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 截至2022年6月1日，全球累计确诊新型冠状病毒（COVID-19）患者5.3亿，为有效控制疫情，全国各地的地方政府开始大规模兴建PCR实验室，以便于快速地进行核酸筛查，迅速锁定感染人群，有效遏制疫情蔓延。 PCR全称为Polymerase Chain Reaction，即聚合酶链式反应。其原理是[1]利用模板DNA在93℃高温时变性为单链DNA，55℃时引物与单链DNA按碱基互补配对的原则结合，72℃最适反应温度下DNA聚合酶合成复制链，2-3h内能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。 因此PCR反应的最大特点是具有较大的扩增能力和极高的灵敏度，也正是这个特点，使得极其微量的污染即可造成假阳性的检测结果。因此PCR实验室设计的关键是2个控制：控制病原污染，保证生物安全；控制核酸污染，保证结果准确。 科学合理地规划工艺平面布局，是保证试剂、样本不受污染和防止病毒污染人员和环境的先决条件；严谨有序地安排空调通风设计，是保证试剂、样本不受污染和防止病毒污染人员和环境的关键性措施。以下通过无锡最大的三层核酸检测基地为例进行讨论。 #1建筑布局和暖通空调工艺无锡某大型COVID-19核酸检测中心，共三层，每层平面布局基本一致，设有样本接受区、样品拆袋编号预处理及缓冲区（213m2/10m2）、试剂准备间及缓冲区（36m2/10m2）、标本制备间及缓冲区（332m2/20m2）、扩增分析间及其缓冲区（192m2/10m2）、穿防护服及一脱缓冲（47m2/15m2）、PCR走廊（55m2）、新风机房（78m2）、未消毒废弃物暂存间（39m2）、已消毒废弃物暂存间（22m2），及后勤区域包括后勤走廊、仓库、阴凉库、冷库、办公区、生活区、男女更衣、男女淋浴、卫生间等。关键性实验房间为试剂制备间及缓冲区、标本制备间及缓冲区、扩增分析间。 1.1 关键房间和PCR走廊的平面设置对PCR核酸检测中心的建设标准许多专家发表了不同观点。PCR实验室的设计主要依据是 基于新冠病毒可以通过气溶胶经呼吸道传染到相关人员的特征，普遍认为按照BSL-2级别开展新冠生物安全检测不安全，因此多倾向于按BSL-3级别建筑技术标准设计新冠PCR实验室。但BSL-3级别实验室造价昂贵、改造、新建建设周期较长，无法适应快速地在全国范围内大规模建设核酸检测实验室的形势要求。 随着行业规范 合理的平面布局是加强型BSL-2级实验室满足新冠核酸检测实验室安全性、科学性强调的首要性关键性内容。如图一所示是无锡某大型核酸检测中心1-3层核心房间平面布局图，本项目由于采用实时荧光定量PCR仪，提取和分析合在一起，因此采用三个核心用房，即试剂配置间、标本制备间、扩增分析间，此三个用房均有分别设置独立的缓冲间，另有辅助性房间样本接受区和样品拆袋编号预处理间，也设有缓冲用房。各个工作区之间相互独立，不能在物理空间上有相互连通。设置缓冲区的目的有[4]：  由于平面布置面积较为充裕，该中心分别设计了内走廊（PCR专用走廊）和外走廊。PCR专用走廊，可作为几个核心工作区的共用前室；也便于形成从试剂配置间→标本制备间→扩增分析间的定向气流，避免空气倒流或乱流造成的核酸交叉污染风险。设置的外走廊即后勤走廊，避免了非工作区活动和工作区活动产生干扰。 1.2 关键房间设计技术指标的确定本基地每个核心用房配备的设备不一样：每层试剂配置间主要工作设备有2台2~8℃冰箱，1台冰柜，4台洁净工作台；每层标本制备间设有A2级双人生物安全柜30台，40台提取仪，5台自动分析仪；每层扩增分析间设有1台2~8℃冰箱，PCR设备拟布置100台，属于较大规模的核酸检测中心。 笔者参与了几个核酸检测中心的设计讨论工作，不同核酸检测中心所处的朝向、位置、内部设备类型和数量及人员数量等均不相同，必然引起空调负荷、排风量、新风量等设计参数差异，以下做系统性阐述。 1.2.1 压差控制问题根据 另根据 因此本项目试剂准备区保持20Pa正压，相应缓冲区保持10Pa正压；标本制备间保持-20Pa负压，相应缓冲区保持-10Pa负压；扩增分析区保持-20Pa负压，相应缓冲区保持-10Pa负压；样品接受和样品拆袋编号预处理区保持-20Pa负压，相应缓冲区保持-10Pa负压；内走廊压力保持0Pa。 1.2.2 关键房间空调系统负荷分析从该项目看，主要房间的北面处于外区，冷负荷组成主要为： 工作人员都穿着防护服，在炎热夏季进行工作，一般要求适宜温度控制在23℃。无论室外新风处理到室内等焓状态（室内等焓线与相对湿度90%的交点）还是处理到室内等含湿量状态（室内等含湿量线与相对湿度90%的交点），新风负荷都非常大，当采用直流式全新风系统时，去除室内余热余湿所需要的新风量将会很大。图2显示了无锡地区两种新风处理过程的焓湿图。  1.2.3 是否需要净化问题分析一种观点认为，PCR核酸检测中心需采用净化等级7~8级设置全新风直流式系统，集中送风，分区独立排风，先抛开是否采用直流式系统不谈，持有新风需要净化的观点的原因，是认为全屋净化设计能延长生物安全柜等装有高效过滤装置的使用寿命。 另外一种观点认为，采用全新风直流式系统之后，由于1.2.2所述的重点用房设备发热量巨大导致的消除余热余湿的送风量和换气次数，不同房间约为20~50次/h，已经远远超过了7~8级的15次/h左右的换气次数，因此讨论换气次数的高低来决定是否考虑洁净度要求已经毫无意义，问题归结为末端送风口是否需要设置高效过滤器，及阻力的不同导致的送风系统压头大小带来的能耗问题。 #2PCR实验室通风系统设计分析2.1 气流组织设计
 2.2 压差控制策略通过送排风换气次数的差异来维持不同房间的压差控制的方法，如试剂准备区保持20Pa正压，送入房间的风量比排出房间风量大2.5次/h换气次数；如扩增分析区保持-20Pa负压，排出房间的风量比送入房间风量大2.5次/h换气次数。 本项目采用的生物安全柜为A2级，非B2级，A2级柜内风系统运转模式为内部循环，无需排到室外，因此不会出现类似于B2级生物安全柜因为启闭导致排风增减进而引起室内房间压差的波动问题。 本项目面积较大，每层的样本接受区、样品拆袋编号预处理及缓冲区、试剂制备间及缓冲区、扩增分析间及其缓冲区分别设置一套独立的新、排风系统。 通风空调系统主要包括送风机、排风机组、定/变风量文丘里风阀、送风口和排风口、高效排风过滤装置等。其中，送、排风机变频可调是关键，它是压差控制的最基本条件。定/变风量压力无关型风阀是调节房间绝对压力的重要手段[3]。 #3不同实施路径的暖通空调系统设计分析笔者根据无锡、江阴、宜兴、南京等城市实施的几个核酸检测实验室项目的实践来看，其暖通空调系统的实施路径出现了两种不同的设计形式。 一种强调核心用房采用全新风直流式系统、按照空气净化等级7-8级来控制压差并实现空气调节，实施标准较高、建设周期较长、造价较高、运行费用较高的所谓＂高昂＂系统，新风处理方式为：新风处理到室内等含湿量线或者更低的区域；另一种强调核心用房采用全新风和全排风系统保持室内必要的压差，室内冷负荷由设置在每个房间的风机盘管（一般采用VRF末端）和新风共同承担，实施所谓标准较低、建设周期较短、造价较低、运行费用较低的所谓＂低廉＂系统。 以下从负荷分配对这两种系统做简单分析。 3.1 全新风直流式系统的负荷分配设计全新风直流系统，夏季由新风来承担自身冷负荷及全部室内冷负荷，由前分析由于室内冷负荷较大（主要是设备散热冷负荷很大），必然导致送风换气次数很大，以本项目192m2的扩增分析间为例，其室内PCR设备为电热型设备，发热量大，新风处理到室内等湿度线（如图二（b）所示），室内冷负荷为250W/m2（其中设备负荷100W/m2），单位风量的焓差为： 61.19-55.59=5.6kJ/kg 则送风量为： 48.0/5.6/1.2×3600=25714m3/h 折算送风换气次数为47次/h换气次数，排风量为49.5次/h。 系统总的冷量为： (90.12-55.59)×1.2×25714/3600=295kw冷量 采用全新风直流式系统可以看出，送风焓差越小，在室内冷负荷较大的情况下，送风量越大，增加焓差，将新风处理到8g/kg（a）与90%相对湿度线交点，可降低送、回风量。冬季，室内发热量较大，很多全新风空调箱设置了加热器，主要目的不是为了夏季再热，而是为了在冬季给室外新风加热，提供比室内温度低的送风，为实验室供冷。 3.2 空调与通风分离式系统的负荷分配设计通风与空调分离式系统，夏季由新风来承担自身冷负荷，由VRF室内机承担室内冷负荷，以本项目192m2的扩增分析间为例，新风处理到室内等焓线（如图2（a）所示），室内冷负荷为250W/m2，由VRF室内机承担。 在这种情况下，焓湿图计算就类似于风机盘管+新风空调系统的计算方式，只需要按照最小换气次数12次/h甚至更小的换气次数计算即可，即送风量为192×12×2.8=6451m3/h，排风换气次数为14.5次/h即7795m3/h即可。 系统总冷量为: (90.12-61.19)×6451×1.2/3600 +192×300/1000 =119.8kw 这种方式的总冷量相当于全新风直流系统总冷量的40%。 从PCR扩增分析间采用空调与通风分离式系统可以看出，此系统类似于风机盘管加新风系统，区别是为了保证送风的均匀性，和有利于重点房间压差的形成，送风量比舒适性空调大而已。 3.3 集中式PCR核酸检测场所归属生物安全实验室的类别及设计参数的确定由以上全新风直流式系统和空调与通风分离式系统计算可以看出，两者夏季系统总冷量相差较大，夏季能耗相差较大。空调与通风分离式系统作为前述所谓＂低廉＂系统，采用VRF室内机承担室内冷负荷，避免了由室外新风经过处理承担室内所有负荷造成的大风量、大冷量。 笔者认为，在采用了核心房间物理分割、缓冲区、压差控制等最核心技术措施之后，现行相关法规、规范并未对PCR核酸检测核心区域要求必须采用全新风直流系统以及净化空调系统，而且从实践来看，无锡、南京地区如无锡梁溪区新冠核酸检测中心、南京中医院新冠核酸检测中心均在核心工作区域采用了空调与通风分离式系统，未发现病毒泄露或假阳性案例的发生，证明＂低廉＂系统也是经过实践检验且完全可行的。基于此，集中式PCR核酸检测场所的暖通设计参数可根据以上两种设计方式分别进行归类设置及对比分析，如表格一所示。 表一 两种不同空调通风方式的PCR集中实验室暖通空调设计参数比较表  从上表比较来看，两者之间的设计参数差异带来了如下结果： 1）送风是否设置高效过滤器导致了送风系统阻力的差异； 2）是采用全新风系统承担室内冷负荷，还是绝大部分室内冷负荷由室内带有回风的VRF末端来承担，新风只承担自身负荷决定了系统总冷量装备的差异。 3）根据核算，核心工作区域，设备发热量较多的情况下，空调通风分离系统的制冷总装备冷量一般不会超过600W/m2，直流式系统的制冷总装备冷量会更大。 3.4 排烟系统设计本项目大于50m2的房间和双内走道都需要设置排烟系统，吊顶净高为2.8m，根据 最大排烟房间标本制备制备间的面积为332m2，排烟量为332×60=19920m3/h，相邻房间排烟量均为15000m3/h，则系统总的排烟量为（19920+15000）=34920m3/h，选择的排烟风机排烟量为：34920×1.2≥41904m3/h。 走道吊顶内风管的耐火极限为1.0h，房间内吊顶内排烟风管的耐火极限为0.5h，风管采用GFZ装配式一体化耐火极限无机风管，设计风速控制在15m/s以内，防火风管板材核心层为110-140kg/m3的憎水岩棉上下复合特制防火板的三明治结构[5][6]，防火风管板材0.5h的结构形式为3mm+19mm+3mm，1h的结构形式为4mm+32mm+4mm的板材并采用C型插条连接，成品风管到现场吊装，安装方便、快捷。 #4＂防疫＂及＂双碳＂背景下PCR生物实验室建设模式的选择安全第一、严格把关、科学设计是建设PCR核酸检测实验室的核心，以上分析的两种实施路径均坚持了法规和规范要求的必须严格执行的平面布局、压差控制等措施，特别是第二种实施路径对于非必要严格执行的净化要求、全新风直流式系统采取了灵活的处理方式，对于当前大量亟需完成的＂多快好省＂要求的新冠核酸检测实验室建设也是值得借鉴的实施方案之一。 低碳节能、注重成本、快速实施是建设PCR核酸检测实验室的关键。从上述分析，无论哪种实施路径，节能措施是相同的： 1）合理确定实验室内的温度和相对湿度，合理确定新风的处理状态至关重要，如将新风处理到低于室内含湿量点，则送风焓差大了，减少了送风量，但增加了压缩机的耗功； 2）合理选择送风、排风各级过滤器，合理布置风管等措施降低风机能耗； 3）采用分离式热管，如图4所示无交叉感染的空气-空气能量热回收方式，也是非常适合PCR生物实验室的重要节能措施，特别是如有定型定制产品，可以迅速进行装备到位。  #5结语本文通过无锡某大型集中PCR核酸检测的实际案例介绍了核酸检测中心工艺平面、分区功能、医学设备配置情况等，对关键房间的暖通设计参数、气流组织、净化要求、负荷分析、实施细节等展开分析讨论，解读、评判。通过求真务实地实践和分析，讨论了两种不同暖通空调设计方案的实施路径。通过实践表明，可以根据具体项目的实际情况灵活采用两种不同的实施路径完成核酸检测中心的建设。 参考文献： [1]医院通风空调设计指南 黄中著 [M] 北京：中国建筑工业出版社 2019年 [2]中华人民共和国住房与城乡建设部 生物安全实验室建筑技术规范GB 50346-2011[S] 北京：中国建筑工业出版社 2011年 [3]中国建筑科学院有限公司医学生物安全二级实验室建筑技术标准T/ CECS 662-2020[S] 北京：中国工程建设标准化协会2020年 [4]杨九祥 谢景欣等 集中式PCR实验室设计与建造关键技术分析[J] 暖通空调，2021(7):87-90 31-36 [5]欧志刚 撒世忠 黄智华 防排烟风管的耐火检测与类型差异的解析[J].建筑热能通风空调,2022(1):87-90 [6]撒世忠 黄智华 一种新型耐火极限风管的应用[J].暖通空调,2022(S1):199-202 作者介绍： 张伟琳，女，1987年6月生，建筑环境与设备工程学士，轮机工程工学硕士，工程师 撒世忠，男，1975-，土木工程工学学士，暖通工学硕士，高级工程师，注册公用设备师（暖通空调），发表学术论文36篇 |
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