动物实验室通风熏蒸过程的模拟研究

动物实验室在启用前需要进行熏蒸彻底灭菌消毒以保证室内洁净.通风系统熏蒸是在送风管与排风管之间加入熏蒸气体发生设备，通过室内空气循环来促进熏蒸气体扩散.为了研究通风系统熏蒸过程气体浓度分布的影响因素，用icem建模以及fluent软件对该过程的不同的时间、换气次数、送风形式及温度分布状态下多工况的气流组织进行瞬态模拟，预测并分析熏蒸气体浓度和湿度的分布规律.得出使熏蒸气体快速达到灭菌程度的最小换气次数随时间延长而减小，改变送风形式可以减少实验台附近的涡流，室内温度随高度降低有利于熏蒸气体快速扩散的结论，以便对熏蒸灭菌进行更有效的控制，对于指导动物实验的安全进行有重要意义。

在制药和化工方面，动物实验室是进行毒性实验、三致实验、以及药效药代实验的场所，其在生物制品、食品工业和轻工业等方面也发挥着重要作用.动物实验室启用前一般要进行甲醛熏蒸杀菌消毒，消毒后落下菌数量应为0~3个/皿.在进行甲醛熏蒸之后，菌落数水平总是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本质在于使病原体蛋白质凝固，蛋白质分子烷基化，从而达到杀菌的目的.其成本低廉、杀菌彻底，是最传统广泛的熏蒸气体.熏蒸灭菌分为密闭式熏蒸和通风系统熏蒸.密闭式熏蒸是将门窗封闭，用高锰酸钾和福尔马林溶液按一定比例配置后加热蒸发.通风系统熏蒸是把甲醛熏蒸灭菌仪器安装于送风管和排风管之间，需要进行甲醛熏蒸时，将甲醛倒入熏蒸气体发生器，打开送回风管关闭系统新风和排风，启动风机，气体扩散30min后，停止送回风系统.甲醛熏蒸应当在室温不低于21益且相对湿度为70%的条件下进行。

实验室通风系统中，在进风和排风总管处应安装气密型调节阀门，必要时可完全关闭阀门以进行室内化学熏蒸消毒.实验室的进风应经初、中、高效三级过滤.实验室的排风必须经高效过滤或加其他方法处理后向空中排放。消毒时不能留死角，且保证消毒药的浓度和消毒时间.许多学者对生物实验室的气流组织进行了模拟，但尚未有对动物实验室通风熏蒸过程的模拟.耿文清等。对BSL-3主实验室2种通风方式的气流运动和气溶胶颗粒浓度分布与排除进行数值研究。利用CFD技术研究了生物安全实验室两种不同气流组织下室内流场的分布.许钟麟等。认为用于生物安全实验室的气流组织中上送下回能把污染物迅速排出.李江龙等。对三级生物安全实验室两种排风方式进行了研究.宋黎等。对实验室内的气流和生物颗粒物的扩散运动进行了模拟.高立江等。利用AIRPAK2.1对生物安全实验室的细菌、灰尘浓度场进行了模拟.李在秋等。研究洁净室环境中空气速度场和温度场对洁净室功效的影响.蒋新波等。对实验动物笼架摆放几种方式下的气流组织进行了模拟。分析了密闭熏蒸消毒、通风大系统消毒2种消毒模式的原理和优缺点.本文用CFD方法模拟研究了动物实验室通风熏蒸过程不同工况下气体浓度的瞬态分布规律及其影响因素。

一、动物实验室通风研究说明

研究对象以湖南省长沙某动物实验室为模型进行模拟研究.实验室长4m，宽1.8m，高2.4m.室内有一个靠墙的实验台，长3m，宽0.6m，高0.85m.房间顶部中间为一个边长0.5m的正方形送风口，4个墙角设置长0.3m，宽0.2m的排风口.熏蒸过程中实验室为空态，无动物、人员、内热源.换气次数为25次/h，循环风量为432m3/h，送风温度为27益，送风风速为0.48m/s.当甲醛浓度为8~16mg/L，相对湿度为70%~75%时熏蒸的消毒杀菌效果良好[13].当室内的湿度大于65%，温度为24~40益时，熏蒸的杀菌消毒效果最好[14].且当甲醛浓度为10.6mg/L，相对湿度为70%时能杀灭朊病毒外所有的微生物及芽孢[15].送风入口处甲醛浓度为9mg/L，通过化学质量分数方程换算成质量分数约为0.00697，入口湿度为75%，通过查焓湿图换算成水蒸气的质量分数为0.0167。熏蒸时只关闭新风阀和排风阀，打开送风阀和回风阀，开启风管中的风机，控制风量和风速使空气循环。

在制药和化工方面，动物实验室是进行毒性实验、三致实验、以及药效药代实验的场所，其在生物制品、食品工业和轻工业等方面也发挥着重要作用.动物实验室启用前一般要进行甲醛熏蒸杀菌消毒，消毒后落下菌数量应为0~3个/皿.在进行甲醛熏蒸之后，菌落数水平总是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本质在于使病原体蛋白质凝固，蛋白质分子烷基化，从而达到杀菌的目的.其成本低廉、杀菌彻底，是最传统广泛的熏蒸气体.熏蒸灭菌分为密闭式熏蒸和通风系统熏蒸.密闭式熏蒸是将门窗封闭，用高锰酸钾和福尔马林溶液按一定比例配置后加热蒸发.通风系统熏蒸是把甲醛熏蒸灭菌仪器安装于送风管和排风管之间，需要进行甲醛熏蒸时，将甲醛倒入熏蒸气体发生器，打开送回风管关闭系统新风和排风，启动风机，气体扩散30min后，停止送回风系统.甲醛熏蒸应当在室温不低于21益且相对湿度为70%的条件下进行。实验室通风系统中，在进风和排风总管处应安装气密型调节阀门，必要时可完全关闭阀门以进行室内化学熏蒸消毒.实验室的进风应经初、中、高效三级过滤.实验室的排风必须经高效过滤或加其他方法处理后向空中排放。消毒时不能留死角，且保证消毒药的浓度和消毒时间.许多学者对生物实验室的气流组织进行了模拟，但尚未有对动物实验室通风熏蒸过程的模拟。对BSL-3主实验室2种通风方式的气流运动和气溶胶颗粒浓度分布与排除进行数值研究。

（一）时间对熏蒸气体浓度的影响

先用fluent软件计算实验室布置一个送风口时，送风风速为0.48m/s，换气次数为25次/h的室内27益恒温工况，再用tecplot软件后处理，得到瞬态模拟结果.从中分别选取了不同时刻的X=0.9截面和Y=2截面上的甲醛气体浓度分布的等值线云图进行对比分析如下.可知扩散800s时X平面上气体浓度在中部气流中较大，左侧角落里浓度偏高，右侧浓度较低.Y平面上气体由送风气流带动下向周围逐渐扩散，浓度从中间向周围逐渐减小，左上角和右上角的浓度较低.扩散1200s时最小质量分数为0.006966，最低浓度为8.99511mg/L.最小湿度为76.1%.X平面左侧和右侧的低浓度区域进一步缩小，下侧气体浓度增加.Y平面上气体最低浓度增大，右侧气体浓度差异减小.随时间延长，气体扩散范围越大，室内最低气体浓度越高，空间整体气体浓度越均匀。

（二）换气次数对气体浓度和湿度的影响

为比较换气次数对熏蒸气体扩散的影响，改变风量和风速，计算了换气次数为20次/h和/30次/h的工况，分别将入口风速改为0.384m/s、0.576m/s，以原模型先用稳态计算收敛后再用瞬态计算.各取其1200s.结果如下：换气次数为20次/h的最低气体浓度为8.9951mg/L，超过了灭菌的阈值，最低湿度为76.1%.换气次数为30次/h的最低浓度为8.99917mg/L，最低湿度为76.2%.可知当换气次数增大时，相同时间的气体浓度分布范围更大，浓度梯度更小.实验台上方角落的气体浓度越高，越能避免产生熏蒸气体不足和不充分杀菌消毒的死角.通过模拟10个典型工况对换气次数的研究发现，当气体扩散400s达到8mg/L，最低换气次数为15次/h，而当气体扩散800s时浓度达到8mg/L，最低换气次数为7次/h.而当气体扩散时间大于1200s时换气次数为5次/h也能达到浓度要求.表示湿度达到67%以上的最低换气次数.当气体扩散400s时为14次/h，当气体扩散800s时最低换气次数为7次/h.因此换气次数越小，气体浓度和湿度达到要求的扩散时间越长。

（三）送风形式对气体浓度和湿度的影响

将一个送风口改为2个长0.5m，宽0.25m的送风口和4个边长为0.25m的送风口后模拟了0.48m/s风速的1200s时气体浓度分布.2个条形送风口的最小浓度为8.98404mg/L，最低湿度为76.1%.布置4个正方形送风口的最小浓度为8.99324mg/L，最低湿度为76.2%，当布置2个矩形送风口时气体浓度只在房间中央上方部分浓度较低，而在房间靠墙部分的浓度相对较高，比一个送风口对气体扩散的促进作用更大.在实验台上方仍存在浓度较低的区域，不利于对试验台快速杀菌消毒.当布置4个正方形送风口时，房间中央的气体浓度比一个送风口和两个送风口时高，且实验台上方可以直接受到气流的吹送而减少涡流的影响，浓度迅速上升，对实验台面熏蒸的效果最好.房间的顶角部分区域有可能产生气体最低浓度.3种工况下气体最低浓度随时间变化最低湿度随时间变化.可知气体扩散相同时间时，2个送风口时气体最低浓度和湿度最低，4个送风口时气体最低浓和湿度度居中，一个送风口时气体最低浓度和湿度最高。

（四）温度分布对气体浓度和湿度的影响

为比较不同室内温度分布对熏蒸气体扩散时浓度的影响，以0.48m/s时房间温度恒定27益为基础，模拟了4个不同温度分布的工况与之对比，分别是地面为25益，天花板为29益；地面为29益，天花板为25益；地面为22益，天花板为32益；地面为32益，天花板为22益.。可知当地面温度高，天花板温度低时，为不稳定性工况，气体扩散程度剧烈，湍流增强，促进了气体最低浓度的升高，反之则为稳定性工况.因此温度梯度随高度降低有利于气体扩散.。5种工况下气体最低浓度随时间变化。最低湿度随时间变化.当温度恒定为27益时湿度变化幅度最小且能达到熏蒸要求湿度60%以上，而当地面温度为29益，天花板温度为25益时湿度会降低到60%以下，熏蒸灭菌效果减弱.当房间底部温度为25益，顶部温度为29益时的湿度和气体浓度最低，不利于气体均匀分布.增大温差后气体最低湿度明显下降.室内温差10益的最低湿度远低于室内温差的最低湿度。

二、动物实验室通风效果结论

通过对以上多种工况的模拟得到如下结论：

1）随着时间的延长，气体扩散范围更大，浓度分布更均匀，熏蒸的效果更好.熏蒸气体在实验台上方的浓度较低与角落处的涡流有关，角落处的涡流会减弱气体扩散的速率，抑制熏蒸气体浓度上升。

2）增大换气次数使气体浓度和湿度快速上升，减小墙角处的涡流区域，促进消毒灭菌.熏蒸需要的换气次数临界值随时间延长而减小.气体扩散400s时达到8mg/L的最低换气次数为15次/h，而当气体扩散800s时达到8mg/L的最低换气次数为7次/h.当气体扩散400s时使湿度达到67%以上的最低换气次数为14次/h，当气体扩散800s时使湿度达到67%以上的最低换气次数为7次/h。

3）地面温度高于天花板的温度使气体最低浓度增大，最低湿度降低，反之使气体最低浓度和湿度都降低.即不稳定性工况有利于气体浓度上升.稳定性工况的气体湍流受到抑制，浓度扩散速度更慢.室内温差缩小有利于湿度增大.温度恒定熏蒸时的湿度最高。

4）改变送风形式，增加送风口并分散布置可促进气流的快速扩散，减少实验台附近的涡流，但不一定会迅速提高室内气体最低浓度。

最低气体浓度和湿度最高，4个送风口时最低气体浓度和湿度居中，2个送风口时最低气体浓度和湿度最低.通风系统熏蒸比传统的密闭室内熏蒸的方法更快速便捷，在送风和排风管道之间加入熏蒸气体发生装置，避免人员直接接触消毒药物以保证操作人员安全，且可以对风管内部杀菌，作用范围更广，消毒更彻底.通过模拟通风熏蒸过程，确定合理的消毒时间和熏蒸气体浓度，改变影响气体分布的因素，从而使之达到良好的消毒效果。