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前言
2020年新冠疫情爆发伊始，为有效控制疫情，全国各地的疾控中心、医院和公共卫生机构开始大规模的新建PCR实验室，或对不满足核酸检测要求的既有二级生物安全实验室进行改造，目的是快速开展对大规模人群的核酸检测。为规范PCR实验室的设计，中国工程建设标准化协会出版了《医学生物安全二级实验室建筑技术标准》T/CECS662-2020（以下简称《新规》），《新规》自2020年2月19日开始执行。《新规》的颁布执行，解决了困扰建设单位与设计师的PCR实验室生物安全级别的定位问题，并规范了与生物安全级别定位相关的实验室技术标准要求。
在《新规》颁布之前，PCR实验室的设计主要依据的是《生物安全实验室建筑技术规范》GB50346-2011（以下简称《旧规》），这其中，将生物安全实验室被分为4个级别，即BSL-1~4，使用比较广泛的是BSL-2级别（简称P2）。
2020年1月，国家卫生健康委发布《新型冠状病毒实验室生物安全指南》第二版，明确指出各大医院的新冠病毒核酸检测主要在P2或以上级别实验室开展。但在实践中，由于新冠病毒可通过气溶胶经呼吸道造成人员感染，医污从业人员普遍担心在P2级别的实验室开展新冠PCR检测，不安全，因此他们多倾向于按BLS-3级别（简称P3）建筑技术标准设计新冠PCR实验室。如此，虽然消除了生物安全方面的担忧，但却面临着建设投资过高的困扰。
为既能达到P3实验室的生物安全效果，又避免完全照搬《旧规》中P3实验室技术标准带来的高昂投资，于是在实践中提出了“P2+”实验室概念，即“加强型BSL-2”级实验室。其与P2实验室的主要区别在于增设或加强了“控制病毒气溶胶空气途径传播”的建筑技术措施，但在《新规》颁布前，P2＋实验室的设计，没有相应标准支撑，《新规》的出版不仅弥补了P2+级别实验室的设计依据和相关要求，同时从技术角度认可了P2+级别实验室开展新冠及类似病毒核酸检测的安全性。
笔者根据对《新规》的学习，结合疫情期间完成的P2＋实验室空调通风设计案例。与同行分享个人对《新规》P2＋实验室定义的理解及其空调通风设计中应重视的若干问题：
1.《新规》P2＋实验室定义、目的、意义与技术措施；
2.设计实践的启示
3.实验室冷负荷特征
4.高冷负荷强度下，提高室内洁净度标准的合理性
5.基于案例的空调风系统控制策略分析

《新规》中P2＋实验室的定义、目的、意义与设计原则
1.《新规》中P2＋实验室的定义
《新规》对加强型BSL-2级别的实验室定义为：“医学BSL-2实验室中，设置缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤等措施且有明确负压或压力梯度要求的实验室”。令人欣慰的是，《新规》颁布前设计建设的P2+实验室的建筑布局、空调通风系统、内部空气压力梯度控制以及实验室与外部环境的压差等大多与《新规》中P2+实验室定义所要求的附加建筑技术措施一致。由于《新规》关于P2+实验室的术语表述是“加强型医学BSL-2实验室指在医学BSL-2实验室中,设置缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤等措施且有明确负压或压力梯度要求的实验室”，但由于其未对采取这些措施的目的给出解释，所以在实践中，容易被认为只要在普通P2实验室的基础上增设了这些措施，就达到了P2+实验室的要求，就可以用于开展新冠核酸检测。但实际上，这种理解是片面的，容易在实践中忽略正确设计缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤、负压与压力梯度控制的重要性，毕竟所有这些措施的目的均在于控制病毒气溶胶在实验室内部经由空气途径的传播，保证实验人员与周围环境的安全，满足实验对象对环境的要求。
2.《新规》中P2＋实验室定义的目的
自新冠疫情爆发以来，笔者完成了若干新冠PCR实验室的设计，其中既有新建，也有改造。因此《新规》颁布后，结合设计工作中的困惑，笔者进行了认真学习，力求准确理解其关于P2＋定义的目的。个人认为可以用以下含义相同的三种方式定义P2+实验室，以准确表达《新规》中P2＋定义指向的技术目的：
(1）“P2＋实验室指医学BSL-2实验室中,设置缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤等措施且有明确负压或压力梯度要求，以控制病毒气溶胶在实验室内部经由空气途径传播、保证实验人员与周围环境安全、满足实验对象对环境的要求的实验室”；
(2）“P2＋实验室指医学BSL-2实验室中,存在实验对象在实验室内部经由空气途径传播风险时，通过增设以控制实验对象经由空气途径传播、保护实验人员与周围环境安全、满足实验对象对环境的要求为目的的技术措施，进行升级改造的实验室”；
(3）“P2＋实验室指在满足医学BSL-2实验室建筑技术标准的前提下，设置缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤等措施且有明确负压或压力梯度要求，以控制病毒气溶胶在实验室内部经由空气途径传播、保护实验人员与周围环境安全、满足实验对象对环境的要求的实验室”；
表述形式1）由于强调了对增设技术措施目的论述，而使《新规》对P2＋实验室的定义更明确；表述形式2）用于对升级改造型P2＋实验室的定义；表述形式3）则用于对新新建P2＋实验室的定义。
综上可知P2＋实验室定义的目的在于规范对P2＋实验室建筑技术标准的认识，即“P2＋实验室建筑技术标准的基础是P2实验室，但必须在此基础上增加“设置缓冲间、机械通风系统、排风高效过滤等措施且实现内部空间之间以及与外部环境的压力梯度”。 
3.《新规》中P2＋实验室定义的意义
《新规》关于P2＋实验室定义的意义，在于根据新冠病毒的毒性与传播特征，扩充了《旧规》的生物安全分级，使实践中的探索有法可依。具体表现在以下3方面：
(1）基于已经明确的新冠病毒的毒性与传播特征，按《旧规》条文3.2.1之规定，P2＋实验室可以归属于b1类生物安全实验室。所以，仅依《旧规》而言，P2＋的建设，既可遵从BSL-2实验室（P2）建筑技术标准，也可遵从BSL-3实验室（P3）建筑技术标准建设。
(2）实践中普遍存在出于安全考虑而完全照搬P3要求建设新冠PCR实验室的倾向。但完全按照P3建筑技术标准，建设新冠PCR实验室的结果必然会导致投资过高，难以大范围实施。
(3）为既能保证新冠PCR实验室实验人员与周围环境安全、满足实验对象对环境的要求，又避免“照搬”P3建设导致的高昂投资，《新规》定义了P2＋。其核心在于在P2的建设技术标准基础上，增加以控制病毒气溶胶在实验室内部经由空气途径传播为目的的必要技术措施。
对比《旧规》P2与《新规》P2＋的建筑技术标准可知，除缓冲间外，《新规》P2＋增加的技术措施均为空调通风系统设计要求。由此可知P2＋应该是生物安全等级介于P2和P3级别之间的实验室。除空调通风系统外，P2＋与P2的建筑技术标准相近，而空调通风系统的技术要求与P3基本一致。
综上可以认为， P2＋实验室设计，其关键在于合理的空调通风设计。这里所谓的合理，是指“采用生命周期成本相对最低的空调通风系统，保证实验室实验人员与周围环境安全并满足实验对象对环境的要求”。 
4.《新规》中P2＋实验室的设计原则
这里讨论的《新规》中P2＋实验室的设计原则不涉及缓冲间，因为它属于建筑屏障措施。
以下通过表1，对比P2、P3实验室，展现《新规》P2＋实验室应遵循的设计原则及其与P2、P3实验室在空调通风系统方面的区别。
表1    P2+与P2、P3实验室主要设计原则对比
由表1可知，P2+级别实验室的设计要求更接近P3级别实验室的设计，只是有些在P3中规定为“应”的要求改为了“宜”，通过设计实践可以发现这些设计要求并不难实现且在系统设计合理的前提下，甚至无需为此付出额外代价。因此，《新型冠状病毒实验室生物安全指南》中P2+级别的实验室定义给出的“设计参数更偏向于P3，整体材质的选择和施工工艺更偏向于P2（参见《老规》）”的宗旨，同时兼顾了实验室的安全性和经济性。

设计实践的启示
1.P2+实验室空调通风系统是否需要净化？
《新规》并没有对P2+实验室空调通风系统是否需要按净化要求设计做出明确规定，但实践中几乎所有的使用方都要求设置净化，主要原因来自大多使用方认为系统设施标准越高，使用越安全，但他们往往忽略了净化系统的高投资和高能耗。通常净化系统能耗较高的主要原因之一是“为了净化而必须加大风量，即送风量远大于消除冷负荷所需风量”，但是实验室的负荷特征决定了其消除冷负荷所需的送风量往往接近甚至高于满足净化所需，详细分析见下文，因此，同意使用方提出的净化要求，有可能并不会明显增加投资和能耗。基于此，可以推荐在P2＋实验室中设置净化。
2.P2＋实验室空调系统可否采用循环风？
《新规》的要求是“不宜”，其实规范制定者的本意是不推荐的，站在病毒由空气途径传播的角度，全新风（直流系统）更安全。但是考虑到目前很多实验室属于改造建设，原建筑的土建条件无法满足全新风运行所需的送、排风空间要求；或者有的业主无法提供全新风运行所需的大容量冷热源或对能耗很敏感；再或者电力增容无法满足全新风运行需求，类似这些情况的存在，可以考虑使用循环风系统，否则应采用全新风。
值得注意的是采用循环风的前提是送风必须经过高效空气过滤器。另外，除气候温和地区外，其它地区即便有条件采用全新风运行，也应尽量考虑设置非接触型排风热回收装置。
3.P2＋实验室送风是否需经高效空气过滤器？
《新规》的要求是“宜”，其前提是空调通风采用了全新风运行，其目的并不是因为满足净化的需要，而是希望送入的空气更清洁一些，这样会降低排风高效过滤器的更换频率，从而提高实验室的安全性。

PCR实验工艺流程
PCR是聚合酶链式反应的英文简称，PCR实验室是对样本进行核酸检测的一系列实验室的统称，而P2+是实验室的级别，这两个概念不能混为一谈，也就是说，PCR实验不一定在P2+实验室中进行。至于什么样的PCR实验需要在P2+级别的实验室中进行，取决于实验的对象。以新冠病毒为例，这种可通过空气传播，对人体或环境既有中等危害，且有有效的预防和治疗措施的实验对象，推荐在P2+实验室中进行，此时应更准确的将可以开展新冠病毒核酸检测的实验室，称为新冠PCR实验室。下面我们简单了解一下新冠PCR实验流程由哪些功能房间组成及其正确的压力梯度分布（详见图1）。
图1   PCR实验工艺流程
“样本接受”的作用是存放“咽拭子”样本并将其传递至“样本制备”，同时“试剂准备”将后续实验中所有需要的试剂全部准备好也传递至“样本制备”，值得注意的是，样本不可以通过“试剂准备”后再传递至“样本制备”，防止对试剂造成污染。“样本制备”的作用是从咽拭子中提取出核酸（DNA或RNA），然后将其传递至“扩增”进行扩增反应（即聚合酶链式反应）后，再将结果传递至“测序和产物分析”，得出最终结论，即该样本是否存在病毒。
其中除“试剂准备”为正压以外，其他房间均为负压，且压力梯度递减的方向和样本的流向一致。样本在房间内的传递在传递窗内进行，不得进入走廊。“试剂准备”为正压是为了防止房间外的空气污染试剂；其他房间均为负压是为了防止病毒污染其他区域；压力梯度的方向是为了防止病毒回流，污染上流房间。

空调负荷特点
根据空调室内冷负荷的组成部分，其围护结构、照明和人员等与普通建筑（如办公楼）相比差距不大，但是由于实验设备的发热量及密度较大，所以设备的冷负荷很大。以下根据天津静海某实验楼的实际案例，列举部分功率较大的设备（详见表2）。
表2    部分实验设备表
由上表可以看出，实验室的设备发热量远大于办公室等其他功能房间，经计算，配电功率大约为600W/m²，然而，设备冷负荷按照600W/m²计算是不合理的，因为配电功率≠设备发热量≠设备冷负荷。笔者通过市场调研和查阅资料，得出设备冷负荷指标的经验值为150~200W/m²。按照此数据进行负荷分析和设备选型，目前该项目运行情况良好，未出现房间过热的情况。
由于设备冷负荷过大，以及采用直流风系统，导致空气处理过程与我们常见的手术室净化系统差异较大，下面我们定向对比一下手术室和P2+实验室的夏季空气处理过程焓湿图（详见图2）。
图2   手术室和P2+实验室夏季空气处理过程对比
通过上图可以看出，除了P2+实验室采用直流风，没有一次回风过程以外，手术室与P2+实验室夏季空气处理过程最重要的区别在于：手术室的送风点介于室内设计状态点与机器露点之间，因为送风温差一般在2-3℃，所以当空气处理至露点（L点）后，需要再热再送入室内，这是因为“满足洁净度所需要的风量远大于消除室内预热余湿所需要的风量”；但是P2+实验室则相反，由于室内余热很大，所以“消除室内预热余湿所需要的风量要远大于满足洁净度所需要的风量”。根据计算，P2+实验室的送风量一般在20-25次/h，远大于洁净度8级（换气次数10-15次/h）的要求，扩增室由于设备密度更大，送风量一般在30次/h。因此，对于上文第1部分中所讨论“P2+实验室是否需要做净化”的问题便有了答案，即使业主没有提出净化要求，P2+实验室的送风量依然满足净化级别8级的要求，并没有增加投资和能耗。
分析完夏季空气处理过程之后，冬季的空气处理过程就不难理解了。由于P2+实验室内发热量很大，因此送风温度要低于室内温度，即室内应供冷，否则会出现设备由于过热而宕机的情况，但是空调机组仍处于制热状态，合理计算加热量才能满足冬季供冷的要求，这里不再赘述。
以上空调负荷的分析，原理不难理解，但是在设计过程中，由于我们对净化空调的“刻板印象”，会先根据换气次数确定送风量，再计算制冷量、制热量和加湿量等参数，但是对于P2+实验室而言，这样做会导致送冷量不够，从而室内过热，设备无法正常运行。

空调通风系统控制方案
P2+实验室的空调通风系统有3个作用，按照其重要性从高至低排序：（1）防护的要求，即维持室内压力值，以满足房间之间压力梯度的要求；（2）保持洁净度；（3）控制温湿度。维持室内压力值与实验设备有密切的关系。
P2+实验室中的每个房间都会设置不同级别的生物安全柜，其中较为常用的级别为A2，也有部分房间设置B2级的生物安全柜。两者的主要区别在于，A2级生物安全柜的排风可以直接排在室内，类似风机盘管，可以使用循环风；但是B2级生物安全柜的排风需单独直接排至室外。因此，对于设置不同级别生物安全柜的房间，其控制方案是不同的，下面我们结合实例中的空调通风系统图进行分析（详见图3）。
对于房间1，室内仅设A2级生物安全柜，除了人员进出实验室开关门时会造成室内压力瞬间波动之外，并没有其他设备可以造成长时间的压力变化，因此，房间1的送风阀V1和排风阀V2建议采用定风量阀。根据现场观察，在安装定风量阀后，开关门所造成的瞬间压力波动会在2-3秒内恢复设定值，不会造成安全隐患，且性价比较高。
对于房间2，室内设置2台B2级生物安全柜，每台的排风量是1400m³(/h，房间面积54m²。通过计算，平时（B2生物安全柜不开时）送风量为3240m³(/h、排风量为3500m³(/h，瞬时（B2生物安全柜开启时）排风量最大可达到2800m³(/h，可见，瞬时排风量所造成的压力波动是不能忽略的，需要有相应的瞬时送风量来维持压力值不变。这里笔者推荐采用“定排变送”的控制策略，即V4为定风量阀，V3为变风量阀。当B2级生物安全柜开启时，风机EAF-2开启，其入口处的阀门缓慢开启（不要选择快开型阀门），V3的阀门开度随之逐渐加大，以保持室内压力值不变。这样送风量只会增加，平时排风量不变，不会影响室内的洁净度。如果采用“定送变排”的控制方式，则会使平时排风量减小，甚至没有（取决于房间内设置B2级生物安全柜的数量），这样会增加房间内的涡流和死角，影响局部洁净度。
图3    空调通风系统图
对于室内温湿度的控制，建议在每个房间送风支管处设置空气电加热器。因为1台空调机组往往需要负担多个房间，每个房间的负荷变化规律不尽相同，但是它们的送风状态点却是相同的，而设置空气电加热器作为调节手段是不节能的，但是如果送风支管的变风量阀还根据室内温度进行调节的话，势必会在逻辑上与维持室内压力值相冲突。因此，依据前文所提到的重要性排序，笔者认为简单直接的控制逻辑可能会牺牲一定的节能性，但是更适用于P2+实验室。

结语
本文通过对规范的解读明确了P2+实验室的定义，并全面阐述了PCR实验室的工艺流程，同时对空调负荷特点和控制方案进行了定性的分析，总结关键点如下：
（1）通过上文阐述，重新对P2+实验室的定义进行了充实和完善；
（2）P2+实验室多应用于PCR实验，需结合PCR实验流程进行设计；
（3）P2+实验室的设备发热量很大，应考虑全年供冷；
（4）P2+实验室的空调通风方案是使用效果是否满足要求的重点，上文中已给出建议的控制策略。

参考文献
[1] 涂光备. 医院建筑空调净化与设备[M].北京：中国建筑工业出版社，2005
[2] 黄中. 医院通风空调设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2019
[3] 余俊祥 高克文 孙丽娟. 疾病预防控制中心暖通空调设计[M].浙江：浙江大学出版社，2020
[4] 赵文成. 中央空调节能及自控系统设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2018