设备布局与通风配置对ABSL-3实验室气溶胶暴露风险的耦合效应

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Coupling effect of equipment layout and ventilation configuration on aerosol exposure risk in an ABSL-3 laboratory

　　

摘要

高级别生物安全实验室中意外泄漏产生的传染性生物气溶胶对人员安全构成持续威胁。设备布局与通风策略的耦合效应尚未被系统揭示。本研究以ABSL-3实验室为对象，选取了两种典型设备配置方案的实验室：单侧集中式布局（A10）和双侧分散式布局（A12）。我们将三种通风方案——上送上排（UU）、上送下排（UL）和上送上排兼下排（UUL）——进行组合，构建了六种工况条件。本研究结合鼠李糖杆菌示踪实验与数值计算，研究了生物气溶胶的扩散、沉积以及人员暴露风险。结果表明，通风布局主导宏观气流模式，而设备布局通过边界效应造成局部扰动。UU布局的整体气溶胶衰减系数最高（0.02380、0.02427）。但UL布局的方向性排风效率最优，相比UU提升33.32%。地面和下游墙面被确定为关键沉积位置。风险评估显示，A12-UL组合在呼吸区的感染概率比A10-UU配置低近一个数量级。此外，在A12-UL设置中，高风险区域被有效限制在污染源下游区域。本研究为优化生物安全实验室的设备布置和差异化气流控制策略提供了量化设计依据。

引言

高级别生物安全实验室（BSL）是处理高致病性微生物的核心物理屏障设施。其内部环境的安全性直接关系到实验室人员的健康与公众安全[1,2]。为防止病原体泄漏，这些建筑采用负压梯度和严格的定向气流控制来限制潜在污染物[3]。然而，误操作、设备故障或溢出事件仍可能产生大量生物气溶胶。这些微米级气溶胶粒子可在空气中悬浮并随气流迁移，通过呼吸道暴露人员于感染风险中[4,5]。因此，揭示密闭空间中生物气溶胶的输运、沉积和暴露模式对于优化实验室通风设计和降低职业感染风险具有至关重要的价值。

室内气流组织是决定生物气溶胶时空分布的主导因素。经典通风策略，如顶送顶排、顶送侧排和混合排风，在洁净室和医院隔离病房等受控环境中已被广泛研究[[6]、[7]、[8]]。研究表明，顶送下排气流可实现类似活塞的定向污染物去除，而顶送顶排模式则倾向于形成大规模循环和污染物再循环[9,10]。近年来，计算流体力学（CFD）与离散相模型（DPM）的耦合被广泛应用于气溶胶扩散的瞬态预测。例如，Liu等人模拟了隔离病房中咳嗽产生的液滴扩散，发现通风口位置显著影响暴露风险[11]。一些研究将现场测量与CFD相结合，验证了生物安全柜内的气溶胶逃逸特性[12,13]。生物安全柜内气流优化研究成功细化了内部气流分布，确保了下降气流的均匀性[14]。动态网格技术进一步量化了人员手臂运动和室内移动对负压气帘的影响[15,16]。在整体实验室研究中，实验与CFD的耦合研究量化了常规操作过程中气溶胶扩散的风险[17]。随后，改进的Wells-Riley模型被用于定量映射意外泄漏的空间风险[18]。此外，设备布局的流场敏感性分析表明，大型仪器的下风向可能成为气溶胶积累的主要区域[19,20]。

在动物生物安全实验室（ABSL）中，独立通风笼（IVC）和生物安全柜占据了相当大的空间比例。这些设备作为内部边界，不仅压缩了有效流通截面，还从根本上改变了预设的气流轨迹[18,20,21]。近年来，一些研究人员开始关注障碍物对气流组织的影响。研究表明，大型室内障碍物会扰乱置换通风的热分层[19,22]。在模拟手术室中，发现设备放置位置可改变手术区域的细菌沉积率[23]。对于BSL领域，已对不同动物笼布局进行了气流均匀性模拟，但尚未涉及全室气溶胶扩散问题[24]。研究已探讨了生物安全柜影响下的气流差异，但仅考虑了单一通风模式[25]。迄今为止，仍缺乏关于设备布局与通风模式交互效应的对比研究。特别是当IVC和生物安全柜采用单侧集中或双侧分散布局时，流场结构、自净效率和感染概率的变化尚未被定量揭示或从机理上进行解释。

针对上述研究空白，本研究选取了两间结构参数、通风特性和换气次数相同的ABSL-3实验室，对应两种典型设备布局。A10实验室采用靠近送风侧的单侧集中布局，使对侧保持开阔。A12实验室将动物笼和生物安全柜布置在送风口和排风口两侧，形成双侧分散布局。在此基础上，引入三种典型通风策略——上送上排、上送下排和上送上排兼下排，构建了六种交叉工况。在实验阶段，使用安德森采样器采集多点浓度数据以验证数值模型的准确性。随后，系统分析了不同工况下的气流结构、瞬态粒子扩散过程、悬浮衰减率以及表面沉降分布。此外，对坐姿和站姿呼吸高度处的暴露概率分布进行了定量评估。本研究旨在定量识别平衡快速自净化与低暴露风险的最佳设备-通风组合方案。为优化BSL布局和差异化气流控制提供科学依据。

章节摘要

实验室环境参数

本研究主要关注两间ABSL-3实验室。该实验室按照《生物安全实验室通用要求（GB-19489）》[26]和《生物安全实验室建筑技术规范（GB-50346）》[2]进行设计和建造。实验室整体环境维持负压状态，操作区与大气压之间的压差为-70 Pa。换气次数为每小时40次，且

边界条件与工况设置

基于实验获得的ABSL-3尺寸参数，使用Space Claim建立了实验室的三维模型。送风口设置为速度入口，实测平均风速为2.05 m/s。排风口边界条件配置为压力出口边界。实验室压力设定为-70 Pa，相对湿度为50%，环境温度与送风温度均维持在23°C。实验室的墙面

流场特征

图5展示了Z = 1.6 m平面的流场可视化结果。在1.6 m的呼吸高度处，室内气流主要表现为大规模水平循环，形成明显且稳定的大尺度循环涡。在缓冲区前方仍存在局部涡流。生物安全柜位于水平气流的循环路径中。整体风速高于旋转中心处的风速。然而，由于

结论

本研究将生物气溶胶示踪实验与数值模拟相结合，系统研究了不同设备几何布局与通风配置的交互作用。研究考察了ABSL-3实验室内部气流组织的变化，以及生物气溶胶的扩散、沉积和自净化特征，定量评估了人员在呼吸高度处的感染风险分布。主要的

局限性与未来研究

在高级别生物安全实验室中，科学研究使用的病原体种类繁多，包括病毒、细菌和真菌，各自粒径各异。这导致携带病原体的气溶胶粒子直径存在显著差异，直接影响重力沉降效应。因此，在研究分析中应考虑多种粒径，为应对各类潜在泄漏提供参考依据

CRediT作者贡献声明

王永鑫：撰写——初稿、软件、方法论、数据管理、概念构思。刘智建：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。李梓健：软件、方法论。石梓润：验证、数据管理。卢宣承：形式分析、数据管理。李海龙：验证、软件。陈婉悦：数据管理。何俊舟：监督、软件。曹国青：监督。

Yongxin Wang（王永鑫）| Zhijian Liu（刘智建）| Zijian Li（李梓健）| Zirun Shi（石梓润）| Xuancheng Lu（卢宣承）| Hailong Li（李海龙）| Wanyue Chen（陈婉悦）| Junzhou He（何俊舟）| Guoqing Cao（曹国青）

华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北，中国