高等级生物安全实验室两种气密性测试方法的对比分析

中国建筑科学研究院有限公司 陈方圆 曹国庆 

       【摘  要】对高等级生物安全实验室房间气密性的两种检测方法进行了理论分析，得出两种测试方法空气泄漏率计算公式的一致性，指出压力衰减法比恒压法测试对于判定房间气密性更严格，根据国内现有高等级生物安全实验室现场气密性的测试数据对理论分析结果进行了验证。

       【关键词】生物安全实验室、房间气密性、恒压法、压力衰减法、泄漏率

Abstract:The paper analyzes the two methods for the test of high level biosafety laboratory room tightness, and obtains the rate of air leakage consistency calculation formula and which method to determine the air tightness of the room is more stringent. In accordance with the present test data of the existing higher biological safety laboratory site tightness of theoretical analysis the results are verified, the two conclusions coincide.
Keywords:High level biosafety laboratory; Air tightness of room; Pressure decay method; Constant pressure method; Leakage rate

0 引言

       随着科学技术的发展，我国在医药、科研、生产及实验等领域对生物安全实验室的使用越来越广泛。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^[1]。其中，大动物三级生物安全实验室和四级生物安全实验室（以下简称“高等级生物安全实验室”）是生物安全防护要求十分严格的实验室，所涉及的病原微生物通常能引起人或动物的严重疾病，并具有极强的传染性，对感染一般没有有效的预防和治疗措施。防止该类实验室内病原微生物向周围环境扩散是确保该类实验室生物安全的关键，而实验室围护结构气密性是实验室与外界环境隔离的物理基础，是生物安全可靠性的重要保证^[2]。

本文对高等级生物安全实验室房间气密性的两种不同检测方法进行了对比分析，得出不同方法的空气泄漏率计算公式的一致性以及哪种方法对于判定房间气密性更严格，并根据国内目前现有高等级生物安全实验室现场气密性的测试数据进行了验证。

1 气密性要求

       GB 19489-2008《实验室生物安全通用要求》^[3]（以下简称GB 19489）和GB 50346-2011 《生物安全实验室建筑技术规范》^[1]（以下简称GB 50346）对高等级生物安全实验室各区域气密性有严格的规定，就测试方法而言分为恒压法及压力衰减法两种，见表1所示。

2 气密性测试原理

       2.1 恒压法

       采用恒压法进行实验室气密性测试时，将房间的负压维持在恒定值（250Pa），使用玻璃转子流量计测试真空泵或排风机的流量，如图所示。

       按式（1）计算房间围护结构的小时空气泄漏率^[3]：

       

       式中，T_f—为房间围护结构的小时空气泄漏率；

                Q —真空泵或风机的流量，m³/h；

                V—房间内的体积，m³。

       2.2 压力衰减法^[3]

       采用压力衰减法进行实验室气密性测试时，先使房间与室外达到500Pa的负压差。压差稳定后关闭房间与真空泵或排风机之间的阀门，连续记录房间的压差和温度至少20min，如图2所示。

       压力衰减法的小时泄漏率按照EJ/T 1096-1999 《密封箱室密封性分级及其检验方法》^[4]中的小时泄漏率计算所得，具体公式如式（2）所示。

      

       式中：T_f——压力衰减法测试所得小时泄漏率，%；

                 t——检验持续的时间，min，一般取20；

                P₁——初始时的室内绝对压力，Pa；

                P_t——t时刻的室内绝对压力，Pa；

                T₁——初始时的绝对温度，K；

                T_t——t时刻的室内绝对温度，K。

       2.3 对比分析

       恒压法和压力衰减法均用于测试房间的气密性，其原理都是通过测试数据得到房间的小时泄漏率，即每小时房间泄漏的空气量占房间体积的比率。两种方法同根同源，公式（2）是由气态方程代入公式（1）后转换得出的。

       房间泄漏的空气量=终止时房间空气量-初始时房间空气量

       初始状态下：P₁V₁=m₁rT₁,终止状态下：P₂V₂=m₂rT₂

       房间泄漏的空气质量：

       房间泄漏的空气体积：

       则小时泄漏率为：

        

       式中，ΔF——检测持续时间内房间泄漏的空气量，m³。

       在房间气密性的测试过程中，随着时间的变化，房间压力也在变化，因此室内外压差ΔP与时间t有一定的对应关系，即每一时刻都对应一个压差。假定室内温度不变，则房间在不同的压力下有不同的泄漏量，泄漏量q是压差ΔP的函数，即q=f(ΔP)。

       恒压法在测试过程中维持压力恒定在-250Pa，因此理论上来说房间的泄漏量为一定值；压力衰减法在测试过程中压力由500Pa开始逐渐降低，因此房间在不同压力下有不同的泄漏量。综上，泄漏量q是时间t的函数，即q=f(t)（如图3所示）。

       从图3中可知，压力衰减法的测试过程中必然有一个时刻t_A对应的压力为-250Pa，此时对应的泄漏量为q_A，即恒压法测试时的泄漏量。因为不同围护结构特性的房间压力衰减的快慢不同，所以tA可能出现在20min之后，也可能出现在20min之内。当出现在20min之后时，根据GB 50346中压力衰减法的要求，说明房间气密性合格；同理，当出现在20min之内时，说明房间气密性不合格。

       恒压法测试时的泄漏量为一定值，即q_A，那么恒压法的小时泄漏量为Q_A=60q_A，对应图4中的阴影面积A。压力衰减法测试时的泄漏量为一变值，在测试时间20min内的泄漏量为Q´_B=∫₀²⁰qdt,，则小时泄漏量为Q_B=3Q´_B，即图4中的阴影面积B。对比恒压法和压力衰减法的泄漏率，即对比面积A和面积B的大小，由于A=3A’，B =3B’，因此对比面积A’和面积B’即可（如图5所示）。

       从图5（a）可以看出：当tA出现在20min之后时，面积B’必定大于面积A’，即对同一房间，压力衰减法得到的泄漏率大于恒压法得到的泄漏率，那么在同样的评定标准下，若压力衰减法测试结果合格，恒压法测试结果必定合格。

       相反，从图5（b）可以看出：当tA出现在20min之内时，面积B’不一定大于面积A’，说明压力衰减法测试结果不合格时，恒压法测试结果有可能合格。由此可知，压力衰减法较恒压法严格。

3 实测数据的对比

       在进行高等级实验室检测过程中，对若干房间进行了气密性的测试，图6为所测房间的压力随时间变化的曲线图。从图中可看出，随着时间的推移，房间的压力变化量越来越小。

       此外，对某单位的大动物三级生物安全实验室中的四间房间进行了两种方法的检测，通过公式（1）和公式（2）计算得到同一房间在不同检测方法时的泄漏率，见表2所示。

       从表2中可看出：

       （1）压力衰减法过程中，缓冲与过厅的-250Pa均出现在20min之内，均不满足GB 50346的要求，但两者的恒压法测试结果均满足GB 50346的要求。

       （2）虽然缓冲与过厅的-250Pa均出现在20min之内，但缓冲的恒压法泄漏率大于压力衰减法泄漏率，过厅的恒压法泄漏率小于压力衰减法泄漏率，说明此时无法判断两种方法计算的泄漏率大小。

       （3）压力衰减法过程中，实验室与解剖间的-250Pa均出现在20min之后，均满足GB 50346的要求，两者的恒压法测试结果也均满足GB 50346的要求。

       （4）实验室与解剖间的-250Pa均出现在20min之后，压力衰减法计算得到的泄漏率均大于恒压法计算得到的泄漏率。

       综上，验证了本文2.3中的理论推导结果。

4 探讨

       4.1 测试原理及方法

       恒压法和压力衰减法的原理相通，均为测试房间在一定的压力下泄漏的空气量；泄漏率计算公式具有一定的相似性，均为一定压力下泄漏的空气量占房间体积的比值。

       两种方法也有一定的不同之处：一是测试参数不同，恒压法测试的是小时泄漏量，压力衰减法测试的是一段时间内房间压力的变化；二是测试条件不同，恒压法测试时，为维持房间压力为-250Pa而保持房间有一定的机械排风，压力衰减法测试时，切断所有机械送排风，使房间压力随围护结构泄漏而逐渐衰减。

       4.2 气密性评定标准

       在同样的评定标准下，若500Pa压差下半衰期为20min的压力衰减法测试结果判定为合格，则恒定压力为-250Pa的恒压法测试结果必定判定为合格；相反，500Pa压差下半衰期为20min的压力衰减法测试结果判定为不合格时，恒定压力为-250Pa的恒压法测试结果却有可能判定为合格。

       由此可知，500Pa压差下半衰期为20min的压力衰减法较恒定压力为-250Pa的恒压法严格。

5 结论

       5.1恒压法和压力衰减法作为高等级生物安全实验室房间气密性的两种不同检测方法，其测试原理相近，空气泄漏率计算公式具有互相推导性。

       5.2 理论计算及实践结果均表明压力衰减法比恒压法测试对于气密性的要求更严格，在进行实验室气密性测试时，可以采用操作更简便的压力衰减法代替恒压法进行验证。

参考文献：

       [1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局． GB 50346-2011．生物安全实验室建筑技术规范［S］．北京: 中国建筑工业出版社，2011．
       [2] 曹国庆，王荣，翟培军．高等级生物安全实验室围护结构气密性测试的几点思考[J].暖通空调2016，46（12）：74-79
       [3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会．实验室生物安全通用要求GB 19489-2008［S］．北京: 中国标准出版社，2008．
       [4] The Intenational Organization for Standardization. ISO Standard 10648-2 Containment enclosures —part 2: classification according to leak tightness and associated checking methods[S].[2014-110-11]. Swizerland: The International Organization for Standardization., 1994.
       [5] Iain S. Walker David J. Wilson** and Max H. Sherman*A comparison of the power law to quadratic formulations for air infiltration calculations[J] Published in Energy and Buildings，1997，27（3）.

       备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。