動物實驗室通風熏蒸過程的模擬研究

動物實驗室在啟用前需要進行熏蒸徹底滅菌消毒以保證室內潔凈.通風系統熏蒸是在送風管與排風管之間加入熏蒸氣體發生設備，通過室內空氣循環來促進熏蒸氣體擴散.為了研究通風系統熏蒸過程氣體濃度分布的影響因素，用icem建模以及fluent軟件對該過程的不同的時間、換氣次數、送風形式及溫度分布狀態下多工況的氣流組織進行瞬態模擬，預測并分析熏蒸氣體濃度和濕度的分布規律.得出使熏蒸氣體快速達到滅菌程度的最小換氣次數隨時間延長而減小，改變送風形式可以減少實驗臺附近的渦流，室內溫度隨高度降低有利于熏蒸氣體快速擴散的結論，以便對熏蒸滅菌進行更有效的控制，對于指導動物實驗的安全進行有重要意義。

在制藥和化工方面，動物實驗室是進行毒性實驗、三致實驗、以及藥效藥代實驗的場所，其在生物制品、食品工業和輕工業等方面也發揮著重要作用.動物實驗室啟用前一般要進行甲醛熏蒸殺菌消毒，消毒后落下菌數量應為0~3個/皿.在進行甲醛熏蒸之后，菌落數水平總是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本質在于使病原體蛋白質凝固，蛋白質分子烷基化，從而達到殺菌的目的.其成本低廉、殺菌徹底，是最傳統廣泛的熏蒸氣體.熏蒸滅菌分為密閉式熏蒸和通風系統熏蒸.密閉式熏蒸是將門窗封閉，用高錳酸鉀和福爾馬林溶液按一定比例配置后加熱蒸發.通風系統熏蒸是把甲醛熏蒸滅菌儀器安裝于送風管和排風管之間，需要進行甲醛熏蒸時，將甲醛倒入熏蒸氣體發生器，打開送回風管關閉系統新風和排風，啟動風機，氣體擴散30min后，停止送回風系統.甲醛熏蒸應當在室溫不低于21益且相對濕度為70%的條件下進行。

實驗室通風系統中，在進風和排風總管處應安裝氣密型調節閥門，必要時可完全關閉閥門以進行室內化學熏蒸消毒.實驗室的進風應經初、中、高效三級過濾.實驗室的排風必須經高效過濾或加其他方法處理后向空中排放。消毒時不能留死角，且保證消毒藥的濃度和消毒時間.許多學者對生物實驗室的氣流組織進行了模擬，但尚未有對動物實驗室通風熏蒸過程的模擬.耿文清等。對BSL-3主實驗室2種通風方式的氣流運動和氣溶膠顆粒濃度分布與排除進行數值研究。利用CFD技術研究了生物安全實驗室兩種不同氣流組織下室內流場的分布.許鐘麟等。認為用于生物安全實驗室的氣流組織中上送下回能把污染物迅速排出.李江龍等。對三級生物安全實驗室兩種排風方式進行了研究.宋黎等。對實驗室內的氣流和生物顆粒物的擴散運動進行了模擬.高立江等。利用AIRPAK2.1對生物安全實驗室的細菌、灰塵濃度場進行了模擬.李在秋等。研究潔凈室環境中空氣速度場和溫度場對潔凈室功效的影響.蔣新波等。對實驗動物籠架擺放幾種方式下的氣流組織進行了模擬。分析了密閉熏蒸消毒、通風大系統消毒2種消毒模式的原理和優缺點.本文用CFD方法模擬研究了動物實驗室通風熏蒸過程不同工況下氣體濃度的瞬態分布規律及其影響因素。

一、動物實驗室通風研究說明

研究對象以湖南省長沙某動物實驗室為模型進行模擬研究.實驗室長4m，寬1.8m，高2.4m.室內有一個靠墻的實驗臺，長3m，寬0.6m，高0.85m.房間頂部中間為一個邊長0.5m的正方形送風口，4個墻角設置長0.3m，寬0.2m的排風口.熏蒸過程中實驗室為空態，無動物、人員、內熱源.換氣次數為25次/h，循環風量為432m3/h，送風溫度為27益，送風風速為0.48m/s.當甲醛濃度為8~16mg/L，相對濕度為70%~75%時熏蒸的消毒殺菌效果良好[13].當室內的濕度大于65%，溫度為24~40益時，熏蒸的殺菌消毒效果最好[14].且當甲醛濃度為10.6mg/L，相對濕度為70%時能殺滅朊病毒外所有的微生物及芽孢[15].送風入口處甲醛濃度為9mg/L，通過化學質量分數方程換算成質量分數約為0.00697，入口濕度為75%，通過查焓濕圖換算成水蒸氣的質量分數為0.0167。熏蒸時只關閉新風閥和排風閥，打開送風閥和回風閥，開啟風管中的風機，控制風量和風速使空氣循環。

在制藥和化工方面，動物實驗室是進行毒性實驗、三致實驗、以及藥效藥代實驗的場所，其在生物制品、食品工業和輕工業等方面也發揮著重要作用.動物實驗室啟用前一般要進行甲醛熏蒸殺菌消毒，消毒后落下菌數量應為0~3個/皿.在進行甲醛熏蒸之后，菌落數水平總是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本質在于使病原體蛋白質凝固，蛋白質分子烷基化，從而達到殺菌的目的.其成本低廉、殺菌徹底，是最傳統廣泛的熏蒸氣體.熏蒸滅菌分為密閉式熏蒸和通風系統熏蒸.密閉式熏蒸是將門窗封閉，用高錳酸鉀和福爾馬林溶液按一定比例配置后加熱蒸發.通風系統熏蒸是把甲醛熏蒸滅菌儀器安裝于送風管和排風管之間，需要進行甲醛熏蒸時，將甲醛倒入熏蒸氣體發生器，打開送回風管關閉系統新風和排風，啟動風機，氣體擴散30min后，停止送回風系統.甲醛熏蒸應當在室溫不低于21益且相對濕度為70%的條件下進行。實驗室通風系統中，在進風和排風總管處應安裝氣密型調節閥門，必要時可完全關閉閥門以進行室內化學熏蒸消毒.實驗室的進風應經初、中、高效三級過濾.實驗室的排風必須經高效過濾或加其他方法處理后向空中排放。消毒時不能留死角，且保證消毒藥的濃度和消毒時間.許多學者對生物實驗室的氣流組織進行了模擬，但尚未有對動物實驗室通風熏蒸過程的模擬。對BSL-3主實驗室2種通風方式的氣流運動和氣溶膠顆粒濃度分布與排除進行數值研究。

（一）時間對熏蒸氣體濃度的影響

先用fluent軟件計算實驗室布置一個送風口時，送風風速為0.48m/s，換氣次數為25次/h的室內27益恒溫工況，再用tecplot軟件后處理，得到瞬態模擬結果.從中分別選取了不同時刻的X=0.9截面和Y=2截面上的甲醛氣體濃度分布的等值線云圖進行對比分析如下.可知擴散800s時X平面上氣體濃度在中部氣流中較大，左側角落里濃度偏高，右側濃度較低.Y平面上氣體由送風氣流帶動下向周圍逐漸擴散，濃度從中間向周圍逐漸減小，左上角和右上角的濃度較低.擴散1200s時最小質量分數為0.006966，最低濃度為8.99511mg/L.最小濕度為76.1%.X平面左側和右側的低濃度區域進一步縮小，下側氣體濃度增加.Y平面上氣體最低濃度增大，右側氣體濃度差異減小.隨時間延長，氣體擴散范圍越大，室內最低氣體濃度越高，空間整體氣體濃度越均勻。

（二）換氣次數對氣體濃度和濕度的影響

為比較換氣次數對熏蒸氣體擴散的影響，改變風量和風速，計算了換氣次數為20次/h和/30次/h的工況，分別將入口風速改為0.384m/s、0.576m/s，以原模型先用穩態計算收斂后再用瞬態計算.各取其1200s.結果如下：換氣次數為20次/h的最低氣體濃度為8.9951mg/L，超過了滅菌的閾值，最低濕度為76.1%.換氣次數為30次/h的最低濃度為8.99917mg/L，最低濕度為76.2%.可知當換氣次數增大時，相同時間的氣體濃度分布范圍更大，濃度梯度更小.實驗臺上方角落的氣體濃度越高，越能避免產生熏蒸氣體不足和不充分殺菌消毒的死角.通過模擬10個典型工況對換氣次數的研究發現，當氣體擴散400s達到8mg/L，最低換氣次數為15次/h，而當氣體擴散800s時濃度達到8mg/L，最低換氣次數為7次/h.而當氣體擴散時間大于1200s時換氣次數為5次/h也能達到濃度要求.表示濕度達到67%以上的最低換氣次數.當氣體擴散400s時為14次/h，當氣體擴散800s時最低換氣次數為7次/h.因此換氣次數越小，氣體濃度和濕度達到要求的擴散時間越長。

（三）送風形式對氣體濃度和濕度的影響

將一個送風口改為2個長0.5m，寬0.25m的送風口和4個邊長為0.25m的送風口后模擬了0.48m/s風速的1200s時氣體濃度分布.2個條形送風口的最小濃度為8.98404mg/L，最低濕度為76.1%.布置4個正方形送風口的最小濃度為8.99324mg/L，最低濕度為76.2%，當布置2個矩形送風口時氣體濃度只在房間中央上方部分濃度較低，而在房間靠墻部分的濃度相對較高，比一個送風口對氣體擴散的促進作用更大.在實驗臺上方仍存在濃度較低的區域，不利于對試驗臺快速殺菌消毒.當布置4個正方形送風口時，房間中央的氣體濃度比一個送風口和兩個送風口時高，且實驗臺上方可以直接受到氣流的吹送而減少渦流的影響，濃度迅速上升，對實驗臺面熏蒸的效果最好.房間的頂角部分區域有可能產生氣體最低濃度.3種工況下氣體最低濃度隨時間變化最低濕度隨時間變化.可知氣體擴散相同時間時，2個送風口時氣體最低濃度和濕度最低，4個送風口時氣體最低濃和濕度度居中，一個送風口時氣體最低濃度和濕度最高。

（四）溫度分布對氣體濃度和濕度的影響

為比較不同室內溫度分布對熏蒸氣體擴散時濃度的影響，以0.48m/s時房間溫度恒定27益為基礎，模擬了4個不同溫度分布的工況與之對比，分別是地面為25益，天花板為29益；地面為29益，天花板為25益；地面為22益，天花板為32益；地面為32益，天花板為22益.。可知當地面溫度高，天花板溫度低時，為不穩定性工況，氣體擴散程度劇烈，湍流增強，促進了氣體最低濃度的升高，反之則為穩定性工況.因此溫度梯度隨高度降低有利于氣體擴散.。5種工況下氣體最低濃度隨時間變化。最低濕度隨時間變化.當溫度恒定為27益時濕度變化幅度最小且能達到熏蒸要求濕度60%以上，而當地面溫度為29益，天花板溫度為25益時濕度會降低到60%以下，熏蒸滅菌效果減弱.當房間底部溫度為25益，頂部溫度為29益時的濕度和氣體濃度最低，不利于氣體均勻分布.增大溫差后氣體最低濕度明顯下降.室內溫差10益的最低濕度遠低于室內溫差的最低濕度。

二、動物實驗室通風效果結論

通過對以上多種工況的模擬得到如下結論：

1）隨著時間的延長，氣體擴散范圍更大，濃度分布更均勻，熏蒸的效果更好.熏蒸氣體在實驗臺上方的濃度較低與角落處的渦流有關，角落處的渦流會減弱氣體擴散的速率，抑制熏蒸氣體濃度上升。

2）增大換氣次數使氣體濃度和濕度快速上升，減小墻角處的渦流區域，促進消毒滅菌.熏蒸需要的換氣次數臨界值隨時間延長而減小.氣體擴散400s時達到8mg/L的最低換氣次數為15次/h，而當氣體擴散800s時達到8mg/L的最低換氣次數為7次/h.當氣體擴散400s時使濕度達到67%以上的最低換氣次數為14次/h，當氣體擴散800s時使濕度達到67%以上的最低換氣次數為7次/h。

3）地面溫度高于天花板的溫度使氣體最低濃度增大，最低濕度降低，反之使氣體最低濃度和濕度都降低.即不穩定性工況有利于氣體濃度上升.穩定性工況的氣體湍流受到抑制，濃度擴散速度更慢.室內溫差縮小有利于濕度增大.溫度恒定熏蒸時的濕度最高。

4）改變送風形式，增加送風口并分散布置可促進氣流的快速擴散，減少實驗臺附近的渦流，但不一定會迅速提高室內氣體最低濃度。

最低氣體濃度和濕度最高，4個送風口時最低氣體濃度和濕度居中，2個送風口時最低氣體濃度和濕度最低.通風系統熏蒸比傳統的密閉室內熏蒸的方法更快速便捷，在送風和排風管道之間加入熏蒸氣體發生裝置，避免人員直接接觸消毒藥物以保證操作人員安全，且可以對風管內部殺菌，作用范圍更廣，消毒更徹底.通過模擬通風熏蒸過程，確定合理的消毒時間和熏蒸氣體濃度，改變影響氣體分布的因素，從而使之達到良好的消毒效果。