第二章 实验动物设施独特的通风要求
许多物种的动物都在实验设施中饲养和使用。水生动植物、蝙蝠、白鼬、鱼类、青蛙、非人灵长类动物、鸽子、兔子、啮齿类动物和绵羊都是现在实验使用的对象。本节将介绍一般动物实验室的通风设计要点，并集中介绍转基因啮齿类动物的环境和气流控制方案，其原因是现在对密度日益增高的转基因啮齿类动物（典型的如小鼠）饲养的强烈需要。这些动物具有被改变的遗传因子，这使得它们在生物医学研究的许多领域都具有特殊的价值。
大环境
饲养房间在实验动物设施中是一个大环境，它需要对温度、相对湿度、气流、压力及照明进行监控的可靠的监测控制系统。HVAC 的设备需要冗余及应急电源以尽可能保持动物环境稳定和恒定不变。
 | 图 2－1 大环境 动物饲养室是转基因啮齿类动物的次级围护结构，维持正确的气流、温度、湿度、光照及声响是此环境所必需的。 |
为达到大环境的主要目标，一定要对各种参数进行控制。其中最重要的参数有：
· 压力
· 温度及相对湿度
· 通风率（即换气次数）
压力
在动物实验室中，采用设置压力区的方法来控制空气污染物和过敏原的路径。通常，屏障区要维持正压，而阻隔区域要维持相对负压。对于行业中广泛应用的单走廊屏障设施，动物饲养室压力控制有几种方法（这里不涉及同时具有清洁及污染房间的混合设施）。其中一些将所有的动物饲养室维持在相对正压，从而使污染物远离无病的动物；其它的则是在所有动物都没有疾病的前提下，将所有房间保持相对负压。如果疾病在一个动物身上发生，则房间负压将疾病遏制在这个房间中。其方法是：从病毒被查出直至被清除这段时间里，负压将保证这种疾病被遏制在房间中。要根据研究工作要求、建筑布局和通风系统容量确定合适的压力控制方案，有必要对每一设施进行评估。对于大多数设施来说，压力可切换合乎需要，因为它提供了最大的灵活性。
 | 图 2-2 动物饲养室的压力选择 大环境可能根据需要维持在正压或负压下，而一些设施要求房间压力是可改变的。 |
| 负压房间 | 正压房间 |
| 检疫房间 | 外科手术室 |
| 暴露于危险物质下的动物生活区 | 无特定病原体动物房 |
| 非人灵长类动物饲养室 | 清洁设备储藏室 |
实验动物设施压力控制要点有：
· 建筑的密闭性和结构的稳定性
· 压差控制与余风量
· 压力梯度
建筑密闭性和结构的稳定性
动物房间的一个最为关键的特点是其建筑密闭性，这一事实在房间交付使用后会得到证实。压力能否达到其希望的标准完全取决于房间的墙壁，天花板，门和房间围护的适当密封。有渗漏的地方一定要做好充分的填补，所有的门一定要有持久而有效的密封，以阻止害虫进入和藏身（ILAR, 第 73 页）并控制压力。建筑结构的完整性也会影响压力控制性能。
压差控制与余风量
余风量已被证明是获得动物实验室稳定压力的最有效方法。将压力控制到一个特定值的压差控制法，是一个非常困难且不稳定的方法。美国国家标准研究所（ANSI）与美国工业卫生协会（AIHA）一起，支持对实验室环境采用余风量方法来解决压差控制问题。ANSI 的标准 Z9.5（参照通用实验室空间）中有下面这个观点：“规定定量的压力差是糟糕的设计依据… 而真正需要的是余风量（ANSI /AIHA Z9.5，第 7 页，第 4.11.4 节）。
图 2-3 推荐采用余风量法解决压力控制问题准确的余风量控制为动物及工作提供了一个稳定的环境
压力梯度
不同的设施，动物饲养室与走廊之间压差的大小是变化的。大多数情况下采用的压力范围是 0.03 到 0.075 英寸水柱（约 7.47 到 18.67Pa，0.05″是最常用的），并且在压差过低时要报警。对重要房间进行压力监测有利于表明压力控制水平。
 | 图 2-4 室内压力监测 许多设施都需要室内压力监测。可选择房间压差就地监测，也可将其集成到大楼管理系统之中。 |
实验动物设施是众人皆知的气味及空气传播过敏原的制造者。国家职业安全与健康研究所(NIOS)在 1999 年版的报告中指出：一半以上的实验动物
工作人员正经受着过敏反应的影响，这使他们不能完成日常的研究和管理任务。通风系统被用作消除或减少这种问题的主要手段。
温度及相对湿度
动物研究设施需要一套稳定的通风控制系统来维持正确的环境参数。温度是其中最关键的参数，并且通常要被控制到设定值的±2 ℉ （或±1℃），温度设定值为 61-84℉（16-29℃）之间（ILAR 第 32 页 表 2.4）。因为不同房间的热负荷有较大不同，实验室内的每一个房间都需要有自己的温度控制系统。长时间里只使用单一品系动物的设施设计采用的温度范围可能比较狭小。在大多数应用中，相对湿度（RH）控制的目标为 30-70%（ILAR 第 30 页），其设定值在 50-55%。在冬季，距离赤道越远，维持相对湿度在 30%以上可能就越困难。因为可接受的湿度范围是在 30-70%之间，多房间系统可以作为一个单独区域来控制，特别当它们不是主要房间时，如储藏室或某些类型的操作工序的房间。湿度控制中阀件的使用可能会十分昂贵，因此在此消费前应作评估以确定其合理性。
本书在“标准及指南”一章针对特定物种的动物列出了推荐的温度、相对湿度和热负荷。在“控制应用”一章中对温、湿度控制系统进行了描述。
通风率
动物研究设施所采用的100%的全新风空气换气次数要比其它的研究实验室高许多。这主要归因于动物居住稠密的动物房间内产生的热量和污染物。虽然指南中指出“每小时 10-15 次新鲜空气的换气被看作是可接受的一般标准”（ILAR，第32 页），但每小时 18-20 次的换气也是很普遍的。即使采用了这些增高的空气换气次数，除非有缓解的策略实施，过度的气味及以空气传播的过敏源可能仍旧是个问题。这一问题在本章中的 小环境 标题下将有更详细的阐述。对较低换气次数和变风量控制的思考
降低 100%全新风系统每小时空气换气次数（ACH）这一技术还没有被广泛应用于实验动物设施中，但考虑降低换气次数是有益的。变风量（VAV）控制系统提供了最大程度的灵活性和适应性，可以更有效地使用通风系统。系统具有降低通风率的能力，这常常会证明对 VAV 系统的额外投资是合理的。在以下情况下可以考虑降低设施的换气次数（ACH）：
· 动物的初级围护结构（小环境）不受影响
· 房间状态（温度和湿度）在换气次数较低时能够得到控制
· 动物热负荷可以被直接排出室外
· 一个房间中饲养的动物数量减少了
· 没有工作人员使用房间
· 操作和使用是阶段性的（例如：动物笼清洗 = 8 小时开，16 小时关）
每个房间都需要一定量的通风以对这一空间进行正确控制。使用的空气量超过达到前述各种目标所必要的空气量是一种能量的浪费。一套优质的 VAV 系统会将房间换气次数控制在适当的并且是最低的数值，同时还对房间内的变化作出反应，这样房间环境就能够保持稳定和舒适。
减少换气次数有许多益处，包括：
· 降低能耗
· 降低运行费用
· 减少 HVAC 系统的噪声和失调
· 减少系统部件的耗损
· 当低换气次数区域的通风调高时房间饲养容量增加
为啮齿类动物提供的带通风的动物笼稳定了动物的初级环境。如果动物笼与建筑的排风系统相连，减少房间内换气次数的考虑就合理了。通过将笼架内的空气直接排入房屋的排风系统，房内的气味、气体排放物和热负荷都会被排出房间而不会重又循环回到房间内。热负荷和通风负荷降低时可考虑采用较为传统的 6-8次/小时的换气次数。VAV 房间控制还可以被考虑用来进一步改善房间状况、降低能量消耗。变风量控制在“控制应用”一章中将详细讨论
实验室 A：换气次数 15 次/小时 将笼中气体直接排入房间 |
实验室 B：换气次数 8 次/小时 将笼中气体排入建筑物排风系统 |
图 2-5，降低换气次数
实验室 A 中的动物笼直接向房间排风，这就需要较高的空气换气次数（15 次/小时）去排除热量、气味和气体污染物。实验室 B 中的动物笼向建筑物排风系统排风，这显著减少了房内的热负荷、气味和易挥发的刺激物。这使得在实验室 B 的条件下，房间换气次数降低。
小环境
动物笼是动物的初级围护结构或者小环境。根据指南，初级围护结构应设计提供足够的通风…并且不对动物正常的生理和行为需要产生压力(ILAR, 第 23页)。静态的，带过滤器盖的动物笼
一种形式的啮齿类动物房舍是过滤器盖动物笼，因为其空气交换量最小（据报道少于 1 次/小时），所以也被称作静态的小环境。笼子被放在架子上或在通风的围护结构中。包含过滤器盖的动物笼主要是作为保护动物免受空气传播病菌伤害的屏障，但也可用作一种隔离空间。尽管过滤器盖有效限制了空气传播物质的通过，但由于空气缺少流动，导致了笼内湿度及气体浓度的迅速增长，这就需要频繁更换垫料。频繁更换垫料需要昂贵的劳动力，且将人员和动物暴露在病原体之下的可能性更高，此外，动物笼有额外的耗损、要设置动物笼清洗区，还需要有一般性的费用。这些缺点并不会导致不使用这种类型的动物笼。事实上，静态动物笼对生物安全 2 级和 3 级的研究尤其有用，在此类研究中，阻隔是关键问题。
 | 图 2－6 给啮齿类动物使用的静态的带过滤器盖的动物笼 空气交换量最小，一般在 1 次/小时左右 |
带通风的动物笼系统
自从在 70 年末开始采用带通风的动物笼架以来，在啮齿类动物饲养设施中，这种动物笼已经成为理想的标准设备，它是对静态动物笼的补充，减少了静态动物笼的使用。典型情况，单个动物笼里饲养 4－5 只小鼠或 1－2 只大鼠。带 HEPA过滤器的专用的送风和排风机用于维持笼内正压（有时是负压），风机一般安置在架子上。尽管加在有 100 个以上动物笼的笼架上的典型总送风量低于 50CFM，每个笼内的通风率一般要达每小时 50 次换气甚至更多。这样高的换气降低了笼内氨和其它废物的浓度。笼架还能够提供自动供水系统的固定架和节省人力的系统，现在获得了越来越多的研究机构的认可。所有这些特点都对动物环境的改善起到了作用。
啮齿动物饲养室
图 2－7 用于啮齿类动物的通风笼架举例。
笼架系统的通风选择方案 正如上边所提及，带通风的笼架正在渐渐普及，因为它们能够适应动物饲养室中动物密度的急剧增加。但是笼架风机将笼内气体排至屋内，而且随着动物密度增加会发生令人不快的环境问题，最主要的问题是饲养室内的工作人员暴露在挥发性刺激物之中。风机还会产生噪声、振动，还需要维护、增加房间制冷负荷。使用笼架风机的另外两个不利因素是它们的成本和需要定期移走清洗的困难。针对这些问题，建筑设计师开始将笼架连接到能够提供干净、适宜的空气到笼内并将笼内气体送至室外的建筑通风系统上。 尽管这种方法简单合理，但在将通风笼架连接到建筑系统的过程中却存在很多问题。在某些情况下会导致严重的防护问题和环境的不稳定。为避免这些问题，在设计笼架的连接时我们需要对笼架的气流控制方式和静压需求有彻底的了解。使用像手阀和风口等压力相关设备是常见的错误。这些原始的设备不能自动平衡风道系统中的压力波动，因此会导致气流控制不稳定。为解决将笼架连接到建筑送排风系统中出现的问题，Phoenix 开发了笼架阀来解决这个问题。这种压力无关的笼架阀是特别 针对这种应用、消除连接中普遍存在的平衡和流量控制问题而设计的。在第五章的 71－75 页有关于该设备的特点、规格和安装指导。 | 关于带通风笼架的一些实际情况： 1． 每个笼架的送风及排风流量必须恒定并且必须要严格保持稳定。 2． 每个笼架的送风一定要经 HEPA 过滤器过滤。笼架排风机也要包含 HEPA 过滤器。 3． 给笼架的送风气流量可以低于 50CFM，但每个笼子的换气次数要超过每小时 50次。 4． 带通风的笼具系统的每个生产厂家可以在每个单个笼子的通风策略上与其他厂家不同。 5． 对于带通风的笼架，优先选用的送风来源是动物饲养室，因为典型情况下，房间空气的温、湿度与笼具所要求的温、湿度大小相近。使用建筑物中央通风系统则需要额外的冗余和环境控制，这使建筑物中央通风系统作为送风来源要更加昂贵。 6．已经证明，采用风阀、流量或者压力测量装置的方法波动强烈且令人不满。高性能的压力无关的流量控制对于将笼架连接到建筑物系统的方法来说是最好的解决方案。 |
啮齿动物饲养室的通风方案
本节提供了为笼架通风的四种方案、关于采用单阀的多笼架应用和需要流量低于Phoenix 笼架阀工作范围[30-150CFM （50-250m 3 /hr ）]的多笼架应用讨论。值得重点注意的是笼架制造商在一直推出可能影响通风策略的新的系统，因此我们必须尽早了解其对集成系统的要求，以便在笼架到货、开通系统之前能将适当的解决方案设计到工程之中。的多笼架应用讨论。值得重点注意的是笼架制造商在一直推出可能影响通风策略的新的系统，因此我们必须尽早了解其对集成系统的要求，以便在笼架到货、开通系统之前能将适当的解决方案设计到工程之中
方案 1 ：笼架带送、排风机，使用房间空气通风
图 2-8 笼架带送排风机，使用房间空气通风（通风方案 笼架带送排风机，使用房间空气通风（通风方案 1 ） | 通风笼架制造商同时还提供送风和排风机，每个都可拆装以便于支架的清洁。送风机将房内空气通过高效过滤器导入动物笼，该过程引起动物笼内温度升高 2-3℉（1-2℃）。支架排风机还包括一个高效过滤器，因为风机要将可能被污染的空气从动物笼中抽出并且必须要将清洁的空气送回房间内。 优点： 1. 气流控制方式简单。 2. 笼架在饲养室中布局灵活性高。 3. 高效过滤器减少了房间中的微粒数。 缺点： 1. 首期投资高于方案 3、4。 - 笼架风机昂贵，一般每台风机需 1500 美金； - 风机产生热量，这增加增加了房间的制冷需求； - 风机将动物的热量排入房间； - 笼架风机（每个房间可能 8-18 套）需要维护； - 房间需要许多双向开门清洗设备，一般需要安装应急电源以便保证笼架通风。 2. 饲养室中的噪声增加了。每个饲养室通常含有 4-9 个笼架，需要 8-18 套风机。由于噪声源每增加一倍，声级增加 3dB，所以房间内风机的实际发出的噪声至少要比一台风机发出的噪声大 9-12dB。 3. 风机振动。当隔离器装有风机时，肯定会产生振动。当风机安装在靠近笼架的支架上时，可消除振动，但是这需要增加额外的零配件和人工。也将使房间消毒更加困难。 4. 室内空气质量问题（IAQ）。尽管高效过滤（HEPA）可减少室内空气中的微粒数，但是一些气态废物还是被排到室内。这些易挥发刺激性物质（如气味、信息素*、过敏原等）是非常另人讨厌的。我们应尽可能的消除它们。 5. 人类工程学问题，将风机从笼架中拆除是非常麻烦的，特别是与方案 4 相比较而言。 * 信息素是指动物的荷尔蒙气味，这可能对室内其它动物有不利影响。 |
方案 2 ：笼架带送、排风机和套管，使用房间空气通风
图 2-9：笼架带送排风机和套管，使用房间空气通风（通风方案：笼架带送排风机和套管，使用房间空气通风（通风方案 2 ） | 与第一种方案相似，动物笼的空气通过加高效过滤器的送、排风机送风和排风。另外，动物笼的空气排放与建筑排放设施通过套管或吸气罩相连，以消除笼架风机和建筑排风管道之间的相互影响。以前将笼架直接连接到建筑排风道的尝试存在问题，这是因为建筑物排风道的压力波动导致了频繁的气流不平衡，使得动物环境不稳定 优点： 1. 正确的设计和套管的使用可解决压力波动的问题（方案 3、4 也解决了这些问题）。 缺点： 1. 初投资及运行费用非常高。 - 这种方式需要两台风机，每台 1500 美金，加上集气管风道系统费用，同时，每台笼架接管处的压力相关的装置（如：手动风阀和风口等）气流平衡困难。 - 增加了维护费用（比方案 3、4 高），因为每个笼架需 2 套风机及过滤器； - 风机产生的热量增加了房间的制冷需求； - 需要给笼架提供标准电源及应急电源； - 集气管套管将来需要昂贵的平衡费用。 2. 当套管的手动风阀/风口被错误关闭时，排风将回到饲养室，这可能会导致笼架通风的不平衡，影响房间压力。这会对大环境、小环境的阻隔性能造成影响。 3. 噪声仍然是个问题，因为这种方法需要一台笼架排风机，其噪声比一般在两台笼架风机中较高。 4. 不像方案 3、4，风机会产生振动，除非风机不安装在笼架上。 5. 这是个零乱的方案，它需要大量的硬件，如： - 风机/过滤器主机； - 电线； - 软管连接； - 吸气罩； - 风口或风阀； 6. 如果用于连接笼架的集气管风道的风量控制装置不是高性能的压力无关阀门，房间压力控制非常易于成为一个难题。 由于以上原因，目前使用吸气罩连接方式已不再流行。 |
方案 3：笼架带送风机，将排风连接到建筑物排风系统，使用房间空气通风
图 2-10：笼架带送风机，将排风连接到建筑物排风系统，采用房间空气通风（通风方案：笼架带送风机，将排风连接到建筑物排风系统，采用房间空气通风（通风方案 3 | 要连接到建筑物通风系统，通风笼架的送风、排风之中，排风侧较为有利。这种方式大大改善了房间空气质量、能源消耗和房间噪声。 定风量文丘里笼架阀提供了简单、可靠的直接连接方式，它不需要吸气罩、排风风机/过滤器主机。 优点： 1. 将动物热量、气态废物、异味和过敏原从房间可靠地排出； 2. 即使在排风道压力变化时也能保持动物笼内的稳定； 3. 减少了初投资和运行费用，减少了热量产生； 4. 当更换笼子或清洗笼架时，笼架易于从建筑物系统摘离。（通风笼架装有脚轮，需要从建筑物系统摘离时可以移动）；
5. 由于不再需要风机/过滤器主机，也就不需要为排风机配置电源。电缆和应急电源也不再需要，减少了建筑投资和运行费用； 6. 使房间消毒过程更简单、有效。笼架排风系统减少为每个笼架一个软风管，消毒过程中，房间内不需要清扫风机、过滤器、电缆、风阀和套管； 7. 有效地改善了动物设施的大环境和小环境，显著降低了噪声和振动。建筑排风机显然比笼架风机在房间内产生的噪声低； 8. 由于阀门无马达也没有零配件，维护费用降低。 缺点： 1. 布局灵活性差，由于笼架需布置在软接管附近 2. 需要有额外的排风道 |
方案 4 ：将笼架送、排风与建筑系统直接相连
图 2-11 ：将笼架送、排风与建筑风道系统直接相连
通风笼架的排风将笼内的小颗粒带到笼架的排风箱内。这些颗粒大部分是垫料尘，还可能有动物的皮屑、毛发等。其中有一些能透过每个笼子的薄膜过滤网。病毒和有害健康的物质就附着在这些颗粒上。因此，过滤笼架排风是必要的。处理等级的范围从通常应用的 30%效率的粗效过滤到 HEPA 高效过滤（当一定会涉及生物危害时）。 排风系统部件如：调节风阀、传感器和风机叶片会堆积尘埃，这会使通风系统的工作效率降低，并使其保持环境安全稳定的能力降低。 | 这种方案将笼架送、排风机去掉，而将笼架与建筑物通风系统可靠相连，如果设计、安装、调试正确，此方案最为有利。 本方案排风的连接及其优点与方案 3 相同，这已在前边作了描述。只是现在笼架还将消除送风机产生的噪声、振动和额外的热量，这可能会使设备投资和运行费用减少。采用这种方案，也不必为笼架风机提供独立的应急电源，而将依赖于建筑物的 HAVC系统。根据“实验动物管理和使用指南”建筑物 HVAC 系统已经设计有应急电源。（ILAR P.76）与方案 3 相比，方案 4 有如下优势： 1. 动物饲养室更清洁； - 饲养室硬件设备减少了：如笼架风机、额外的软风管、电源线、双向开门清洗设备（wash-down duplex outlet）； - 笼架连接和摘除简单：每个笼架只有两个软管，带环形卡环，可快速连接； - 精简了工作流程：由于部件和需要清洗的表面减少，简化了消毒流程； 2. 饲养室更安静； - 噪声减小显著：风机噪声消除了； - 噪声源来自饲养室外，同时，通过笼架和软风管的风速低，这也保证了低噪声。 缺点： 1. 布局灵活性差：由于笼架需布置在送、排风预留的风管附近； 2. 需要增加额外的排风和送风管道； 3. 如果笼架送风是由建筑物空调系统处理后提供的，则温、湿度控制策略将是复杂的，实现起来费用 很高 。 本节后面的内容介绍了方案 4 的两种设计方法： 房间送风机法和双送风系统法。 |
方案 4 的房间送风机法设计：
尽管从图 2-12 看来，房间送风管道使系统变成了再循环系统，但它实际与采用笼架送风机送风的系统的气流组织一样。两种系统系统的风机都是抽取房间的空气，经过前级过滤和高效过滤送到笼内。这种方式是两种向笼内送风方式中的一种。为清楚起见，我们称它为房间送风机法。
图 2-12：方案 4 的房间送风机法
方案 4 的双送风系统法设计：
另一种方法我们称为双送风系统法。它需要对控制方案的彻底评价，控制方案不仅仅是气流控制，还有温度、相对湿度和过滤控制。双送风系统将建筑物送风分为两路。其中一路连同温度控制回路用于房间，另一路以及温度控制回路用于笼架。这种控制策略更加复杂。我们将在后面做较为详细的讨论。
图 2-13： 双 送 风系统方案 4
今天大部分啮齿类动物饲养室的温度控制在 70-73℉（21-23℃），这适合于大多数的工作人员。由于方案 1 和方案 2 中笼具温度要比房间温度高 2-5℉（1-3℃），较高的笼内温度较为适合啮齿类动物。Edstrom 行业数据记录确认这种温度增加是真实的。当一只通风笼中饲养的老鼠的数量为最大允许数量的 5 只，并且当笼架排风与建筑物排风相连的时候，笼内温度比房间一般要高2-5℉（1-3℃）左右。
有利于双送风系统法的陈述：
1、房间和动物笼环境是不同的（对于静态的和通风动物笼系统均是如此）；
2、动物和人对其理想的生活环境有不同的选择；
3、对环境进行区别控制的灵活性是非常重要的。
尽管以上陈述是正确的，但是在设计这种系统时必须考虑一些重要因素。
双送风系统法的重要设计要点：
1、送风温度的波动对啮齿类动物的影响；
2、附加的（或冗余的）用于动物笼的环境控制回路的费用；
3、用于动物笼环境的环境控制回路的感测与控制功能；
4、对温度低限或高限正确感测报警的能力；
5、高效过滤器与动物的距离；
6、要克服来自于中央空调系统中区域高效过滤器的附加净压。
待续......
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笼架排风的处理