Раздел 2. Анализ распространенных проблем при проектировании и строительстве медицинских лабораторий

I. Вопросы, требующие внимания при реализации инженерных систем чистых помещений

1. Часто возникающие проблемы при реализации инженерных систем чистых помещений

(1) Бактерии и взвешенная пыль, задерживаемые фильтрующей мембраной, не погибают, а при подходящих температуре и влажности активно размножаются самостоятельно, вызывая загрязнение, рост плесени и подобные явления; дальнейшая эксплуатация такой мембраны с высокой вероятностью приводит к вторичному загрязнению.

(2) Из-за сильного загрязнения атмосферного воздуха фильтрующая мембрана очень быстро забивается, поэтому ее требуется часто заменять, что приводит к высоким и трудоемким эксплуатационным расходам.

(3) Хотя использование высокоэффективных фильтрующих мембран решает проблему чистоты воздуха, оно не позволяет устранить запахи токсичных и вредных газов внутри чистого помещения, а также химическое загрязнение, генерируемое самой системой очистки.

2. Решения

Для уничтожения бактерий, дезинфекции и удаления взвешенной пыли используется электростатический шкаф для стерилизации и очистки воздуха. Электрическое поле в таком шкафу выполнено в виде двухзонного электростатического поля, сочетающего конструкции игольчатого типа с круглыми отверстиями и стержневого типа с сотовой структурой; две рабочие зоны — это зона поляризации и зона сбора пыли. Когда воздух, подаваемый по вентиляционному каналу, проходит через двухзонное электростатическое поле, содержащиеся в нем загрязнители, такие как бактерии и взвешенная пыль, сначала поляризуются под действием поля. Поскольку циста бактерий сама по себе несет отрицательный заряд, при прохождении через зону электростатической поляризации она дополнительно насыщается высокоэнергетическими отрицательными зарядами. Когда отрицательно заряженные загрязнители, такие как бактерии и вирусы, поступают по системе в зону сбора пыли с положительным электрическим полем, они мгновенно интенсивно притягиваются и улавливаются положительными пылесборными пластинами этой зоны. Под действием положительного электрода цисты мгновенно разрушаются и погибают, за счет чего достигается цель стерилизации и дезинфекции. Одновременно электростатическое поле оказывает выраженное действие по притяжению, улавливанию и агломерации взвешенной пыли в воздухе, что эффективно защищает высокоэффективную фильтрующую мембрану и продлевает срок ее службы. Рабочие элементы шкафа легко извлекаются, а после очистки самого очистного шкафа они могут использоваться повторно, снижая тем самым эксплуатационные расходы системы.

Для удаления вредных газов и запахов применяются титан-углеродная сетка и технология на основе фотокатализаторов. Фотокатализатор представляет собой активный наноматериал на основе диоксида титана: его наносят на поверхность подложки, где после высыхания он образует тонкую пленку. Под действием света он проявляет сильную функцию каталитической деградации: эффективно разрушает токсичные и вредные газы в воздухе, уничтожает множество видов бактерий с антибактериальной эффективностью до 99,99%, разлагает и обезвреживает токсины, выделяемые бактериями или грибами; помимо этого, он обладает такими функциями, как дезодорация и защита от загрязнений.

II. Вопросы, требующие внимания при проектировании и строительстве инженерных систем чистых помещений

В последние годы в Китае построен ряд лабораторий биологической безопасности уровня БСЛ-3. Часть из них успешно эксплуатируется, однако некоторые объекты имеют определенные дефекты. Основная причина этого заключается в том, что организации, занимавшиеся их возведением, недостаточно хорошо разбирались в ключевых технических аспектах лабораторий биологической безопасности. Поэтому несмотря на использование большого объема высококачественных и дорогостоящих строительных материалов, такие лаборатории все равно не соответствуют предъявляемым требованиям. Проектные чертежи, предоставляемые некоторыми компаниями, по сути описывают обычные лаборатории с отрицательным давлением и совершенно не могут удовлетворить требованиям, предъявляемым к лабораториям биологической безопасности.

1. Система кондиционирования и вентиляции

Организация воздушного потока внутри лаборатории биологической безопасности должна быть рациональной, следует избегать большого количества мертвых зон. В лабораториях биологической безопасности предъявляется требование: воздушный поток должен двигаться из чистой зоны в загрязненную. Расположение внутренних приточных и вытяжных вентиляционных отверстий должно максимально сокращать пространство с застоем воздушного потока, а внутренние вытяжные отверстия следует размещать в наиболее опасной зоне, с одной стороны, без каких-либо препятствий.

Места установки фильтров в вытяжной системе должны быть выбраны рационально и обеспечивать удобство проверки на утечки и замены. Высокоэффективные фильтры не допускается устанавливать на участке положительного давления вытяжного вентилятора, поскольку такой вариант не защищает вентилятор и не соответствует требованию о том, что тракт загрязненного вытяжного воздуха должен находиться под отрицательным давлением.

Внутри лабораторных помещений не допускается монтаж сплит-кондиционеров или напольных кондиционеров: теплообменник кондиционера по сути является средой для размножения микроорганизмов и способен вызвать серьезное загрязнение среды лаборатории.

Некоторые строительные организации не устанавливают сплит-системы или напольные кондиционеры непосредственно внутри лаборатории, а монтируют их в соседних помещениях и организуют подачу воздуха по воздуховодам. Однако в лабораториях высокого уровня биологической безопасности требуется использование вентиляционных систем с прямоточным движением воздуха, а теплообменник обычного кондиционера рассчитан на рециркуляцию воздуха внутри помещения и не может обеспечить большую разность энтальпий, необходимую для прямоточной схемы. Помимо этого, для снижения затрат мощность используемого оборудования не имеет запаса, поэтому требуемая температура в помещении попросту не достигается. При работе в лаборатории высокого уровня биологической безопасности сотрудники должны носить специальную защитную одежду, иногда в несколько слоев; при несоответствии температуры нормативным требованиям экспериментаторы испытывают сильный дискомфорт.

Вытяжная система в обязательном порядке оснащается высокоэффективными фильтрами, и ее работа не может полагаться исключительно на выброс воздуха на большой высоте. Некоторые проектные и строительные организации недостаточно разбираются в принципе высокоскоростного выброса и полагают, что он подразумевает превышение скорости воздуха в вытяжном воздуховоде отметки в 13 м/с. Как следствие, сопротивление вытяжного тракта получается слишком большим, требуемый объем вытяжного воздуха не достигается, и поддерживать необходимое отрицательное давление в помещении становится крайне сложно. Либо же давление вытяжного вентилятора оказывается чрезмерно высоким, что одновременно увеличивает уровень шума и потребление электроэнергии.

2. Проблемы резервного оснащения

Лаборатории биологической безопасности уровней BSL-3 и BSL-4 в обязательном порядке обеспечиваются резервным электроснабжением. Например, для лабораторий BSL-3 требуется наличие двух независимых линий электропитания или резервной генераторной установки, а для лабораторий BSL-4 — дополнительно третьего резервного источника питания. При отсутствии технической возможности организации такой схемы дополнительно монтируется источник бесперебойного питания (ИБП), время автономной работы которого должно составлять не менее 45 минут.

Лаборатории BSL-3 и BSL-4 должны быть оснащены вытяжными вентиляторами: это требование направлено на то, чтобы отрицательное давление внутри лаборатории поддерживалось при любых обстоятельствах. При выходе из строя рабочего вытяжного вентилятора резервный агрегат должен автоматически вводиться в работу.

3. Функции регулирования и управления системой

Для строгого соблюдения нормативных перепадов давления и его градиентов между всеми функциональными зонами лаборатории на приточных и вытяжных системах необходимо монтировать специализированные устройства регулирования расхода воздуха и клапаны постоянного расхода воздуха, замена их обычными регулирующими клапанами не допускается.

4. Важность проведения инженерных испытаний

После завершения строительства лаборатории биологической безопасности она в первую очередь должна пройти проверку в национально уполномоченной испытательной организации — это крайне важный этап. В перечень испытаний включается множество аспектов: герметичность конструкций лаборатории, значения отрицательного давления между отдельными помещениями, направление воздушных потоков, проверка высокоэффективных фильтров на утечки, класс чистоты помещений, а также работоспособность системы автоматического управления.

5. Другие моменты, требующие внимания

Строго запрещено строить лабораторию биобезопасности как помещение с избыточным давлением; противопожарные клапаны должны устанавливаться в соответствии с нормативными требованиями; строго запрещено заменять шкаф биобезопасности чистым ламинарным шкафом; а также строго запрещено использовать вытяжку из защитного шкафа вместо общеобменной вытяжки помещения. Обычный чистый шкаф и шкаф биобезопасности имеют совершенно разные принципы работы и назначение, и первый просто не может защитить организм человека от микробной инфекции, что крайне опасно.

III. Вопросы обработки «трех отходов»

В повседневной работе лабораторий часто образуются и выбрасываются токсичные и вредные газообразные, жидкие или твердые вещества. Без соответствующих защитных мер и методов обработки они вызывают неблагоприятные последствия для человека и окружающей среды. Лабораторные «три отхода» характеризуются небольшими объемами, разнообразием видов и относительной рассредоточенностью, поэтому их сложно обрабатывать. Многие лаборатории не обеспечивают должную обработку «трех отходов», а некоторые не проводят ее вовсе.

  1. Лабораторные сточные воды: состав лабораторных сточных вод сложен и изменчив. Простой и реализуемый на практике метод обработки — обустроить резервуар для сточных вод, в котором кислые и щелочные стоки нейтрализуются; pH сточных вод корректируется до слабощелочного значения, добавляется флокулянт для осаждения примесей, после чего осветленную воду из верхнего слоя можно сбрасывать напрямую или направлять в канализационную сеть. Образовавшийся осадок проходит дополнительную обработку и затем утилизируется как твердые отходы.

  2. Лабораторные отходящие газы: лабораторные отходящие газы в основном делятся на две крупные категории: кислотные туманы и органические газы. Операции, при которых образуются эти два типа загрязнений, предпочтительно проводить в разных вытяжных шкафах. Газы кислотного тумана обрабатываются в абсорбционной башне с щелочным водным раствором; распылительный насос абсорбционной башни сблокирован с выключателем вытяжного шкафа, а водный раствор в башне оснащен оборудованием для мониторинга pH. Органические отходящие газы могут обрабатываться с помощью высокоэффективных адсорбционных устройств.

IV. Недостатки, существующие при строительстве и реконструкции

  1. Планировка площадей лаборатории недостаточно рациональна. Например: рутинный анализ и инструментальный анализ проводятся в одном помещении, хранение образцов и хранение реагентов организованы в одном помещении или не строго разделены, а офисные и экспериментальные зоны пересекаются.

  2. Выбор оборудования для кондиционирования воздуха нерационален или его монтаж выполнен некачественно; в некоторых случаях это даже приводит к капанию воды над лабораторными столами для приборов.

  3. Воздухораспределительное оборудование системы кондиционирования расположено нерационально: воздуховыпускные отверстия направлены на приборы и оборудование, что мешает их нормальной работе.

  4. Системы вытяжки и удаления дыма спроектированы плохо и имеют низкую эффективность.

  5. В линиях электропитания не разделены силовые цепи, слаботочные линии и отдельные линии питания приборов.

  6. Заземляющие провода точных приборов не соответствуют требованиям.

  7. Недостаточно внимания уделяется потребностям персонала. Не предусмотрены места для хранения личных вещей сотрудников, таких как кровати для дневного отдыха и посуда для приема пищи.

  8. В общем проекте отсутствует перспективный подход: не учтены в комплексе сети передачи данных, телефонные линии, видеонаблюдение, противопожарная защита и контроль доступа.

  9. Инвестиции в природоохранное оборудование недостаточны; в некоторых случаях такие объекты даже не включены в проект.

  10. Из-за недостаточной проработки проекта в процессе строительства добавляется или заменяется слишком много позиций, что приводит к значительному превышению бюджета.

V. Электробезопасность

В лабораториях периодически происходят инциденты с поражением электрическим током и пожары, каждый из которых всегда приносит чрезвычайно большие потери и колоссальный вред. Как предотвратить возникновение поражений электрическим током и пожаров — важнейший вопрос, который следует考虑 при строительстве лаборатории.

  1. Монтаж и порядок эксплуатации электрооборудования в лаборатории должны соответствовать правилам безопасного пользования электроэнергией. Высокомощное лабораторное оборудование должно подключаться к выделенным силовым линиям, строго запрещено его совместное подключение к осветительным линиям для предотвращения возгораний, вызванных перегрузкой электросети.

  2. Необходимо четко знать расположение и перечень устройств в лаборатории, которые могут генерировать статическое электричество; на них должны быть нанесены четкие маркировки и предупреждающие знаки, а также приняты надлежащие превентивные меры для защиты от связанных с ними опасностей.

  3. Для предотвращения появления напряжения на корпусах приборов и предупреждения несчастных случаев с поражением электрическим током применяется трехфазная пятипроводная система электроснабжения. Согласно соответствующим строительным нормам, она включает три фазных провода, один заземляющий провод и один нулевой провод. Даже при крайне неравномерной трехфазной нагрузке, из-за которой на нулевом проводе появляется напряжение, потенциал на независимо заземленном заземляющем проводе всегда остается нулевым. Это исключает появление напряжения на приборах и предотвращает возникновение поражений током.

  4. Для предотвращения возгораний важно повышать чувство ответственности персонала лаборатории, но более надежной мерой является гарантия полного отключения электропитания в помещении при отсутствии в нем людей. В каждой лаборатории (включая вспомогательные подготовительные комнаты и офисы) установлен один главный выключатель, чтобы исследователи могли отключить основное электропитание лаборатории поблизости перед выходом. Для холодильников, инкубаторов и другого оборудования, которое не подлежит отключению от электросети, предусмотрены отдельные выключатели электрических цепей. Такая организация эффективно предотвращает возгорания, возникающие по неосторожности.

VI. Безопасность и контроль использования воды

Аварии с затоплением и другие инциденты, вызванные утечками воды в лабораториях, происходят периодически, а их опасность и причиненные убытки часто оказываются очень серьезными. Основными причинами являются повреждение какого-либо элемента системы водоснабжения либо не закрытый после временного отключения воды кран, особенно в ночное время или в праздничные дни, когда лаборатория пуста.

Опыт многих лабораторий показывает, что эффективным методом контроля безопасности водоснабжения каждой лаборатории является установка одной главной запорной задвижки, управляющей подачей воды во все помещение. Каждый день перед окончанием работы последний сотрудник, покидающий лабораторию, закрывает главную задвижку, что гарантирует предотвращение аварий с утечкой воды. Для возможности устранения неисправности главной задвижки перед ней дополнительно устанавливают контрольную запорную задвижку. На этапе строительного проектирования, независимо от того, применяется система горизонтальных или вертикальных магистральных трубопроводов, в каждую лабораторию может подводиться только одна основная водопроводная труба с двумя предварительно последовательно соединенными главными запорными задвижками. Такое решение способствует удобству контроля и повышению безопасности водопользования в лаборатории.

VII. Прочие проблемы

  1. После завершения строительства лаборатории она не соответствует реальным потребностям заказчика. Например: после ввода лаборатории в эксплуатацию обнаруживается, что при проектировании было упущено множество проблем: невозможность установки приборов, отсутствие источника воды или электропитания, либо интерфейсы расположены не в непосредственной близости; напольное покрытие легко царапается; рабочий процесс организован нерационально; вентиляция недостаточная; не хватает свободного пространства; отсутствует виброизоляционное оборудование; системы записи и контроля температуры и влажности не работают нормально; а отделочные материалы не соответствуют предъявляемым требованиям.

  2. Сумма окончательного расчета стоимости лаборатории значительно превышает заложенный бюджет. В настоящее время это наиболее распространенная проблема при проведении отделочных работ в лабораториях. Например, проект, заключенный по цене 4,8 миллиона юаней, может потребовать 6 миллионов юаней на этапе окончательных расчетов.

  3. Техническое обслуживание и ремонт лаборатории не могут проводиться в штатном режиме. Когда готовая лаборатория вводится в опытную эксплуатацию, может быть выявлено множество проблем, которые невозможно своевременно устранить; строительные организации часто заявляют, что причина кроется в ошибках проектирования, а ответственность не разграничена. Поэтому не следует применять бесплатные проектные решения: для профессионального проектирования необходимо привлечь компанию с соответствующим опытом проектных работ, заключить договор на проектирование и выплатить разумную плату за проектирование, чтобы избежать более значительных убытков от нерационального инженерного строительства в дальнейшем, вызванных погоней за бесплатным проектированием.

  4. Лаборатория не может удовлетворить потребности дальнейшего развития. После завершения строительства по проектным чертежам полученная лаборатория не имеет потенциала для дальнейшего развития — например, в ней отсутствует место для размещения новых приборов и оборудования, не установлены компьютерные интерфейсы, поэтому оборудование не соответствует требованиям информатизации строительства.

  5. Лаборатория не соответствует требованиям пожарной безопасности. Некоторые лаборатории строятся без прохождения проверки на соответствие требованиям пожарной безопасности.

  6. В лаборатории существуют риски профессиональных вредностей.