PCR实验室暖通空调设计要点
发布时间：
2025-08-19 15:06
随着生物技术的迅猛发展与广泛应用，PCR实验室的重要性日益凸显。在PCR实验室中，不仅要防止有害生物因子的泄漏与扩散，还需为实验操作提供适宜且稳定的环境条件，如精确的温度、湿度、压力梯度以及洁净的空气品质。因此，深入研究生物安全实验室暖通空调系统设计，对推动生物科学研究的安全有序开展、保障生态环境与公众健康具有极为重要的意义。因此本文对PCR实验室暖通空调系统的几个设计要点进行探讨，以供相关从业人员参考。
PCR生物安全实验室是从事病原微生物研究和检测的重要场所，其内部环境的稳定性和安全性对于保障实验人员的健康以及实验结果的可靠性具有至关重要的意义。暖通空调系统作为维持实验室环境条件的核心设施，不仅要提供舒适的工作环境，更要有效控制病原体的传播和交叉污染。
一、生物安全实验室暖通空调系统设计的要求
PCR实验室基本为BSL-2或BSL-2+（增强型实验室）等级的实验室，根据规范要求：温度：18-27℃，湿度：30-70%，噪声≤60dB（A），洁净度可为8级或者7级，亦可不做洁净设计，无硬性要求。压差以及洁净度根据工艺需求确定，一般试剂准备室为正压，其它实验室均为负压环境：按照工艺实验流程顺序压力递减。
下表为参考：
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类型 |
PCR实验室 |
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名称压差 |
一区 |
二区 |
三区 |
四区 |
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缓冲+5Pa |
缓冲-5Pa |
缓冲-5Pa |
缓冲-5Pa |
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试剂准备+10Pa |
样本制备 -10Pa |
产物扩增 -20Pa |
产物分析 -30Pa |
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说明 |
工作流向-------→ |
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注：压差值为相对室外大气压压差值。
PCR实验室暖通空调系统设计遵循三大原则：安全性原则：气流组织合理，各功能区压差梯度稳定，防止生物因子泄漏与污染空气扩散；功能性原则：符合实验室内温湿度、洁净度要求；科学性原则：依据规范要求，设计合理符合相关规范，为基因扩增实验顺利进行保驾护航。
二、生物安全实验室暖通空调系统的设计要点
（一）换气次数与送、排风量设计
PCR实验室需采用全新风空调机组，集中送风，各功能区单独排风，以防止交叉污染。
送风量根据以下几项计算值中取大值：
洁净风量：洁净度要求为7级（万级）时，换气次数需满足15-25次/h，8级（十万级）时，换气次数需满足10-15次/h。一般条件允许时取上限值。
负荷风量：根据室内热负荷计算，主要包括围护结构、设备、人员等散热量，其中设备、人员等需要工艺进行提资。设计人员根据总热负荷、温湿度等指标进行风量计算。
当确定了送风量后，可根据压差风量计算排风量。
压差风量按照换气次数法进行计算，一般可按照每5Pa压差取1-2次/h换气次数（可取1.5次/h），也可采用缝隙法。房间送风量需要满足去除室内热湿负荷和洁净度的要求，两者取大值，再根据压差计算出相应的排风量。如某个房间负荷风量是1500m³/h，洁净风量是2000m³/h，通过压差计算出压差风量为300m³/h，则室内送风量应为负荷风量和洁净风量的较大值2000m³/h，当室内为正压时，排风量应为1700 m³/h；当室内为负压时，排风量应为2300m³/h。
（二）可靠的压力控制
不同区域应根据风险等级设置不同的压力值，清洁区压力最高，污染区压力最低，相邻区域之间保持一定的压差，具体可依据压力参考表。压力控制可通过自动控制系统实现，该系统实时监测各区域压力，并通过定量送风、变量排风来维持稳定的压差，同时设置压力报警装置。
实验室开启时，正压实验室先开启送风机，再开启排风机。负压实验室先开启排风机，再开启送风机。实验室关闭时，正压实验室先关闭排风机，再关闭送风机。负压实验室，先关闭送风机，再关闭排风机。
（三）温湿度的精准调控
PCR实验室的温度一般应控制在18-27℃之间，湿度在30%-70%之间，可按照Ⅰ级舒适度标准设计。空调应配备自控系统，根据实验室内部的温湿度变化自动调节送风点的温湿度参数。样本制备间为BSL-2+时，由于工作人员穿着双层防护服，体感较热，因此该功能区送风量应酌情放大。由于空调为全新风空调系统，室外气象参数应按照极端天气计算冷热负荷，以保证极端天气时室内温湿度稳定。
冷热源可采用风冷热泵冷热水机组或直接蒸发式空调机组，一般要求独立设计，全年开启，根据实验室规模和负荷需求选择合适的制冷量。加热系统可采用电加热或热水加热方式，确保在冬季或低温环境下能有效提升室内温度。全新风空调机组需考虑冬季防冻，可在新风口设置电预热，由于电预热耗能高，也可通过自控控制先通热水预热盘管，再启动风机送风。加湿可通过蒸汽加湿方式实现，除湿则利用盘管冷却除湿。
（四）高效空气过滤系统
空气过滤是生物安全实验室暖通空调系统的关键环节，必须配备合适等级的过滤器来去除空气中的生物气溶胶、尘埃等污染物。
对于送风，通常采用初效、中效和高效过滤器组合（无洁净度要求时不需要），初效过滤器过滤较大颗粒杂质，一般设置在新风口处。中效过滤器进一步拦截中等粒径的污染物，为节省空间以及保护表冷器，一般与初效过滤器合并设置。高效过滤器则对微小生物粒子（如细菌、病毒等）具有极高的过滤效率，应设置在末端。
在排风系统中，增强型BSL-2+以及更高等级实验室中，同样要设置高效过滤器，防止生物污染物质排放到外界环境，一般设置在室内排风口处。排气高效过滤器应采用原位消毒和原位检漏装置，在更换过滤器前先进行消毒处理，避免过滤器拆卸过程中的生物泄漏风险，同时通过检漏装置确保过滤器的完整性，保证过滤效果。在PCR实验室中，进行新冠病毒检测的样本制备室需要高效过滤器排风，其它则需要根据实验风险等级设置。
（五）合理的气流组织设计
PCR实验室需要根据功能分区和风险等级确定气流方向，一般采用定向气流，即一侧顶端送风、另一侧侧下排风，送风口一般布置在进门侧，排风口以及通风设备如生物安全柜等布置在远离门口的另一侧，即气流从洁净区流向污染区。送风口应分布合理，使洁净空气均匀覆盖工作区域，避免出现气流死角，在生物安全柜操作面或其他有气溶胶产生地点的上方附近不应设置送风口（GB50346第5.4.4条）。排风口则要设置在污染风险较高区域，且风速不宜大于1m/s，风口下边缘距离地面10-15cm。排风可同层排放，也可高空排放。
三、生物安全实验室暖通空调系统设计中存在的问题
（一）气流组织不合理问题
在实际设计中，部分送风口与排风口布局缺乏合理规划，导致气流无法有效覆盖操作面，使有害气溶胶逸出风险增加，污染室内空气。
（二）系统稳定性与可靠性不足问题
PCR实验室对暖通空调系统稳定性要求极高，但实际设计中常存在漏洞。空调设备的选型未充分考虑极端工况与长时间运行的耐久性。实验室一旦发生生物泄漏等紧急情况，需要暖通空调系统持续稳定运行以维持负压环境并过滤污染空气。若设备无法承受长时间高负荷运转，就出现故障停机，导致污染扩散。这在涉及高致病性微生物研究的实验室中是极为危险的情况，引发不可控的生物安全事故。
总之，PCR实验室暖通空调系统设计是一项复杂且极具挑战性的任务，需综合考虑多方面因素。只有遵循科学合理的设计原则，充分运用先进的技术与设备，才能构建出安全可靠、高效稳定的暖通空调系统。这不仅能为PCR实验室营造一个符合要求的内部环境，有效遏制生物危害的传播与扩散，也为生物科学研究在安全保障下的持续进步奠定坚实基础，助力人类在生物领域的探索与创新不断迈向新的高度。
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