動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室在啟用前需要進(jìn)行熏蒸徹底滅菌消毒以保證室內(nèi)潔凈.通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸是在送風(fēng)管與排風(fēng)管之間加入熏蒸氣體發(fā)生設(shè)備，通過室內(nèi)空氣循環(huán)來促進(jìn)熏蒸氣體擴(kuò)散.為了研究通風(fēng)系統(tǒng)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(duì)該過程的不同的時(shí)間、換氣次數(shù)、送風(fēng)形式及溫度分布狀態(tài)下多工況的氣流組織進(jìn)行瞬態(tài)模擬，預(yù)測(cè)并分析熏蒸氣體濃度和濕度的分布規(guī)律.得出使熏蒸氣體快速達(dá)到滅菌程度的最小換氣次數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，改變送風(fēng)形式可以減少實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的渦流，室內(nèi)溫度隨高度降低有利于熏蒸氣體快速擴(kuò)散的結(jié)論，以便對(duì)熏蒸滅菌進(jìn)行更有效的控制，對(duì)于指導(dǎo)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行有重要意義。
在制藥和化工方面，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)、三致實(shí)驗(yàn)、以及藥效藥代實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，其在生物制品、食品工業(yè)和輕工業(yè)等方面也發(fā)揮著重要作用.動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室啟用前一般要進(jìn)行甲醛熏蒸殺菌消毒，消毒后落下菌數(shù)量應(yīng)為0~3個(gè)/皿.在進(jìn)行甲醛熏蒸之后，菌落數(shù)水平總是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本質(zhì)在于使病原體蛋白質(zhì)凝固，蛋白質(zhì)分子烷基化，從而達(dá)到殺菌的目的.其成本低廉、殺菌徹底，是最傳統(tǒng)廣泛的熏蒸氣體.熏蒸滅菌分為密閉式熏蒸和通風(fēng)系統(tǒng)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(fā).通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸是把甲醛熏蒸滅菌儀器安裝于送風(fēng)管和排風(fēng)管之間，需要進(jìn)行甲醛熏蒸時(shí)，將甲醛倒入熏蒸氣體發(fā)生器，打開送回風(fēng)管關(guān)閉系統(tǒng)新風(fēng)和排風(fēng)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，氣體擴(kuò)散30min后，停止送回風(fēng)系統(tǒng).甲醛熏蒸應(yīng)當(dāng)在室溫不低于21益且相對(duì)濕度為70%的條件下進(jìn)行。
實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)中，在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)總管處應(yīng)安裝氣密型調(diào)節(jié)閥門，必要時(shí)可完全關(guān)閉閥門以進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)熏蒸消毒.實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)風(fēng)應(yīng)經(jīng)初、中、高效三級(jí)過濾.實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)必須經(jīng)高效過濾或加其他方法處理后向空中排放。消毒時(shí)不能留死角，且保證消毒藥的濃度和消毒時(shí)間.許多學(xué)者對(duì)生物實(shí)驗(yàn)室的氣流組織進(jìn)行了模擬，但尚未有對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過程的模擬.耿文清等。對(duì)BSL-3主實(shí)驗(yàn)室2種通風(fēng)方式的氣流運(yùn)動(dòng)和氣溶膠顆粒濃度分布與排除進(jìn)行數(shù)值研究。利用CFD技術(shù)研究了生物安全實(shí)驗(yàn)室兩種不同氣流組織下室內(nèi)流場(chǎng)的分布.許鐘麟等。認(rèn)為用于生物安全實(shí)驗(yàn)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(duì)三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室兩種排風(fēng)方式進(jìn)行了研究.宋黎等。對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流和生物顆粒物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬.高立江等。利用AIRPAK2.1對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室的細(xì)菌、灰塵濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬.李在秋等。研究潔凈室環(huán)境中空氣速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)潔凈室功效的影響.蔣新波等。對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物籠架擺放幾種方式下的氣流組織進(jìn)行了模擬。分析了密閉熏蒸消毒、通風(fēng)大系統(tǒng)消毒2種消毒模式的原理和優(yōu)缺點(diǎn).本文用CFD方法模擬研究了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過程不同工況下氣體濃度的瞬態(tài)分布規(guī)律及其影響因素。
一、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)研究說明
研究對(duì)象以湖南省長(zhǎng)沙某動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室為模型進(jìn)行模擬研究.實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)4m，寬1.8m，高2.4m.室內(nèi)有一個(gè)靠墻的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，長(zhǎng)3m，寬0.6m，高0.85m.房間頂部中間為一個(gè)邊長(zhǎng)0.5m的正方形送風(fēng)口，4個(gè)墻角設(shè)置長(zhǎng)0.3m，寬0.2m的排風(fēng)口.熏蒸過程中實(shí)驗(yàn)室為空態(tài)，無動(dòng)物、人員、內(nèi)熱源.換氣次數(shù)為25次/h，循環(huán)風(fēng)量為432m3/h，送風(fēng)溫度為27益，送風(fēng)風(fēng)速為0.48m/s.當(dāng)甲醛濃度為8~16mg/L，相對(duì)濕度為70%~75%時(shí)熏蒸的消毒殺菌效果良好[13].當(dāng)室內(nèi)的濕度大于65%，溫度為24~40益時(shí)，熏蒸的殺菌消毒效果最好[14].且當(dāng)甲醛濃度為10.6mg/L，相對(duì)濕度為70%時(shí)能殺滅朊病毒外所有的微生物及芽孢[15].送風(fēng)入口處甲醛濃度為9mg/L，通過化學(xué)質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.00697，入口濕度為75%，通過查焓濕圖換算成水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0167。熏蒸時(shí)只關(guān)閉新風(fēng)閥和排風(fēng)閥，打開送風(fēng)閥和回風(fēng)閥，開啟風(fēng)管中的風(fēng)機(jī)，控制風(fēng)量和風(fēng)速使空氣循環(huán)。
在制藥和化工方面，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)、三致實(shí)驗(yàn)、以及藥效藥代實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，其在生物制品、食品工業(yè)和輕工業(yè)等方面也發(fā)揮著重要作用.動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室啟用前一般要進(jìn)行甲醛熏蒸殺菌消毒，消毒后落下菌數(shù)量應(yīng)為0~3個(gè)/皿.在進(jìn)行甲醛熏蒸之后，菌落數(shù)水平總是立即降低。甲醛熏蒸消毒的本質(zhì)在于使病原體蛋白質(zhì)凝固，蛋白質(zhì)分子烷基化，從而達(dá)到殺菌的目的.其成本低廉、殺菌徹底，是最傳統(tǒng)廣泛的熏蒸氣體.熏蒸滅菌分為密閉式熏蒸和通風(fēng)系統(tǒng)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(fā).通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸是把甲醛熏蒸滅菌儀器安裝于送風(fēng)管和排風(fēng)管之間，需要進(jìn)行甲醛熏蒸時(shí)，將甲醛倒入熏蒸氣體發(fā)生器，打開送回風(fēng)管關(guān)閉系統(tǒng)新風(fēng)和排風(fēng)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，氣體擴(kuò)散30min后，停止送回風(fēng)系統(tǒng).甲醛熏蒸應(yīng)當(dāng)在室溫不低于21益且相對(duì)濕度為70%的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)中，在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)總管處應(yīng)安裝氣密型調(diào)節(jié)閥門，必要時(shí)可完全關(guān)閉閥門以進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)熏蒸消毒.實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)風(fēng)應(yīng)經(jīng)初、中、高效三級(jí)過濾.實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)必須經(jīng)高效過濾或加其他方法處理后向空中排放。消毒時(shí)不能留死角，且保證消毒藥的濃度和消毒時(shí)間.許多學(xué)者對(duì)生物實(shí)驗(yàn)室的氣流組織進(jìn)行了模擬，但尚未有對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)熏蒸過程的模擬。對(duì)BSL-3主實(shí)驗(yàn)室2種通風(fēng)方式的氣流運(yùn)動(dòng)和氣溶膠顆粒濃度分布與排除進(jìn)行數(shù)值研究。
（一）時(shí)間對(duì)熏蒸氣體濃度的影響
先用fluent軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)室布置一個(gè)送風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)風(fēng)速為0.48m/s，換氣次數(shù)為25次/h的室內(nèi)27益恒溫工況，再用tecplot軟件后處理，得到瞬態(tài)模擬結(jié)果.從中分別選取了不同時(shí)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(jìn)行對(duì)比分析如下.可知擴(kuò)散800s時(shí)X平面上氣體濃度在中部氣流中較大，左側(cè)角落里濃度偏高，右側(cè)濃度較低.Y平面上氣體由送風(fēng)氣流帶動(dòng)下向周圍逐漸擴(kuò)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(kuò)散1200s時(shí)最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006966，最低濃度為8.99511mg/L.最小濕度為76.1%.X平面左側(cè)和右側(cè)的低濃度區(qū)域進(jìn)一步縮小，下側(cè)氣體濃度增加.Y平面上氣體最低濃度增大，右側(cè)氣體濃度差異減小.隨時(shí)間延長(zhǎng)，氣體擴(kuò)散范圍越大，室內(nèi)最低氣體濃度越高，空間整體氣體濃度越均勻。
（二）換氣次數(shù)對(duì)氣體濃度和濕度的影響
為比較換氣次數(shù)對(duì)熏蒸氣體擴(kuò)散的影響，改變風(fēng)量和風(fēng)速，計(jì)算了換氣次數(shù)為20次/h和/30次/h的工況，分別將入口風(fēng)速改為0.384m/s、0.576m/s，以原模型先用穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后再用瞬態(tài)計(jì)算.各取其1200s.結(jié)果如下：換氣次數(shù)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(shù)為30次/h的最低濃度為8.99917mg/L，最低濕度為76.2%.可知當(dāng)換氣次數(shù)增大時(shí)，相同時(shí)間的氣體濃度分布范圍更大，濃度梯度更小.實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方角落的氣體濃度越高，越能避免產(chǎn)生熏蒸氣體不足和不充分殺菌消毒的死角.通過模擬10個(gè)典型工況對(duì)換氣次數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體擴(kuò)散400s達(dá)到8mg/L，最低換氣次數(shù)為15次/h，而當(dāng)氣體擴(kuò)散800s時(shí)濃度達(dá)到8mg/L，最低換氣次數(shù)為7次/h.而當(dāng)氣體擴(kuò)散時(shí)間大于1200s時(shí)換氣次數(shù)為5次/h也能達(dá)到濃度要求.表示濕度達(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù).當(dāng)氣體擴(kuò)散400s時(shí)為14次/h，當(dāng)氣體擴(kuò)散800s時(shí)最低換氣次數(shù)為7次/h.因此換氣次數(shù)越小，氣體濃度和濕度達(dá)到要求的擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)。
（三）送風(fēng)形式對(duì)氣體濃度和濕度的影響
將一個(gè)送風(fēng)口改為2個(gè)長(zhǎng)0.5m，寬0.25m的送風(fēng)口和4個(gè)邊長(zhǎng)為0.25m的送風(fēng)口后模擬了0.48m/s風(fēng)速的1200s時(shí)氣體濃度分布.2個(gè)條形送風(fēng)口的最小濃度為8.98404mg/L，最低濕度為76.1%.布置4個(gè)正方形送風(fēng)口的最小濃度為8.99324mg/L，最低濕度為76.2%，當(dāng)布置2個(gè)矩形送風(fēng)口時(shí)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(duì)較高，比一個(gè)送風(fēng)口對(duì)氣體擴(kuò)散的促進(jìn)作用更大.在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方仍存在濃度較低的區(qū)域，不利于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)快速殺菌消毒.當(dāng)布置4個(gè)正方形送風(fēng)口時(shí)，房間中央的氣體濃度比一個(gè)送風(fēng)口和兩個(gè)送風(fēng)口時(shí)高，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面熏蒸的效果最好.房間的頂角部分區(qū)域有可能產(chǎn)生氣體最低濃度.3種工況下氣體最低濃度隨時(shí)間變化最低濕度隨時(shí)間變化.可知?dú)怏w擴(kuò)散相同時(shí)間時(shí)，2個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃度和濕度最低，4個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃和濕度度居中，一個(gè)送風(fēng)口時(shí)氣體最低濃度和濕度最高。
（四）溫度分布對(duì)氣體濃度和濕度的影響
為比較不同室內(nèi)溫度分布對(duì)熏蒸氣體擴(kuò)散時(shí)濃度的影響，以0.48m/s時(shí)房間溫度恒定27益為基礎(chǔ)，模擬了4個(gè)不同溫度分布的工況與之對(duì)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.?？芍?dāng)?shù)孛鏈囟雀?，天花板溫度低時(shí)，為不穩(wěn)定性工況，氣體擴(kuò)散程度劇烈，湍流增強(qiáng)，促進(jìn)了氣體最低濃度的升高，反之則為穩(wěn)定性工況.因此溫度梯度隨高度降低有利于氣體擴(kuò)散.。5種工況下氣體最低濃度隨時(shí)間變化。最低濕度隨時(shí)間變化.當(dāng)溫度恒定為27益時(shí)濕度變化幅度最小且能達(dá)到熏蒸要求濕度60%以上，而當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?9益，天花板溫度為25益時(shí)濕度會(huì)降低到60%以下，熏蒸滅菌效果減弱.當(dāng)房間底部溫度為25益，頂部溫度為29益時(shí)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(nèi)溫差10益的最低濕度遠(yuǎn)低于室內(nèi)溫差的最低濕度。
二、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)效果結(jié)論
通過對(duì)以上多種工況的模擬得到如下結(jié)論：
1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氣體擴(kuò)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(shí)驗(yàn)臺(tái)上方的濃度較低與角落處的渦流有關(guān)，角落處的渦流會(huì)減弱氣體擴(kuò)散的速率，抑制熏蒸氣體濃度上升。
2）增大換氣次數(shù)使氣體濃度和濕度快速上升，減小墻角處的渦流區(qū)域，促進(jìn)消毒滅菌.熏蒸需要的換氣次數(shù)臨界值隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小.氣體擴(kuò)散400s時(shí)達(dá)到8mg/L的最低換氣次數(shù)為15次/h，而當(dāng)氣體擴(kuò)散800s時(shí)達(dá)到8mg/L的最低換氣次數(shù)為7次/h.當(dāng)氣體擴(kuò)散400s時(shí)使?jié)穸冗_(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù)為14次/h，當(dāng)氣體擴(kuò)散800s時(shí)使?jié)穸冗_(dá)到67%以上的最低換氣次數(shù)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(wěn)定性工況有利于氣體濃度上升.穩(wěn)定性工況的氣體湍流受到抑制，濃度擴(kuò)散速度更慢.室內(nèi)溫差縮小有利于濕度增大.溫度恒定熏蒸時(shí)的濕度最高。
4）改變送風(fēng)形式，增加送風(fēng)口并分散布置可促進(jìn)氣流的快速擴(kuò)散，減少實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的渦流，但不一定會(huì)迅速提高室內(nèi)氣體最低濃度。
最低氣體濃度和濕度最高，4個(gè)送風(fēng)口時(shí)最低氣體濃度和濕度居中，2個(gè)送風(fēng)口時(shí)最低氣體濃度和濕度最低.通風(fēng)系統(tǒng)熏蒸比傳統(tǒng)的密閉室內(nèi)熏蒸的方法更快速便捷，在送風(fēng)和排風(fēng)管道之間加入熏蒸氣體發(fā)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(duì)風(fēng)管內(nèi)部殺菌，作用范圍更廣，消毒更徹底.通過模擬通風(fēng)熏蒸過程，確定合理的消毒時(shí)間和熏蒸氣體濃度，改變影響氣體分布的因素，從而使之達(dá)到良好的消毒效果。