071 电加热生物安全三级实验室压力影响的理论探讨.docVIP

电加热对BSL-3实验室压力影响的 理论探讨 中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 牛维乐 摘要：国内的很多BSL-3实验室是现有建筑经过改造而成的，这种改造的实验室的冬季加热通常是通过电加热来实现的。实践表明，BSL-3实验室的空调系统的电加热对BSL-3实验室的压力有很大影响，但影响有无规律可循呢？本文的目的就是对影响BSL-3实验室压力稳定性因素之一的电加热进行研究，并对电加热对BSL-3实验室压力影响的机理和影响的大小及进行理论分析，推导出了电加热量和BSL-3实验室压力之间的函数关系。研究结果显示电加热对于BSL-3实验室的压力影响很大，随着电加热量的增加，BSL-3实验室的压力加大，随着电加热量的减少，BSL-3实验室的压力减小。 关键词：电加热、生物安全三级实验室、压力 前言 美国911事件之后，特别是SARS疫情在我国爆发后，BSL-3实验室的建设在我国得到了快速发展。BSL-3实验室适用于操作能够引起人类或者动物严重疾病，比较容易直接或者间接在人与人、动物与人、动物与动物间传播的微生物【1】的研究实验场所，如果操作失误可通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致死的致病微生物及其毒素。由于BSL-3实验室中的操作具有很大的风险，因此BSL-3实验室的压力稳定对于保护环境、工作人员和实验样品是至关重要的。国内的很多BSL-3实验室是现有建筑经过改造而成的，这种实验室的冬季加热通常是通过电加热来实现的。BSL-3实验室的空调系统的电加热对BSL-3实验室的压力有很大影响，但影响有无规律可循呢？本文的目的就是对影响BSL-3实验室压力稳定性因素之一的电加热进行研究，并对电加热对高通风率BSL-3实验室压力影响的机理和影响的大小及进行研究。 静压差物理意义 当某一房间与相邻的房间之间有门窗和任何形式的孔口存在时，在这些门窗、孔口处于关闭情况下，该房间与相邻空间应维持一个相对静压差，这个压差就是以一定风量通过这些关闭的门窗、孔口的缝隙时的阻力。所以静压差反映的是缝隙的阻力特性。 设缝隙两边的压力分别为P1、P2, 按流体力学原理则其压差 (式1)[2] 式中：——静压差，Pa ——气流通过缝隙的摩擦阻力，由于缝隙很短，而且在洁净室压差条件下，一般在4m/s以下，所以可忽略； ——突然收缩局部阻力系数； ——突然放大局部阻力系数。 因为 (式2) 式中：——空气流速，m/s； ——空气密度，kg/m3； ——流速系数； 通过缝隙的流量与阻力的关系是 (式3) 式中：ε——面积收缩系数； μ——流量系数。 (式4) 由式4可知，对于一个固定的缝隙，缝隙两端的静压差和空气密度成正比，和通过缝隙的空气流量的平方成正比。在工程实际中，缝隙一般比较复杂的，上式与的平方根成正比关系不再成立，而是与的1~1/2次方成正比[2]。 电加热对BSL-3实验室压力影响的理论研究 3.1 BSL-3实验室的压力 由于BSL-3实验室具有一定的气密性，可以将其视作一个密闭空间。密闭空间的理想气体状态方程式为： (式5)[3] 式中：——压力，Pa； ——空气密度，kg/m3； ——通用气体常数，8.3145； ——热力学温度，； ——温度，℃； 由式5得 (式6) 从式6可以看出，BSL-3实验室的压力和空气密度、空气的温度相关的。空气密度增大、空气温度提高都会导致BSL-3实验室的压力的增加；空气密度减小、空气温度降低都会导致BSL-3实验室的压力的降低。空气密度的变化是和空气温度成反比的，空气温度升高空气密度下降，空气温度降低空气密度增高。因此存在 (式7) 式中：——常数，； 如果将空气密度是为常数则有 (式8) 式中：K——常数，； ——BSL-3实验室的室内温度，； 将式7、式8绘制成图1，从图1中可以看出BSL-3实验室的压力是和BSL-3实验室的室内空气温度相关的，BSL-3实验室的室内空气温度升高其压力升高，BSL-3实验室的室内空气温度降低其压力降低。对于冬季设置电加热的BSL-3实验室来说，电加热的启停会影响BSL-3实验室的送风温度升高或降低，送风温度的升高或降低会导致BSL-3实验室室内空气的温度升高或降低，从而导致BSL-3实验室的压力升高或降低。 图1 BSL-3实验室的温度-压