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实验动物房技术手册(第二章 实验动物设施独特的通风要求)2
2020-08-03 11:42 来源:

第二章 实验动物设施独特的通风要求


  以下是对每个要点的讨论:  

1、送风温度的波动对啮齿类动物的影响;

即使拥有优良的建筑物管理系统,温、湿度控制还是接近或者已经成为实验动物设施一系列问题中的首要问题。特别是对于集气管系统尤其如此,这种系统中,多个区域由一个公共的空气分配控制系统通风。将空气用风道直接通入动物笼的方法失去了大环境对温度波动所起的巨大的缓冲作用。注意:啮齿类动物饲养室的再热阀的失效保护位置必须是关闭位置,这是因为啮齿类动物能够更加易于适应 13℃的送风,但是不能长时间承受接近或超过 32℃的温度。我们可以想象,这些设施中,研究工作受到干扰、动物发生死亡事故后的花费是非常大的,这还不仅是一个财务上的问题,也是一个与时间和生物医学科学领域内正在进行的研究工作的进展有关的问题。


2、附加的(或冗余的)用于动物笼的环境控制回路的费用;

“实验动物管理与使用指南”讨论了在关键性区域采用冗余的 HVAC 系统的重要性。如果一个动物实验室主管将动物设施中关键性区域编排出一个环境控制表,啮齿类动物将接近或处于这个表的第一行。为双送风系统提供冗余的费用很高,并且,它可能不能在已经很紧凑的饲养室里空间里为啮齿类动物配备基本设施,因为,它要有双再热盘管和阀门、双加湿器和带双传感器的双温控回路。使用房间送风机将房间空气通过高效过滤器送入动物笼非常简单并且较为便宜。


3、用于动物笼环境的环境控制回路的感测和控制问题;

这是笼架环境控制问题特别复杂之处。如前所述,现在大多数的通风笼架都为动物笼提供清洁的、经过处理的空气,并且还额外抽取房间空气使其流过笼架以形成相对房间的负压区。笼架设计不同、生产厂家不同,从房间抽取的空气量是不同的,一般是动物笼空气流量的 50%~200%。

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图 2-14:一类通风动物笼的气流型式实例(通风动物笼的气流型式为动物维持健康、稳定的环境)


根据这种情况,在双送风系统中,在哪里感测空气温度来控制到动物笼的送风温度?笼架上一般有 60~140 个笼子,每一个都可能是空的,也都可能饲养了 5 只老鼠。为了实现温度控制,在饲养着动物的笼子中感测温度困难且费用高,不仅如此,还很复杂,并且现在也并不易于实现和负担得起。同时,仅使用一个动物笼检测温度和相对湿度实际并不代表所有由送风控制的动物笼的总体情况。采用房间送风机经由高效过滤器从房间向笼内抽取空气,这种方法要简单得多,而且较为稳定。它依赖于房间温度被控制在设定值,并且要比动物笼进风温度的期望值低 1~2℃。大多数在此环境下工作的员工都会感到舒适。


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图 2-15:双送风系统。感测和控制动物笼温度并不像看起来那么简单。

笼架排风是混合气流,动物笼的空气常常低于 50%,这使得温度控制及报警复杂化。


4、对温度低限或高限正确感测报警的能力;

即使笼架排风是混合风而且其中大多数是房间空气,现在大多数考虑采用双送风系统或者使用双送风系统的工程师还是都采用在笼架排风管道上感测温度的方法。这种传感器安装位置的主要问题在于难于准确监控动物的环境。更明确地说,采用双送风系统的最大问题是不能尽早感测到动物笼温度超高。超高的动物笼温度一定要避免并且及时警示,因为相比低温度,高温度会更快地杀死动物。系统必须正确处理这种情况。

可以在进入房间位置附近的送风管上单独采用一个温度传感器,用来感测温度超高以及时报警并关闭再热阀,这是一种很好的安全措施。注意:采用双送风系统,再热阀的失效保护位置应为关闭,而非打开。

我们设想这样一种使用双送风系统的程序:某个工作人员正在搬运 450 公斤的笼架,他想要房间凉快。基于笼架排出空气的温度设定,房间温度被命令控制到 20℃而动物笼的温度被命令控制到 24℃。设置在排风风管上的温度传感器很快感测到大约有 21℃,因此,打开再热阀以提高动物笼送风温度。即使在送风道上有一个传感器用来警示危险状态,产生破坏后果的情况还是可能出现。应用房间送风机法使用处理过的房间空气实际上会消除过热现象,这是因为,与检测混合风温度的笼架排风传感器相比,房间报警更可靠而且是一种更好的早期报警系统。房间是控制回路中温度波动的大缓冲器。当采用双送风系统法将空气直接送入动物笼时,这个重要的缓冲器将不复存在。


5、高效过滤器与动物的距离;

高效过滤器应该设置在与被保护的区域或者生物体尽可能接近的地方。这样,这个地方就是啮齿类动物笼。

虽然动物笼有一个细网孔的过滤器用来保护动物,但是对于现在销售的大多数笼架,送风路径都未经过这一薄膜。因此动物笼的顶部过滤器都不能成为不在动物笼上游使用高效过滤器的理由。

如果采用了双送风系统法,空气处理机中的高效过滤器常常会距离动物饲养室数百英尺,送风被污染的可能性太大。

带高效过滤器的房间送风机法一直都会清除与动物较近的空气中的污物,这种方法简化了这个问题并且保持了房间和动物笼中的低微粒数。


6、要克服来自于中央空调系统中区域高效过滤器的附加净压。

建筑物空气系统中,阻塞的高效过滤器会有超过 250Pa 的压损。用来克服这一限制的额外功率和系统需求会导致过高的初投资和运行费用。这会对总的空气处理机、风机、风道系统和其它系统部件产生影响,并且还可能产生很大的噪声问题或其补救费用。

与方案 1、2、3 相比,房间送风机减少了每个或者每套房间送风机和过滤器的数量,但是处理这个问题更加有效。要做预防性维护(定期更换前级过滤器),并且要有压差报警以发现阻塞过滤器。


低流量笼架或一个阀门用于多笼架

这一节我们将描述风量小于 30CFM(50 立方米每小时)时的笼架流量控制,以及因空间所限要求多个笼架使用一个阀门时的流量控制。

由最主要的三家生产商-Allenton、Lab Products 和 Thoren 提供的 96~144只笼子的笼架(最普通的容量)的送风量为 30~60CFM(每小时 40 次~70 次换气),具体取决于生产商及设计空气通风率。当前在设计中的很多工程都设计使用单侧架(只有一面有动物笼),其中一部分每架送风需要量低于 30CFM。这些笼架都超出了 Phoenix 笼架阀的流量控制范围,需要不同的流量控制策略,一般的,要采用一个阀控制多个笼架的方法,如图 2-17 所示,也可采用本章中较早讨论的方案2、3 解决。这些笼架排风侧的笼架阀的控制气流还会足够高以控制每个笼架,这样稳定性和灵活性都会改善。

当设计考虑到空间问题而使用一个阀对多个笼架时,笼架制造商会提供一种安装在接到笼架上的软接头上的装置,被称为负载模拟器。如图 2-16 所示。这种装置一般带有卡环,连到为每个笼架提供的软接头上。当笼架从建筑集气管风道上摘除时,负载模拟器对风道系统产生静态负载,负载大小与笼架连接时产生的负载量相同。

每个通风笼架都使用文丘里笼架阀控制的系统不再需要负载模拟器,因为Phoenix 阀门可自动补偿压力的变化。

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图 2-16:负载模拟器      当笼架从建筑物风道摘除时,负载模拟器产生与风道连接时相同的静态负载。1596425423120335.png

图 2-17:集气管系统,多个笼架采用一个控制阀

在装卸笼架后,这种设计方案需要在每个笼架接管处附加平衡和负载模拟元件


这种方式的最大缺点是:这种方法的最大问题是在系统启动时需要平衡,而在有人要调整手动分支风阀的时候,系统要重新平衡。平衡时需要平衡人员技术熟练且耐心,这是因为手动风阀是用来控制笼架风量的,每个笼架风量低达 10CFM(17m3 /hr),这相当于直径 100mm 的风道面风速为 0.06m/s。精确感测这样的流量可能是一种挑战。对它进行控制则是另外一个麻烦。

优点:

1. 初投资较低。

缺点:

1。 启动困难;

2。 一直存在平衡问题;

3. 风量调整的不正确的可能性较高;

4。 一个笼架调整会影响集气管上的其它笼架,可能要重新平衡全部笼架。


笼架阀门的安装

笼架阀门可安装在不同的位置:

1、 间隙空间内;

2、 通风笼架上;

3、 饲养室内的架子上;

将其安装在走廊天花板上的空间内是最理想的,这样便于使用,简化饲养室清洁。

实验动物设施的两个目标是:

·将尽可能更多设备设置在饲养室外;

·尽可能减少屋顶和墙壁的穿孔,因为饲养室中的裂缝、穿孔等很容易成为细菌、病毒和其它危险健康、研究的物质的滋生地。欲了解其它安装细节,参考第 5 章 74-75 页笼架阀介绍中有关笼架阀安装部分。


动物房间的气流控制

本节将回顾对建立安全、稳定、可靠的动物实验室至关重要的气流控制要点。从历史上看,为了维持适合的控制目标,动物实验室空间需要超乎寻常的服务。平衡与重新平衡常常是一直需要完成的任务。为了克服这些问题并更好地实现目标,几个重要的控制要点一定要予以说明。

“对通风系统应进行特殊考虑…机械系统和设备的选择标准应建立在可靠性、操作的完整性、设计的使用期和维护简易性的基础上。”实验动物管理使用中的职业健康与安全( ILAR,  第 107 ~ 108 页)

可靠的、精确的气流控制装置


这些设施中研究的深度和生命安全性的问题要求可靠的气流控制部件,这不同于商业办公室建筑。为了保证温度和压力,对气流的准确控制至关重要。

控制部件必须:

· 在充满动物毛发皮屑的气流中保持准确度;

· 在没有长的直风管的情况下准确操作;

· 电源故障期间不间断控制;

· 要求最少的或非预防性的维护;

· 在不需重新平衡或重新校准的情况下提供稳定性。依赖于皮托管、孔板或其它流量测量设备的流量控制很少或完全不具备上述特点。因此商业级的测量设备不适用于动物试验设施。


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图 2-18  变脏的流量探头动物设施,特别是排风侧,会产生大量的灰尘、毛屑和其它通过空气传播的微粒。变脏的流量探头会影响房间换气次数,压力和温度控制。

已经证明,在动物设施中使用传统的叶片风阀或流量测量装置不太理想,这是因为这些装置:

· 缺乏严密控制的房间所需要的精度和重复性;

· 需要定期重新校准;

· 需要对流量探头定期清洗;

· 需要比通常需要的长度更长的直管段;

· 需要昂贵的应急电源;

· 可能需要定期自动调零(会引起房间暂时失控)。

Phoenix 文丘里阀 Accel II 是一种可靠、准确的流量控制设备,解决了以上问题。


拥挤空间中的安装

因为动物房间必须要尽最大可能不安排机械设备,所以大多数环境控制设备都放置在间隙空间内(一般情况下该空间在天花板之上),这些设备包括:

· 机械风道系统

· 电线及管线

· 照明器材

· 机械系统管线

· 卫生工程管道

· 喷淋管线

· 通讯设备及敷线

· 建筑构件

· 悬挂天花板的支撑件

· 其它杂类设备

image.png拥挤空间中安装


所有这些设备、风道、管道和电线都拥挤于间隙空间内,它使得为末端风量控制箱提供其所需的上游与下游直管段非常难于实现或无法实现,而这一点对控制箱根据生产厂家提供的样本上的数据进行运行是十分关键的。这就是为什么那些典型气流测量设备,诸如皮托管、孔板、热的或其它定点传感器不适合这些应用场合的另一原因。

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图 2-19 安装要求

传统的流量测量设备〖A〗需要层流 — 在测量设备的上游或下游增加数倍管径长度的直管段。那些无这些限制因素的气流控制设备〖B〗适合紧密的安装空间的需要。


压力无关控制

并非所有制造的压力无关设备都是等同的。这是一个关键问题,因为房间压力控制也许只需要房间送风量与排风量之间有很小的差异,可能要小于 30CFM。正如前面所讨论的, 要求用来保持理想压力量值的风量很大程度上取决于房间的建筑密闭性。末端风量控制箱所提供的控制在系统静压变化时常常不能足够准确、快速地保持房间压力。

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图 2-20 设定点控制稳定性

相比文丘里阀,流量和压力测量设备需要更多的时间重新控制到设定值。

虽然指南明确指出动物房间需要一个专用通风系统,但比较老的研究机构中的改造区域会转换成动物空间并且与建筑内其它实验室使用同一排风机和风道系统。在这些状况下,因为整个系统的风道压力的变化,要平衡每个分支风道可能会有问题。高性能的压力无关文丘里阀门解决了这一问题。

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所有这些问题在采用高性能压力无关控制后都会被大大减少或彻底消除

快速响应的压力无关设备,如 Phoenix 控制公司的文丘里阀,解决了这些平衡问题,因为稳定气流装置对管道内静压几乎是即刻作出反应。其它技术, 如扩大管道以减少风道上的静压损失,也能有助于减少这些振荡问题。然而,这些改变可能是昂贵的,难以实施,而且当高速控制系统易于获得时,这是完全不必要的。


系统灵活性

NIH 的策略与指南指出:“HVAC 系统必须能够为动物维持安全舒适的环境,必须有适应性,并且能够维持设施中预期饲养任何物种的任何饲养房间的环境状况”(D-15 页)。换言之,在动物实验室中,HVAC 系统必须有适应性。

当设施中的动物从一个物种变化到另一个时,许多房间都可能受影响。包括饲养室、操作间、储藏室,动物笼清洗及其它。需要适应这些变化的气流可能会变化显著,这就需要流量控制装置具有很大的可调比(最大﹕最小)和更加精确的控制。正如本章前面讨论过的,传统的叶片风阀或流量测量设备在对其流量范围的灵活性及其重复性有高要求时,不能令人满意。高性能的压力无关文丘里阀提供了最大的适应性。

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备用和应急电源操作

实验动物房必须昼夜不停保持持续稳定状态,即使是在电力中断或需要维修时。这就需要使用 HVAC 系统关键部件的冗余。系统必须能够维持环境温度,相对湿度及其它影响动物环境稳定性的参数。排风机、送风空调机、锅炉、泵和控制装置都是需要冗余的系统部件,并且这些部件失电时都需要有应急电源。

图 2-21 失效保护操作,在失电期间房内气流控制操作必须要用应急电源〔A〕或失效保护到一个固定流量(B)

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图 2―22 应急操作系统必须设计成在紧急状况下降低风量运行。一般备用风机部分使用应急电源。控制必须减少流量,或者使用应急电源。送风侧系统也必需与此相似。

HVAC  冗余

动 物 实 验 室 应 设 计 为 在HVAC 系统部分失效时降低标准运

行(ILAR P76 )。按照气流设计,送风和排风系统需要在失电情况下启用应急电源。因为整个系统冗余几乎是不可行的,系统设计普遍采用的方法是设计多风机,每个风机承担部分负荷。在失电或不能工作情况下,一台送风和排风系统的风机可通过应急电源来工作提供部分空气流量(如:66%)。房间级的控制还必须考虑应急电源。房间的气流末端装置一定要使用应急电源维持流量控制和压力无关,或者必须以机械方式失效保护到低设定值。在图 2-12 和2-13 中,Phoenix 控制双稳态气流阀在失电时自动减少流量-这样可显著地节约应急电源负荷,因为并不需要正常功能下的电量。


NIH 设计策略和指南(p。 D-24)要求通风系统在失电期间降低流量运行,并且进一步指出带通风的动物笼必须要连到应急电源。被减少的流量分配在理想的状况下使不太重要的区域(储藏室或某些操作室)接受少量或不接受流量,这样那些必需的地区(特别是动物饲养室)就不受影响。在笼架与建筑排风系统相连的应用中,把支架连到建筑系统排风控制装置必需在应急电源方式下可操作。对于这样的应用,Phoenix 控制阀是理想的,因为它不需要电源或者压缩空气就可以维持预先设定的正确的低流量。


Phoenix 控制阀具有内置失效保护的特点

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Phoenix 气流控制阀自动平衡、自动失效保护,对所有房间气流控制设备都不需要应急电源。


待续......




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