龐 勇，謝明軍，崔建偉，李冬梅，張思維，孫建云

（1.甘肅省疾病預防控制中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

新冠肺炎疫情發(fā)生后核酸檢測實驗室成為各級疾病預防控制中心、醫(yī)院和第三方檢驗檢測機構(gòu)的標配。核酸檢測實驗室也叫PCR實驗室或者基因擴增檢驗實驗室，是基于二級生物安全實驗室的組合型實驗室，一般由四個或三個二級生物安全實驗室組成，分別為試劑儲存和準備區(qū)、標本制備區(qū)、擴增反應混合物配置和擴增區(qū)、擴增產(chǎn)物分析區(qū)［1-3］。在我國，新冠肺炎納入乙類傳染病、采取甲類管理，所以核酸檢測實驗室工作人員必須按照生物安全三級防護要求穿戴防護用品，實驗室內(nèi)大多數(shù)工作由工作人員在穿連體防護服、戴防護面罩和手套、防護鞋套的狀態(tài)下在實驗室生物安全柜中操作，實驗室環(huán)境的熱舒適性和空氣質(zhì)量直接關(guān)系到檢驗人員的身心健康和工作效率，應該得到高度的重視。

計算流體力學（CFD）分析方法是國內(nèi)外公認的室內(nèi)氣流組織設計和評價最簡單的方法，Airpak 軟件是一款專門面向空調(diào)通風領(lǐng)域的流體力學計算分析軟件，其具有強大的可視化后處理能力，能夠生成矢量、云圖和粒子流動畫，從而描繪氣流的實時運動情況。模擬結(jié)束后，還可提供強大的數(shù)值報告，從而能夠?qū)Ψ块g的熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)和氣流組織進行綜合評價［4-15］。

熱舒適性水平是指人體通過自身的熱平衡條件和感覺到的環(huán)境狀況綜合起來獲得是否舒適的感覺。PMV 是人體熱舒適感全面評價指標，其值為+3～-3，相對應的熱感覺分別為熱、暖、微暖、適中、微涼、涼和冷七種狀態(tài)。PPD為預計處于熱環(huán)境中的群體對該熱環(huán)境不滿意的投票平均值，即對環(huán)境表示熱或冷的人所占的百分數(shù)［16］。

《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012根據(jù)PMV-PPD指標劃分了熱舒適度等級，Ⅰ級標準為PPD≤10%，-0.5≤PMV≤0.5；Ⅱ級標準為-1≤PMV＜-0.5，0.5＜PMV≤1，PPD≤27%。利用Airpak 軟件可以得到室內(nèi)環(huán)境的PMV 和PPD 云圖，從而可以分析室內(nèi)的熱舒適性水平。

室內(nèi)空氣品質(zhì)也叫室內(nèi)空氣質(zhì)量，其評價指標很多，本論述選擇空氣齡?？諝恺g是空氣在某一空間被測點上的停留時間，表征該空間舊空氣被新空氣所代替的速度，能夠反映該空間空氣的新鮮程度和去除污染物的能力，利用Airpak 軟件可以得到空氣齡分布云圖，進而可以評價室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

選取蘭州市某綜合實驗樓中層PCR實驗室中的位于中間位置的二級生物安全實驗室作為研究對象，實驗室由100 mm 厚巖棉彩鋼板分隔而成，尺寸為9.02 m（長）×3.55 m（寬）×2.60 m（高），分為緩沖間和主實驗室兩部分，緩沖間與主實驗室同寬同高，忽略隔墻厚度，緩沖間長度為1.90 m，主實驗室長度為7.12 m。北墻為外墻，由內(nèi)向外依次為100 mm厚巖棉彩鋼板、20 mm厚水泥砂漿、240 多孔磚、30 mm 厚 EPS 板、20 mm 厚水泥砂漿面層，冬季計算熱流密度為-9.17 W/m2，窗戶尺寸為1.5 m×1.6 m，為鋁合金單框中空玻璃，冬季計算熱流密度為-141.9 W/m2［17-18］，東西墻壁和南墻與空調(diào)房間相鄰，傳熱忽略不計，默認為絕熱。主實驗室采用風機盤管加新風系統(tǒng)，實驗室的熱負荷全部由風機盤管負擔，室內(nèi)冬季設計溫度20 ℃。新風系統(tǒng)的補風，除過渡季節(jié)直接采用室外新風外，在冬夏季均需將新風處理至接近室內(nèi)焓值狀態(tài)點后送入空調(diào)房間。為防止實驗區(qū)域各實驗室內(nèi)有異味的氣體或有害的氣體逸至走廊等區(qū)域影響整個實驗樓的工作環(huán)境，并且為使新風系統(tǒng)的新風能有效地補入空調(diào)房間以滿足人的衛(wèi)生要求，在公共走廊均設有新風口進行送風，從而使走廊形成一定的正壓。為確保實驗結(jié)果的正確性，主實驗室設計為相對于緩沖間微正壓，即新風系統(tǒng)的補充新風直接送入實驗室內(nèi)，然后通過門縫滲至其相鄰的緩沖室內(nèi)，該緩沖室內(nèi)設有排風口，并對走廊形成相對負壓，這樣能使各實驗室內(nèi)的異味或有害氣體得以良好的控制。實驗室內(nèi)有一型號為SX-BHC-1300A2 的生物安全柜，正常情況下由兩名工作人員坐姿于生物安全柜前在生物安全柜內(nèi)操作實驗。主實驗室四組不銹鋼吸頂凈化燈，緩沖間一組不銹鋼吸頂凈化燈，其它設備忽略不計。所建二級生物實驗室模型如圖1所示，模型相關(guān)參數(shù)見表1所列。

圖1 二級生物安全實驗室物理模型

表1 模型相關(guān)參數(shù)

1.2 數(shù)學模型

經(jīng)Airpak 軟件的模型檢查，該模型的雷諾數(shù)為82 807.6，佩克萊特數(shù)為261 535.9，所以室內(nèi)流態(tài)為湍流，采用數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合度較高的室內(nèi)零方程湍流模型并對室內(nèi)做如下假設：空氣為不可壓縮透明氣體；忽略環(huán)境中熱輻射作用，空氣流動為穩(wěn)態(tài)流動，且符合Boussinesq假設；內(nèi)墻、天花板和地板設置為絕熱，忽略門、窗的漏風影響。按照設計工況對模型進行條件設置。收斂條件設置為流動方程相對誤差0.001，能量方程相對誤差1×10-6，組分方程相對誤差0.001。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)Airpak 軟件網(wǎng)格劃分要求，確定該模型網(wǎng)格單元的X最大值為0.1775 m，Y最大值為0.13 m，Z最大值為0.451 m，對各通風口、送風口和排風口等速度梯度大的部分局部加密，使其各方向上的的網(wǎng)格數(shù)大于等于4，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性和質(zhì)量檢驗，共計劃分網(wǎng)格104 262個。

2 模擬結(jié)果與分析

按照設計工況對實驗室進行模擬計算，工作人員坐姿于生物安全柜前，分別選取y=1.25 m（面部）處的速度場、溫度場、PPD、PMV；y=0.1 m（腳踝）處的速度場、溫度場，y=1.25 m處的空氣齡來分析工作人員的舒適性和空氣品質(zhì)。

2.1 溫度結(jié)果分析

設定風機盤管送風口溫升為4℃時房間溫度即可接近設計要求，y=1.25 m 處溫度云圖如圖2 所示，由圖可見內(nèi)，該截面緩沖間溫度在22.4 ℃左右，主實驗室溫度最低處位于窗戶處，其它大部分區(qū)域溫度在22 ℃左右，分布較為均勻，工作人員所在位置溫度為20.7 ℃～22.5 ℃。y=0.1 m處溫度云圖如圖3所示，由圖可見，該截面大多數(shù)區(qū)域溫度為21.5℃左右，工作人員所在位置溫度為21.5 ℃～22.0 ℃。

圖2 y=1.25 m處溫度云圖

圖3 y=0.1 m處溫度云圖

2.2 速度結(jié)果分析

y=1.25 m處速度云圖如圖4所示，由圖可見該截面風速在0 m/s～0.73 m/s，工作人員長時間所待位置風速在 0.13 m/s～0.40 m/s。y=0.1 m 處速度云圖如圖 5 所示，由圖可見該截面風速在0 m/s～0.80 m/s，工作人員長時間所待位置風速在0.13 m/s～0.40 m/s。x=0 截面的速度矢量圖如圖6所示，由圖可以看出，主實驗室中至少存在三處渦流區(qū)域，渦流會影響通風換氣效果，可以通過調(diào)節(jié)送風方向來減小。

圖4 y=1.25 m處速度云圖

圖5 y=0.1 m處速度云圖

圖6 x=0處速度矢量

2.3 PMV 和 PPD 結(jié)果分析

核酸檢測工作人員衣著為T 恤、長褲、連體防護服、護目鏡+防護面罩、薄底鞋、防護鞋套，在該條件下室內(nèi)PMV的平均值為0.67，PPD的平均值為14.76%，其中 y=1.25 m 處 PMV 如圖 7 所示、PPD 如圖 8 所示，由圖可見，y=1.25 m 處的 PMV 值在 0.16～1.19，PPD 值在5.56%～35.00%，其中工作人員長期所待位置的PMV在0.50～0.75，PPD在10.66%～14.44%。

圖7 y=1.25 m處PMV

圖8 Y=1.25 m處PPD

2.4 空氣齡結(jié)果分析

Y=1.25 m 處空氣齡云圖如圖9 所示，由圖可見，緩沖間空氣齡整體較大，最大值為1 367.68 s，整體換氣次數(shù)不到3 次/h。主實驗室靠近門處有一區(qū)域空氣齡超過400 s，其他區(qū)域都在300 s 以內(nèi)，可見主實驗室內(nèi)大多數(shù)區(qū)域的換氣次數(shù)超過12次/h。

圖9 y=1.25 m處空氣齡

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)PPD 的平均值為14.76%，PMV 的平均值為0.67，工作人員長期所待位置的PPD 在10.66%～14.44%，PMV 在0.50～0.75，可見整個實驗室包括工作人員長期所待區(qū)域都滿足《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012規(guī)定的熱舒適等級二級標準。

（2）主實驗室工作人員常待的區(qū)域y=0.1 m 與y=1.25 m之間的垂直溫度差最大為0.8 ℃，工作人員不會因為溫度差感覺不舒服；主實驗室多一半?yún)^(qū)域包括人員常待的地方空氣齡小于300 s，空氣較為新鮮，局部區(qū)域空氣齡超過400 s，有待調(diào)整各風口進、出風方向和風速大小，從而縮小或消除該區(qū)域；局部區(qū)域的風速超過標準要求的最大值0.3 m/s，會有吹風感，運行中應進行合理調(diào)節(jié)。

4 討論

（1）冬季在實驗室開展實驗的情況下，風機盤管溫升達到4℃即可滿足實驗室的供暖要求，這是因為實驗室內(nèi)生物安全柜等設備工作時散熱量很大，承擔了大多數(shù)的室內(nèi)熱負荷。這也解釋了該實驗室冬季風機盤管在自動控溫的情況下大多數(shù)時間處于停止狀態(tài)的現(xiàn)象。局部區(qū)域風速超過標準要求，運行時可通過調(diào)整風口送風方向、調(diào)整送風速度等措施保證人員工作區(qū)的風速達到標準要求。

（2）對二級生物安全實驗室的設計要充分考慮室內(nèi)設備的散熱，合理配置帶有溫控的采暖空調(diào)設備，才能達到節(jié)能又確保舒適的室內(nèi)溫度環(huán)境。

（3）設計之初在充分考慮室內(nèi)設備和人員散熱的情況下，利用Airpak軟件模擬室內(nèi)熱環(huán)境，可為優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)。