龚光彩 熊照雪 邓晓瑞 刘激扬 安珂慧

摘   要：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.

关键词：动物实验室;熏蒸;气流组织;数值模拟;空气稳定性

中图分类号：TU834.3                          文獻标志码： A

Simulation Study of Ventilation Fumigation Process in Animal Laboratory

GONG Guangcai?，XIONG Zhaoxue，DENG Xiaorui，LIU Jiyang，AN Kehui

（College of Civil Engineering ，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：The animal laboratory needs to be fumigated and disinfected thoroughly before starting using in order to ensure the cleanness of the room. Ventilation system fumigation provides the fumigation gas generating equipment between air supply pipe and air discharge pipe to promote the fumigation gas diffusion through indoor air circulation. In order to study the influencing factors of gas concentration distribution in the fumigation process of the ventilation system， icem modeling and fluent software were used to carry out the transient simulation of air distribution in different conditions under different times，ventilation times，air supply modes and temperature distribution conditions， and to predict and analyze the distribution law of fumigation gas concentration and humidity. It is concluded that the minimum ventilation rate to quickly reach the sterilization degree decreases with time， the change of the air supply mode can reduce the vortex near the test bench， and the indoor temperature decreases with the height to facilitate the rapid diffusion of fumigation gas， so as to control the fumigation more effectively， which is of great significance to guide the safety of animal experiment.

Key words：animal lab;fumigation;air distribution;simulation;air stability

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[1]. 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30 min后，停止送回风系统. 甲醛熏蒸应当在室温不低于21 ℃且相对湿度为70%的条件下进行[2]. 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[3]. 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[4]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. 李艳菊等[5]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[6]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[7]对三级生物安全实验室两种排风方式进行了研究. 宋黎等[8]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[9]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[10]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[11]对实验动物笼架摆放几种方式下的气流组织进行了模拟. 曹国庆等[12]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.

1   研究對象

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4 m，宽1.8 m，高2.4 m. 室内有一个靠墙的实验台，长3 m，宽0.6 m，高0.85 m. 房间顶部中间为一个边长0.5 m的正方形送风口，4个墙角设置长0.3 m，宽0.2 m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432 m3/h，送风温度为27 ℃，送风风速为0.48 m/s. 当甲醛浓度为8～16 mg/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 ℃时，熏蒸的杀菌消毒效果最好[14]. 且当甲醛浓度为10.6 mg/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9 mg/L，通过化学质量分数方程换算成质量分数约为0.006 97，入口湿度为75%，通过查焓湿图换算成水蒸气的质量分数为0.016 7. 图1为实验室平面图. 图2为icem模型图. 其中用数字标出代表不同的型号和功能的风口，1为1个0.5 mx 0.5 m方形送风口，2为2个0.5 m × 0.25 m条形送风口，3为4个0.25 m × 0.25 m方形送风口，4为4个排风口. 图3为熏蒸系统图. 图4为熏蒸流程图. 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. 图5为网格质量图.

2   研究方法

2.1   数学方程

模拟熏蒸过程使用的数学模型有能量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程、组分质量守恒方程. 式（1）中为T时代表能量方程，为U时代表动量方程，为1时代表连续性方程，为C时代表组分输运方程[16]. 其中连续性方程的Γ与S均为0. 熏蒸气体假设为粘性不可压牛顿流体，其通用控制方程可表示为：

= Sφ - [Δ][（ρUφ） - Γφ[Δ]φ]   （1）

2.2   边界条件

通过在动物房取点实验测量得到室内运行后换气次数为15次/h的房间中心平均温度为25.8 ℃，湿度为58.4%，实验台中点的平均温度为24.2 ℃，湿度为62.1%. 室内熏蒸的初始状态即实验前的无内热源、无熏蒸气体状态. 模型和网格用icem软件建立形成，选择非结构网格，经检验网格质量发现无负体积网格、质量良好. 送风口为velocity速度入口，排风口为outflow自由出口，墙壁与实验台表面贴保温层和不锈钢钢板，传热影响不明显，故使用绝热壁面边界条件. 熏蒸的温度、湿度均要高于运行时的温度、湿度，故初始边界条件的温度为27 ℃，即300 K，湿度为75%，室内甲醛为0 mg/L，计算时用simple速度压力耦合算法，二阶迎风格式，低雷诺数湍流模型以及组分输运模型. 先用稳态模拟室内流场，fluent软件计算10 000收敛后再用瞬态模拟计算，时间步长为1 s，总共迭代2 000步，每步迭代20次，每200步记录一次数据.

3   结果分析

3.1   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0.48 m/s，换气次数为25次/h的室内27 ℃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. 由图6～图9可知扩散800 s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1 200 s时最小质量分数为0.006 966，最低浓度为8.995 11 mg/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.

3.2   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0.384 m/s、0.576 m/s，以原模型先用稳态计算收敛后再用瞬态计算. 各取其1 200 s.结果如下：换气次数为20 次/h的最低气体浓度为8.995 1 mg/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8.999 17 mg/L，最低湿度为76.2%. 由图10～图13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，图14表示当气体扩散400 s达到

8 mg/L，最低换气次数为15 次/h，而当气体扩散800 s时浓度达到8 mg/L，最低换气次数为7 次/h. 而当气体扩散时间大于1 200 s时换气次数为5次/h也能达到浓度要求. 图15表示湿度达到67%以上的最低换气次数. 当气体扩散400 s时为14 次/h，当气体扩散800 s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.

3.3   送风形式对气体浓度和湿度的影响

将一个送风口改为如图1所示的2个长0.5 m，宽0.25 m的送风口和4个边长为0.25 m的送风口后模拟了0.48 m/s风速的1 200 s时气体浓度分布. 2个条形送风口的最小浓度为8.984 04 mg/L，最低湿度为76.1%. 布置4个正方形送风口的最小浓度为8.993 24 mg/L，最低湿度为76.2%. 由图16～图19可知，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. 图20为3种工况下气体最低浓度随时间变化图，图21为最低湿度随时间变化图. 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.

3.4   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0.48 m/s时房间温度恒定27 ℃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 ℃，天花板为29 ℃;地面为29 ℃，天花板為25 ℃;地面为22 ℃，天花板为32 ℃;地面为32 ℃，天花板为22 ℃. 由图22～图27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. 图26为5种工况下气体最低浓度随时间变化图，图27为最低湿度随时间变化图. 当温度恒定为27 ℃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 ℃，天花板温度为25 ℃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 ℃，顶部温度为29 ℃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 ℃的最低湿度远低于室内温差5 ℃的最低湿度.

3.5   模拟结果验证

为了验证模拟结果的准确性，选取了实际大小与模型一致的动物实验室用温湿度测量仪进行了实验，图28为实验室照片，图29为温度湿度测量仪照片，图30为实验测点布置图.

各个测点湿度模拟和实验的对比结果如图31所示，模拟熏蒸气体扩散过程的湿度高于运行过程中的湿度，误差在合理的范围内.

甲醛熏蒸的杀菌效果由多种因素共同影响，主要包括温度、湿度、甲醛浓度、作用时间. 文献[17]中提出检验甲醛熏蒸杀菌效果的杀菌指数达到6～8可以彻底消毒，可知当湿度为70%，温度为27 °C，甲醛浓度为9 mg/L，作用时间为4.41h，杀菌指数大于6，达到消毒条件.

4   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400 s时达到8 mg/L的最低换气次数为15次/h，而当气体扩散800 s时达到8 mg/L的最低换气次数为7次/h. 当气体扩散400 s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800 s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. 1个送风口时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.

参考文献

[1]    BALI R，SHARMA P，NAGRATH S，et al. Microbial isolations from maxillofacial operation theatre and its correlation to fumigation in a teaching hospital in India[J]. Journal of Maxillofacial and Oral Surgery，2014，13（2）：128—132.

[2]    世界卫生组织. 实验室生物安全手册[M].北京：人民卫生出版社，2004：71—78.

World Health Organization. Laboratory biosafety manual [M]. Beijing：People's Health Press，2004：71—78. （In Chinese）

[3]    中华人民共和国卫生部. 《微生物和生物医学实验室生物安全通用准则》WS233-2002[S]. 北京：中国标准出版社，2003：9—12.

Ministry of Health of the People′s Republic of China. General guidelines for biosafety in microbial and biomedical laboratories WS233-2002 [S]. Beijing：China Standards Press，2003：9—12. （In Chinese）

[4]    耿文清，马宗虎，尚红，等. BSL-3实验室不同通风方式下气溶胶颗粒分布的数值研究[J].医疗卫生装备，2010，31（2）：24—27，38.

GENG W Q，MA Z H，SHANG H，et al. BSL-3 laboratory numerical studies of aerosol particles distribution under different ventilation modes [J]. Journal of Medical and Health Care Equipment，2010，31（2）：24—27，38. （In Chinese）

[5]    李艳菊，吴金辉，张金明，等. CFD在生物安全實验室气流组织研究中的应用[J].洁净与空调技术，2007（1）：15—17.

LI Y J，WU J H，ZHANG J M，et al. The application of CFD in biological safety laboratory airflow organization research [J]. Clean and Air conditioning Technology，2007（1）：15—17. （In Chinese）

[6]    许钟麟，张益昭，张彦国，等. 关于生物安全实验室送、回风口上下位置问题的探讨[J]. 洁净与空调技术，2005（4）：15—20.

XU Z L，ZHANG Y Z，ZHANG Y G，et al. About biological safety laboratory to send up and down，return air mouth position question discussion [J]. Clean and Air Conditioning Technology，2005（4）：15—20. （In Chinese）

[7]    李江龙，凌继红，邢金城，等. 三级生物安全实验室气流组织方式的对比研究[J]. 洁净与空调技术，2008（1）：25—28.

LI J L，LING J H，XING J C，et al. Comparative study of three biological safety laboratory airflow organization [J]. Clean and Air Conditioning Technology，2008（1）：25—28. （In Chinese）

[8]    宋黎，王玄玉，刘敏，等. 生物安全实验室内颗粒物扩散的数值模拟研究[C]//第十四届全国大气环境学术会议论文集. 北京：防化指挥工程学院，2007：254—259.

SONG L，WANG X Y，LIU M，et al. Numerical simulation of particle diffusion biosafety laboratory research[C]//Proceedings of the 14th national conference on atmospheric environment of academic. Beijing：Chemical Defense Command Engineering Institute，2007：254—259. （In Chinese）

[9]    高立江，孙文华.用CFD方法评价P3生物安全实验室[J].建筑热能通风空调，2005，24（2）：89—92.

GAO L J，SUN W H. Using CFD technique to estimate the biosafty laboratory[J]. Building Energy and Environment，2005，24（2）：89—92. （In Chinese）

[10]  李在秋，郭亚东，苑庆忠，等. 某动物房洁净空调系统气流组织研究[J]. 医疗卫生装备，2013，34（6）：23—25.

LI Z Q，GUO Y D，YUAN Q Z，et al. Some animal room clean air conditioning system air distribution study [J]. Journal of Medical and Health Care Equipment，2013 （6）：23—25. （In Chinese）

[11]  蔣新波，刘泽华. 典型SPF级实验动物房气流组织模拟分析[J].洁净与空调技术，2004（4）：6—10.

JIANG X B，LIU Z H. Typical SPF laboratory animal room air distribution simulation [J]. Clean and Air Conditioning Technology，2004 （4）：6—10. （In Chinese）

[12]  曹国庆，李晓斌，党宇. 高等级生物安全实验室空间消毒模式风险评估分析[J]. 暖通空调，2017，47（3）：51—56.

CAO G Q，LI X B，DANG Y. High-level biosafety laboratory space disinfection model of risk assessment analysis [J]. Heating Ventilating Air Conditioning，2017，47 （3） ：51—56. （In Chinese）

[13]  韩文东，孙志平，丁悦娜，等. 生物安全三级实验室核心区排风高效空气过滤器原位消毒的研究[J].微生物与感染，2012（3）：146—151.

HAN W D SUN Z P，DING Y N，et al. The biosafety level 3 laboratory core exhaust high efficiency air filter disinfection in situ study [J]. Journal of Microbiology and Infection，2012（3）：146—151. （In Chinese）

[14]  黎特利，吴曼若. 无菌制剂生产环境甲醛熏蒸灭菌的验证[J]. 世界最新医学信息文摘，2017，17（21）：23

LI T L，WU M R. Validation of formaldehyde fumigation sterilization in aseptic preparation production environment [J]. World's Latest Medical Information Abstracts，2017，17 （21）：23（In Chinese）

[15]  毕建军. 生物安全设施和设备生物学验证方法的研究及应用[D]. 北京：中国人民解放军军事医学科学院，2006：89—90.

BI J J. Biological safety facilities and equipment research and application of biological validation method [D]. Beijing：The Chinese People's Liberation Army Military Academy of Medical Sciences，2006：89—90. （In Chinese）

[16]  韩星星，刘鑫，霍星凯，等. 夏季空调房间净化策略及影响因素分析[J].流体机械，2018，46（2）：84—88.

HAN X X，LIU X，HUO X K，et al. The summer air conditioning room purification strategy and influence factors analysis [J]. Journal of Fluid Machinery，2018，46（2）：84—88. （In Chinese）

[17]  韩友圻，刘育京. 甲醛熏蒸消毒主要影响因素作用数学模型的研究[J]. 消毒与灭菌，1989（4）：191—195.

HAN Y Q，LIU Y J. The main factors influencing formaldehyde fumigation action research of the mathematical model [J]. Journal of Disinfection and Sterilization，1989 （4）：191—195. （In Chinese）