(nèi)污染物的平均質(zhì)量濃度；Co為送風(fēng)中的污染物質(zhì)量濃度。

此外，補充排空時間作為輔助評價指標(biāo)，定義為非穩(wěn)態(tài)模擬計算下污染物全部排除所用的時間。采用非穩(wěn)態(tài)模擬，比較在不同情況下相同污染物散發(fā)時間下潔凈室內(nèi)污染物的排除效果。

根據(jù)實際工藝情況，主要對以下2 種情況污染物的排除時間及排污效率進行計算：

情況一：已知隔離器的作用在于將病毒隔離在其中而完全不向室內(nèi)擴散，因此其通風(fēng)系統(tǒng)是單獨控制的，但是隔離器頂部與排風(fēng)裝置連接處為整個核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)唯一處于正壓的地方，內(nèi)外壓差最大時能達到100 Pa，若發(fā)生病毒泄漏會產(chǎn)生嚴(yán)重危害；

情況二：根據(jù)工藝情況及設(shè)計方案，整個防護區(qū)的左上角區(qū)域缺少排風(fēng)裝置，但是該區(qū)域為人員操作時的必經(jīng)區(qū)，因此需要考察在該區(qū)域發(fā)生意外后病毒顆粒的控制情況。

本文將以上2 種情況作為研究對象，根據(jù)計算結(jié)果對2 種情況下病毒顆粒的排除效果進行評價。

2 結(jié)果

2.1 核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)污染物的整體質(zhì)量濃度水平

如圖2 所示，房間內(nèi)高度為1.5 m 的截面平均風(fēng)速為0.116 m/s，由于部分送風(fēng)口下方布有罐體，氣流受到阻擋后會繞罐體流動。整體上氣流分布均勻，但是受到工藝設(shè)備的影響，排風(fēng)口并不是完全均勻布置的，導(dǎo)致局部存在小的渦流，主要為缺乏排風(fēng)裝置且靠近墻體的區(qū)域。

圖2 房間內(nèi)高度為1.5 m 的截面風(fēng)速分布

如圖1 所示，根據(jù)實際情況，情況二或其他區(qū)域發(fā)生污染物擴散時，只是操作過程中的意外；但是情況一若發(fā)生泄漏，則意味著出現(xiàn)了安全事故。為了評價設(shè)計工況下病毒顆粒泄漏時核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)污染物的質(zhì)量濃度水平，以情況一為例，設(shè)定病毒顆粒由隔離器頂部持續(xù)散發(fā)600 s，采用非穩(wěn)態(tài)模擬計算室內(nèi)污染物的質(zhì)量濃度分布。

房間內(nèi)病毒顆粒的平均質(zhì)量濃度和出口病毒顆粒的平均質(zhì)量濃度隨時間的變化情況如圖3 所示。結(jié)果顯示，第280 秒后房間內(nèi)各處病毒顆粒質(zhì)量濃度基本不發(fā)生變化，可以認(rèn)為病毒顆粒在第280 秒就擴散至全室；280 s 后出口病毒顆粒平均質(zhì)量濃度穩(wěn)定在22.42 μg/m3，房間內(nèi)病毒顆粒平均質(zhì)量濃度穩(wěn)定在5.43 μg/m3。因此，在發(fā)生安全事故時，建議相關(guān)人員在300 s 內(nèi)撤離核心生產(chǎn)區(qū)，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

圖3 核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)病毒顆粒濃度隨時間的變化情況

2.2 不同情況下核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)污染物的排除效果

如表1、圖4 所示，采用穩(wěn)態(tài)模擬，情況一污染物的排污效率為0.8399，而情況二污染物的排污效率只有0.4653，因此在遠離排風(fēng)口的區(qū)域發(fā)生意外泄漏時，污染物很難快速排除；采用非穩(wěn)態(tài)模擬，設(shè)定病毒顆粒從第6 秒散發(fā)至第10 秒，研究在相同散發(fā)時間內(nèi)不同散發(fā)位置的污染物的排空時間，與排污效率的結(jié)果類似，情況一污染物第9 秒就可以到達排風(fēng)口，總排空時間為556 s，而情況二污染物第50 秒才能到達排風(fēng)口，總排空時間為771 s。因此，風(fēng)口布置及污染源的散發(fā)位置是影響室內(nèi)污染物的質(zhì)量濃度水平及排污效率的重要因素。在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計中，風(fēng)口及操作平臺的布置需要滿足標(biāo)準(zhǔn)中送風(fēng)口應(yīng)避免直接吹向儀器的要求[10]，同時避免在遠離排風(fēng)口的位置處進行實驗操作等。

表1 不同情況下核心生產(chǎn)區(qū)的排污效率及排除時間

圖4 不同情況下的病毒顆粒物運動軌跡及排除時間

2.3 基于排污效率的核心生產(chǎn)區(qū)氣流組織優(yōu)化措施

根據(jù)前文分析可知，排風(fēng)口布置受到工藝設(shè)備布置的影響，并不是完全均勻布置的，導(dǎo)致諸如情況二病毒顆粒擴散后在房間內(nèi)發(fā)生滯留。因此在如圖1 所示的整個空間的左上角區(qū)域增設(shè)排風(fēng)口，尺寸與其他風(fēng)口保持一致，風(fēng)口底部距離地面100 mm。

在保持總的排風(fēng)量不變的條件下重新設(shè)置邊界條件，對2 種情況下的排污效率重新進行計算，結(jié)果如圖5 所示。增加排風(fēng)口后，情況一排污效率提升了0.0303，情況二排污效率可以達到1.4814。

圖5 增加排風(fēng)口前后排污效率的比較

實際上，在換氣次數(shù)一定的情況下，排風(fēng)裝置的位置對房間的自凈時間影響不大[6]。原設(shè)計工況下，室內(nèi)絕大部分區(qū)域的污染物排除可以保持在較高的排污效率和較短的排除時間，因此在室內(nèi)風(fēng)險控制點或意外發(fā)生后難以排除的區(qū)域增設(shè)應(yīng)急裝置，即在前文所述的排風(fēng)口位置處增設(shè)排風(fēng)裝置，作為應(yīng)急裝置使用。

采用非穩(wěn)態(tài)模擬方法，模擬過程為：污染物持續(xù)散發(fā)→開啟應(yīng)急排風(fēng)裝置→快速排除污染物。綜合考慮人員反應(yīng)時間及排風(fēng)裝置的控制反應(yīng)時間的影響，設(shè)置污染物首先持續(xù)散發(fā)120 s 后應(yīng)急裝置完全打開進行排風(fēng)。為了保證最佳排除效果且較低的能耗，需要確認(rèn)合適的排風(fēng)速度。

以1 m/s 為例，觀察圖1 模型中y=8.55 m 處x-z截面、x=0.6 m 處y-z 截面的速度矢量圖（如圖6 所示），可以看到當(dāng)應(yīng)急排風(fēng)口的設(shè)定排風(fēng)速度過小時，該區(qū)域的氣流組織反而會變差，會對污染物排除造成不利影響。

圖6 不同截面的速度矢量圖

設(shè)定病毒顆粒第125 秒停止散發(fā)，以1 m/s 的風(fēng)速變化為間隔，分別計算不同排風(fēng)速度下的排空時間，如圖7 所示。當(dāng)不增設(shè)應(yīng)急裝置時，排空時間為1214 s，隨著風(fēng)速的增加，排空時間先增大后減小，當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s 后，排空時間迅速下降；當(dāng)風(fēng)速達到6 m/s 后，排空時間基本不發(fā)生變化。針對本文描述的氣流組織形式，可以采用增設(shè)應(yīng)急排風(fēng)裝置的優(yōu)化措施，綜合考慮排除效果及能耗的影響，建議應(yīng)急排風(fēng)速度為6 m/s。

圖7 排空時間與應(yīng)急排風(fēng)口風(fēng)速的關(guān)系

3 結(jié)語

為了避免工程驗收時才發(fā)現(xiàn)由于氣流組織不合格導(dǎo)致高生物安全風(fēng)險車間室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度過高等問題，有必要在建筑方案設(shè)計階段進行模擬實驗。本文以某新冠病毒疫苗生產(chǎn)基地的生產(chǎn)車間作為研究對象，以排污效率作為評價指標(biāo)，評價并優(yōu)化初期設(shè)計方案，以減少潔凈區(qū)內(nèi)氣流短路、渦流、死角等問題，最大限度地滿足規(guī)范要求，解決設(shè)計中難以量化氣流指標(biāo)的問題。研究結(jié)果顯示，在送風(fēng)形式及房間壓力不變的情況下，排風(fēng)口位置是影響氣流組織的一個重要因素，合理的送排風(fēng)口布置是影響短時間內(nèi)室內(nèi)污染物濃度水平的重要因素。針對本文描述的氣流組織形式，建議采用增設(shè)應(yīng)急排風(fēng)裝置的優(yōu)化措施；在進行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，要與工藝專業(yè)相互配合，在易發(fā)生污染物泄漏的位置附近及人員停留時間較長的區(qū)域必須設(shè)置排風(fēng)口并保證排風(fēng)裝置的正常運行。

但本文將病毒顆粒粒徑簡化為100 nm，在送風(fēng)形式不變的情況下，不同粒徑的病毒顆粒對排除效果也有影響，后續(xù)擬進行不同粒徑顆粒物對排除效果影響的研究；此外，模擬方法缺乏實驗驗證，后續(xù)將開展相關(guān)實驗，以期為高生物安全風(fēng)險車間的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。