第二章 實驗動物設施獨特的通風要求

  以下是對每個要點的討論：  

1、送風溫度的波動對嚙齒類動物的影響；

即使擁有優良的建筑物管理系統，溫、濕度控制還是接近或者已經成為實驗動物設施一系列問題中的首要問題。特別是對于集氣管系統尤其如此，這種系統中，多個區域由一個公共的空氣分配控制系統通風。將空氣用風道直接通入動物籠的方法失去了大環境對溫度波動所起的巨大的緩沖作用。注意：嚙齒類動物飼養室的再熱閥的失效保護位置必須是關閉位置，這是因為嚙齒類動物能夠更加易于適應 13℃的送風，但是不能長時間承受接近或超過 32℃的溫度。我們可以想象，這些設施中，研究工作受到干擾、動物發生死亡事故后的花費是非常大的，這還不僅是一個財務上的問題，也是一個與時間和生物醫學科學領域內正在進行的研究工作的進展有關的問題。

2、附加的（或冗余的）用于動物籠的環境控制回路的費用；

“實驗動物管理與使用指南”討論了在關鍵性區域采用冗余的 HVAC 系統的重要性。如果一個動物實驗室主管將動物設施中關鍵性區域編排出一個環境控制表，嚙齒類動物將接近或處于這個表的第一行。為雙送風系統提供冗余的費用很高，并且，它可能不能在已經很緊湊的飼養室里空間里為嚙齒類動物配備基本設施，因為，它要有雙再熱盤管和閥門、雙加濕器和帶雙傳感器的雙溫控回路。使用房間送風機將房間空氣通過高效過濾器送入動物籠非常簡單并且較為便宜。

3、用于動物籠環境的環境控制回路的感測和控制問題；

這是籠架環境控制問題特別復雜之處。如前所述，現在大多數的通風籠架都為動物籠提供清潔的、經過處理的空氣，并且還額外抽取房間空氣使其流過籠架以形成相對房間的負壓區?；\架設計不同、生產廠家不同，從房間抽取的空氣量是不同的，一般是動物籠空氣流量的 50％～200％。

圖 2-14：一類通風動物籠的氣流型式實例（通風動物籠的氣流型式為動物維持健康、穩定的環境）

根據這種情況，在雙送風系統中，在哪里感測空氣溫度來控制到動物籠的送風溫度？籠架上一般有 60～140 個籠子，每一個都可能是空的，也都可能飼養了 5 只老鼠。為了實現溫度控制，在飼養著動物的籠子中感測溫度困難且費用高，不僅如此，還很復雜，并且現在也并不易于實現和負擔得起。同時，僅使用一個動物籠檢測溫度和相對濕度實際并不代表所有由送風控制的動物籠的總體情況。采用房間送風機經由高效過濾器從房間向籠內抽取空氣，這種方法要簡單得多，而且較為穩定。它依賴于房間溫度被控制在設定值，并且要比動物籠進風溫度的期望值低 1～2℃。大多數在此環境下工作的員工都會感到舒適。

圖 2-15：雙送風系統。感測和控制動物籠溫度并不像看起來那么簡單。

籠架排風是混合氣流，動物籠的空氣常常低于 50％，這使得溫度控制及報警復雜化。

4、對溫度低限或高限正確感測報警的能力；

即使籠架排風是混合風而且其中大多數是房間空氣，現在大多數考慮采用雙送風系統或者使用雙送風系統的工程師還是都采用在籠架排風管道上感測溫度的方法。這種傳感器安裝位置的主要問題在于難于準確監控動物的環境。更明確地說，采用雙送風系統的最大問題是不能盡早感測到動物籠溫度超高。超高的動物籠溫度一定要避免并且及時警示，因為相比低溫度，高溫度會更快地殺死動物。系統必須正確處理這種情況。

可以在進入房間位置附近的送風管上單獨采用一個溫度傳感器，用來感測溫度超高以及時報警并關閉再熱閥，這是一種很好的安全措施。注意：采用雙送風系統，再熱閥的失效保護位置應為關閉，而非打開。

我們設想這樣一種使用雙送風系統的程序：某個工作人員正在搬運 450 公斤的籠架，他想要房間涼快?；诨\架排出空氣的溫度設定，房間溫度被命令控制到 20℃而動物籠的溫度被命令控制到 24℃。設置在排風風管上的溫度傳感器很快感測到大約有 21℃，因此，打開再熱閥以提高動物籠送風溫度。即使在送風道上有一個傳感器用來警示危險狀態，產生破壞后果的情況還是可能出現。應用房間送風機法使用處理過的房間空氣實際上會消除過熱現象，這是因為，與檢測混合風溫度的籠架排風傳感器相比，房間報警更可靠而且是一種更好的早期報警系統。房間是控制回路中溫度波動的大緩沖器。當采用雙送風系統法將空氣直接送入動物籠時，這個重要的緩沖器將不復存在。

5、高效過濾器與動物的距離；

高效過濾器應該設置在與被保護的區域或者生物體盡可能接近的地方。這樣，這個地方就是嚙齒類動物籠。

雖然動物籠有一個細網孔的過濾器用來保護動物，但是對于現在銷售的大多數籠架，送風路徑都未經過這一薄膜。因此動物籠的頂部過濾器都不能成為不在動物籠上游使用高效過濾器的理由。

如果采用了雙送風系統法，空氣處理機中的高效過濾器常常會距離動物飼養室數百英尺，送風被污染的可能性太大。

帶高效過濾器的房間送風機法一直都會清除與動物較近的空氣中的污物，這種方法簡化了這個問題并且保持了房間和動物籠中的低微粒數。

6、要克服來自于中央空調系統中區域高效過濾器的附加凈壓。

建筑物空氣系統中，阻塞的高效過濾器會有超過 250Pa 的壓損。用來克服這一限制的額外功率和系統需求會導致過高的初投資和運行費用。這會對總的空氣處理機、風機、風道系統和其它系統部件產生影響，并且還可能產生很大的噪聲問題或其補救費用。

與方案 1、2、3 相比，房間送風機減少了每個或者每套房間送風機和過濾器的數量，但是處理這個問題更加有效。要做預防性維護（定期更換前級過濾器），并且要有壓差報警以發現阻塞過濾器。

低流量籠架或一個閥門用于多籠架

這一節我們將描述風量小于 30CFM（50 立方米每小時）時的籠架流量控制，以及因空間所限要求多個籠架使用一個閥門時的流量控制。

由最主要的三家生產商－Allenton、Lab Products 和 Thoren 提供的 96～144只籠子的籠架（最普通的容量）的送風量為 30～60CFM（每小時 40 次～70 次換氣），具體取決于生產商及設計空氣通風率。當前在設計中的很多工程都設計使用單側架（只有一面有動物籠），其中一部分每架送風需要量低于 30CFM。這些籠架都超出了 Phoenix 籠架閥的流量控制范圍，需要不同的流量控制策略，一般的，要采用一個閥控制多個籠架的方法，如圖 2-17 所示，也可采用本章中較早討論的方案2、3 解決。這些籠架排風側的籠架閥的控制氣流還會足夠高以控制每個籠架，這樣穩定性和靈活性都會改善。

當設計考慮到空間問題而使用一個閥對多個籠架時，籠架制造商會提供一種安裝在接到籠架上的軟接頭上的裝置，被稱為負載模擬器。如圖 2-16 所示。這種裝置一般帶有卡環，連到為每個籠架提供的軟接頭上。當籠架從建筑集氣管風道上摘除時，負載模擬器對風道系統產生靜態負載，負載大小與籠架連接時產生的負載量相同。

每個通風籠架都使用文丘里籠架閥控制的系統不再需要負載模擬器，因為Phoenix 閥門可自動補償壓力的變化。

圖 2-16：負載模擬器      當籠架從建筑物風道摘除時，負載模擬器產生與風道連接時相同的靜態負載。

圖 2-17：集氣管系統，多個籠架采用一個控制閥

在裝卸籠架后，這種設計方案需要在每個籠架接管處附加平衡和負載模擬元件

這種方式的最大缺點是：這種方法的最大問題是在系統啟動時需要平衡，而在有人要調整手動分支風閥的時候，系統要重新平衡。平衡時需要平衡人員技術熟練且耐心，這是因為手動風閥是用來控制籠架風量的，每個籠架風量低達 10CFM（17m3 /hr)，這相當于直徑 100mm 的風道面風速為 0.06m/s。精確感測這樣的流量可能是一種挑戰。對它進行控制則是另外一個麻煩。

優點：

1. 初投資較低。

缺點：

1. 啟動困難；

2. 一直存在平衡問題；

3. 風量調整的不正確的可能性較高；

4. 一個籠架調整會影響集氣管上的其它籠架，可能要重新平衡全部籠架。

籠架閥門的安裝

籠架閥門可安裝在不同的位置：

1、 間隙空間內；

2、 通風籠架上；

3、 飼養室內的架子上；

將其安裝在走廊天花板上的空間內是最理想的，這樣便于使用，簡化飼養室清潔。

實驗動物設施的兩個目標是：

·將盡可能更多設備設置在飼養室外；

·盡可能減少屋頂和墻壁的穿孔，因為飼養室中的裂縫、穿孔等很容易成為細菌、病毒和其它危險健康、研究的物質的滋生地。欲了解其它安裝細節，參考第 5 章 74-75 頁籠架閥介紹中有關籠架閥安裝部分。

動物房間的氣流控制

本節將回顧對建立安全、穩定、可靠的動物實驗室至關重要的氣流控制要點。從歷史上看，為了維持適合的控制目標，動物實驗室空間需要超乎尋常的服務。平衡與重新平衡常常是一直需要完成的任務。為了克服這些問題并更好地實現目標，幾個重要的控制要點一定要予以說明。

“對通風系統應進行特殊考慮…機械系統和設備的選擇標準應建立在可靠性、操作的完整性、設計的使用期和維護簡易性的基礎上?！睂嶒瀯游锕芾硎褂弥械穆殬I健康與安全（ ILAR,  第 107 ～ 108 頁）

可靠的、精確的氣流控制裝置

這些設施中研究的深度和生命安全性的問題要求可靠的氣流控制部件，這不同于商業辦公室建筑。為了保證溫度和壓力，對氣流的準確控制至關重要。

控制部件必須： · 在充滿動物毛發皮屑的氣流中保持準確度； · 在沒有長的直風管的情況下準確操作； · 電源故障期間不間斷控制； · 要求最少的或非預防性的維護； · 在不需重新平衡或重新校準的情況下提供穩定性。依賴于皮托管、孔板或其它流量測量設備的流量控制很少或完全不具備上述特點。因此商業級的測量設備不適用于動物試驗設施。

圖 2-18  變臟的流量探頭動物設施，特別是排風側，會產生大量的灰塵、毛屑和其它通過空氣傳播的微粒。變臟的流量探頭會影響房間換氣次數，壓力和溫度控制。

已經證明，在動物設施中使用傳統的葉片風閥或流量測量裝置不太理想，這是因為這些裝置：

· 缺乏嚴密控制的房間所需要的精度和重復性；

· 需要定期重新校準；

· 需要對流量探頭定期清洗；

· 需要比通常需要的長度更長的直管段；

· 需要昂貴的應急電源；

· 可能需要定期自動調零（會引起房間暫時失控）。

Phoenix 文丘里閥 Accel II 是一種可靠、準確的流量控制設備，解決了以上問題。

擁擠空間中的安裝

因為動物房間必須要盡最大可能不安排機械設備，所以大多數環境控制設備都放置在間隙空間內（一般情況下該空間在天花板之上），這些設備包括： · 機械風道系統 · 電線及管線 · 照明器材 · 機械系統管線 · 衛生工程管道 · 噴淋管線 · 通訊設備及敷線 · 建筑構件 · 懸掛天花板的支撐件 · 其它雜類設備

擁擠空間中安裝

所有這些設備、風道、管道和電線都擁擠于間隙空間內，它使得為末端風量控制箱提供其所需的上游與下游直管段非常難于實現或無法實現，而這一點對控制箱根據生產廠家提供的樣本上的數據進行運行是十分關鍵的。這就是為什么那些典型氣流測量設備，諸如皮托管、孔板、熱的或其它定點傳感器不適合這些應用場合的另一原因。

圖 2－19 安裝要求 傳統的流量測量設備〖A〗需要層流 — 在測量設備的上游或下游增加數倍管徑長度的直管段。那些無這些限制因素的氣流控制設備〖B〗適合緊密的安裝空間的需要。

壓力無關控制

并非所有制造的壓力無關設備都是等同的。這是一個關鍵問題，因為房間壓力控制也許只需要房間送風量與排風量之間有很小的差異，可能要小于 30CFM。正如前面所討論的, 要求用來保持理想壓力量值的風量很大程度上取決于房間的建筑密閉性。末端風量控制箱所提供的控制在系統靜壓變化時常常不能足夠準確、快速地保持房間壓力。

圖 2－20 設定點控制穩定性 相比文丘里閥，流量和壓力測量設備需要更多的時間重新控制到設定值。

雖然指南明確指出動物房間需要一個專用通風系統，但比較老的研究機構中的改造區域會轉換成動物空間并且與建筑內其它實驗室使用同一排風機和風道系統。在這些狀況下，因為整個系統的風道壓力的變化，要平衡每個分支風道可能會有問題。高性能的壓力無關文丘里閥門解決了這一問題。

所有這些問題在采用高性能壓力無關控制后都會被大大減少或徹底消除

快速響應的壓力無關設備，如 Phoenix 控制公司的文丘里閥，解決了這些平衡問題，因為穩定氣流裝置對管道內靜壓幾乎是即刻作出反應。其它技術, 如擴大管道以減少風道上的靜壓損失，也能有助于減少這些振蕩問題。然而，這些改變可能是昂貴的，難以實施，而且當高速控制系統易于獲得時，這是完全不必要的。

系統靈活性

NIH 的策略與指南指出：“HVAC 系統必須能夠為動物維持安全舒適的環境，必須有適應性，并且能夠維持設施中預期飼養任何物種的任何飼養房間的環境狀況”（D－15 頁）。換言之，在動物實驗室中，HVAC 系統必須有適應性。

當設施中的動物從一個物種變化到另一個時，許多房間都可能受影響。包括飼養室、操作間、儲藏室，動物籠清洗及其它。需要適應這些變化的氣流可能會變化顯著，這就需要流量控制裝置具有很大的可調比（最大﹕最?。┖透泳_的控制。正如本章前面討論過的，傳統的葉片風閥或流量測量設備在對其流量范圍的靈活性及其重復性有高要求時，不能令人滿意。高性能的壓力無關文丘里閥提供了最大的適應性。

備用和應急電源操作

實驗動物房必須晝夜不停保持持續穩定狀態，即使是在電力中斷或需要維修時。這就需要使用 HVAC 系統關鍵部件的冗余。系統必須能夠維持環境溫度，相對濕度及其它影響動物環境穩定性的參數。排風機、送風空調機、鍋爐、泵和控制裝置都是需要冗余的系統部件，并且這些部件失電時都需要有應急電源。

圖 2－21 失效保護操作,在失電期間房內氣流控制操作必須要用應急電源〔A〕或失效保護到一個固定流量（B）

NIH 設計策略和指南(p. D-24)要求通風系統在失電期間降低流量運行，并且進一步指出帶通風的動物籠必須要連到應急電源。被減少的流量分配在理想的狀況下使不太重要的區域（儲藏室或某些操作室）接受少量或不接受流量，這樣那些必需的地區（特別是動物飼養室）就不受影響。在籠架與建筑排風系統相連的應用中，把支架連到建筑系統排風控制裝置必需在應急電源方式下可操作。對于這樣的應用，Phoenix 控制閥是理想的，因為它不需要電源或者壓縮空氣就可以維持預先設定的正確的低流量。

Phoenix 控制閥具有內置失效保護的特點

Phoenix 氣流控制閥自動平衡、自動失效保護，對所有房間氣流控制設備都不需要應急電源。

待續......