第二章 實驗動物設施獨特的通風要求
許多物種的動物都在實驗設施中飼養和使用。水生動植物、蝙蝠、白鼬、魚類、青蛙、非人靈長類動物、鴿子、兔子、嚙齒類動物和綿羊都是現在實驗使用的對象。本節將介紹一般動物實驗室的通風設計要點，并集中介紹轉基因嚙齒類動物的環境和氣流控制方案，其原因是現在對密度日益增高的轉基因嚙齒類動物（典型的如小鼠）飼養的強烈需要。這些動物具有被改變的遺傳因子，這使得它們在生物醫學研究的許多領域都具有特殊的價值。
大環境
飼養房間在實驗動物設施中是一個大環境，它需要對溫度、相對濕度、氣流、壓力及照明進行監控的可靠的監測控制系統。HVAC 的設備需要冗余及應急電源以盡可能保持動物環境穩定和恒定不變。
 | 圖 2－1 大環境 動物飼養室是轉基因嚙齒類動物的次級圍護結構，維持正確的氣流、溫度、濕度、光照及聲響是此環境所必需的。 |
為達到大環境的主要目標，一定要對各種參數進行控制。其中最重要的參數有：
· 壓力
· 溫度及相對濕度
· 通風率（即換氣次數）
壓力
在動物實驗室中，采用設置壓力區的方法來控制空氣污染物和過敏原的路徑。通常，屏障區要維持正壓，而阻隔區域要維持相對負壓。對于行業中廣泛應用的單走廊屏障設施，動物飼養室壓力控制有幾種方法（這里不涉及同時具有清潔及污染房間的混合設施）。其中一些將所有的動物飼養室維持在相對正壓，從而使污染物遠離無病的動物；其它的則是在所有動物都沒有疾病的前提下，將所有房間保持相對負壓。如果疾病在一個動物身上發生，則房間負壓將疾病遏制在這個房間中。其方法是：從病毒被查出直至被清除這段時間里，負壓將保證這種疾病被遏制在房間中。要根據研究工作要求、建筑布局和通風系統容量確定合適的壓力控制方案，有必要對每一設施進行評估。對于大多數設施來說，壓力可切換合乎需要，因為它提供了最大的靈活性。
 | 圖 2-2 動物飼養室的壓力選擇 大環境可能根據需要維持在正壓或負壓下，而一些設施要求房間壓力是可改變的。 |
| 負壓房間 | 正壓房間 |
| 檢疫房間 | 外科手術室 |
| 暴露于危險物質下的動物生活區 | 無特定病原體動物房 |
| 非人靈長類動物飼養室 | 清潔設備儲藏室 |
實驗動物設施壓力控制要點有：
· 建筑的密閉性和結構的穩定性
· 壓差控制與余風量
· 壓力梯度
建筑密閉性和結構的穩定性
動物房間的一個最為關鍵的特點是其建筑密閉性，這一事實在房間交付使用后會得到證實。壓力能否達到其希望的標準完全取決于房間的墻壁，天花板，門和房間圍護的適當密封。有滲漏的地方一定要做好充分的填補，所有的門一定要有持久而有效的密封，以阻止害蟲進入和藏身（ILAR, 第 73 頁）并控制壓力。建筑結構的完整性也會影響壓力控制性能。
壓差控制與余風量
余風量已被證明是獲得動物實驗室穩定壓力的最有效方法。將壓力控制到一個特定值的壓差控制法，是一個非常困難且不穩定的方法。美國國家標準研究所（ANSI）與美國工業衛生協會（AIHA）一起，支持對實驗室環境采用余風量方法來解決壓差控制問題。ANSI 的標準 Z9.5（參照通用實驗室空間）中有下面這個觀點：“規定定量的壓力差是糟糕的設計依據… 而真正需要的是余風量（ANSI /AIHA Z9.5，第 7 頁，第 4.11.4 節）。
圖 2-3 推薦采用余風量法解決壓力控制問題準確的余風量控制為動物及工作提供了一個穩定的環境
壓力梯度
不同的設施，動物飼養室與走廊之間壓差的大小是變化的。大多數情況下采用的壓力范圍是 0.03 到 0.075 英寸水柱（約 7.47 到 18.67Pa，0.05″是最常用的），并且在壓差過低時要報警。對重要房間進行壓力監測有利于表明壓力控制水平。
 | 圖 2-4 室內壓力監測 許多設施都需要室內壓力監測?？蛇x擇房間壓差就地監測，也可將其集成到大樓管理系統之中。 |
實驗動物設施是眾人皆知的氣味及空氣傳播過敏原的制造者。國家職業安全與健康研究所(NIOS)在 1999 年版的報告中指出：一半以上的實驗動物
工作人員正經受著過敏反應的影響，這使他們不能完成日常的研究和管理任務。通風系統被用作消除或減少這種問題的主要手段。
溫度及相對濕度
動物研究設施需要一套穩定的通風控制系統來維持正確的環境參數。溫度是其中最關鍵的參數，并且通常要被控制到設定值的±2 ℉ （或±1℃），溫度設定值為 61-84℉（16-29℃）之間（ILAR 第 32 頁 表 2.4）。因為不同房間的熱負荷有較大不同，實驗室內的每一個房間都需要有自己的溫度控制系統。長時間里只使用單一品系動物的設施設計采用的溫度范圍可能比較狹小。在大多數應用中，相對濕度（RH）控制的目標為 30-70%（ILAR 第 30 頁），其設定值在 50-55%。在冬季，距離赤道越遠，維持相對濕度在 30%以上可能就越困難。因為可接受的濕度范圍是在 30-70%之間，多房間系統可以作為一個單獨區域來控制，特別當它們不是主要房間時，如儲藏室或某些類型的操作工序的房間。濕度控制中閥件的使用可能會十分昂貴，因此在此消費前應作評估以確定其合理性。
本書在“標準及指南”一章針對特定物種的動物列出了推薦的溫度、相對濕度和熱負荷。在“控制應用”一章中對溫、濕度控制系統進行了描述。
通風率
動物研究設施所采用的100%的全新風空氣換氣次數要比其它的研究實驗室高許多。這主要歸因于動物居住稠密的動物房間內產生的熱量和污染物。雖然指南中指出“每小時 10-15 次新鮮空氣的換氣被看作是可接受的一般標準”（ILAR，第32 頁），但每小時 18-20 次的換氣也是很普遍的。即使采用了這些增高的空氣換氣次數，除非有緩解的策略實施，過度的氣味及以空氣傳播的過敏源可能仍舊是個問題。這一問題在本章中的 小環境 標題下將有更詳細的闡述。對較低換氣次數和變風量控制的思考
降低 100%全新風系統每小時空氣換氣次數（ACH）這一技術還沒有被廣泛應用于實驗動物設施中，但考慮降低換氣次數是有益的。變風量（VAV）控制系統提供了最大程度的靈活性和適應性，可以更有效地使用通風系統。系統具有降低通風率的能力，這常常會證明對 VAV 系統的額外投資是合理的。在以下情況下可以考慮降低設施的換氣次數（ACH）：
· 動物的初級圍護結構（小環境）不受影響
· 房間狀態（溫度和濕度）在換氣次數較低時能夠得到控制
· 動物熱負荷可以被直接排出室外
· 一個房間中飼養的動物數量減少了
· 沒有工作人員使用房間
· 操作和使用是階段性的（例如：動物籠清洗 = 8 小時開，16 小時關）
每個房間都需要一定量的通風以對這一空間進行正確控制。使用的空氣量超過達到前述各種目標所必要的空氣量是一種能量的浪費。一套優質的 VAV 系統會將房間換氣次數控制在適當的并且是最低的數值，同時還對房間內的變化作出反應，這樣房間環境就能夠保持穩定和舒適。
減少換氣次數有許多益處，包括：
· 降低能耗
· 降低運行費用
· 減少 HVAC 系統的噪聲和失調
· 減少系統部件的耗損
· 當低換氣次數區域的通風調高時房間飼養容量增加
為嚙齒類動物提供的帶通風的動物籠穩定了動物的初級環境。如果動物籠與建筑的排風系統相連，減少房間內換氣次數的考慮就合理了。通過將籠架內的空氣直接排入房屋的排風系統，房內的氣味、氣體排放物和熱負荷都會被排出房間而不會重又循環回到房間內。熱負荷和通風負荷降低時可考慮采用較為傳統的 6-8次/小時的換氣次數。VAV 房間控制還可以被考慮用來進一步改善房間狀況、降低能量消耗。變風量控制在“控制應用”一章中將詳細討論
實驗室 A：換氣次數 15 次/小時 將籠中氣體直接排入房間 |
實驗室 B：換氣次數 8 次/小時 將籠中氣體排入建筑物排風系統 |
圖 2-5，降低換氣次數
實驗室 A 中的動物籠直接向房間排風，這就需要較高的空氣換氣次數（15 次/小時）去排除熱量、氣味和氣體污染物。實驗室 B 中的動物籠向建筑物排風系統排風，這顯著減少了房內的熱負荷、氣味和易揮發的刺激物。這使得在實驗室 B 的條件下，房間換氣次數降低。
小環境
動物籠是動物的初級圍護結構或者小環境。根據指南，初級圍護結構應設計提供足夠的通風…并且不對動物正常的生理和行為需要產生壓力(ILAR, 第 23頁)。靜態的，帶過濾器蓋的動物籠
一種形式的嚙齒類動物房舍是過濾器蓋動物籠，因為其空氣交換量最?。〒蟮郎儆?1 次/小時），所以也被稱作靜態的小環境?；\子被放在架子上或在通風的圍護結構中。包含過濾器蓋的動物籠主要是作為保護動物免受空氣傳播病菌傷害的屏障，但也可用作一種隔離空間。盡管過濾器蓋有效限制了空氣傳播物質的通過，但由于空氣缺少流動，導致了籠內濕度及氣體濃度的迅速增長，這就需要頻繁更換墊料。頻繁更換墊料需要昂貴的勞動力，且將人員和動物暴露在病原體之下的可能性更高，此外，動物籠有額外的耗損、要設置動物籠清洗區，還需要有一般性的費用。這些缺點并不會導致不使用這種類型的動物籠。事實上，靜態動物籠對生物安全 2 級和 3 級的研究尤其有用，在此類研究中，阻隔是關鍵問題。
 | 圖 2－6 給嚙齒類動物使用的靜態的帶過濾器蓋的動物籠 空氣交換量最小，一般在 1 次/小時左右 |
帶通風的動物籠系統
自從在 70 年末開始采用帶通風的動物籠架以來，在嚙齒類動物飼養設施中，這種動物籠已經成為理想的標準設備，它是對靜態動物籠的補充，減少了靜態動物籠的使用。典型情況，單個動物籠里飼養 4－5 只小鼠或 1－2 只大鼠。帶 HEPA過濾器的專用的送風和排風機用于維持籠內正壓（有時是負壓），風機一般安置在架子上。盡管加在有 100 個以上動物籠的籠架上的典型總送風量低于 50CFM，每個籠內的通風率一般要達每小時 50 次換氣甚至更多。這樣高的換氣降低了籠內氨和其它廢物的濃度?；\架還能夠提供自動供水系統的固定架和節省人力的系統，現在獲得了越來越多的研究機構的認可。所有這些特點都對動物環境的改善起到了作用。
嚙齒動物飼養室
圖 2－7 用于嚙齒類動物的通風籠架舉例。
籠架系統的通風選擇方案 正如上邊所提及，帶通風的籠架正在漸漸普及，因為它們能夠適應動物飼養室中動物密度的急劇增加。但是籠架風機將籠內氣體排至屋內，而且隨著動物密度增加會發生令人不快的環境問題，最主要的問題是飼養室內的工作人員暴露在揮發性刺激物之中。風機還會產生噪聲、振動，還需要維護、增加房間制冷負荷。使用籠架風機的另外兩個不利因素是它們的成本和需要定期移走清洗的困難。針對這些問題，建筑設計師開始將籠架連接到能夠提供干凈、適宜的空氣到籠內并將籠內氣體送至室外的建筑通風系統上。 盡管這種方法簡單合理，但在將通風籠架連接到建筑系統的過程中卻存在很多問題。在某些情況下會導致嚴重的防護問題和環境的不穩定。為避免這些問題，在設計籠架的連接時我們需要對籠架的氣流控制方式和靜壓需求有徹底的了解。使用像手閥和風口等壓力相關設備是常見的錯誤。這些原始的設備不能自動平衡風道系統中的壓力波動，因此會導致氣流控制不穩定。為解決將籠架連接到建筑送排風系統中出現的問題，Phoenix 開發了籠架閥來解決這個問題。這種壓力無關的籠架閥是特別 針對這種應用、消除連接中普遍存在的平衡和流量控制問題而設計的。在第五章的 71－75 頁有關于該設備的特點、規格和安裝指導。 | 關于帶通風籠架的一些實際情況： 1． 每個籠架的送風及排風流量必須恒定并且必須要嚴格保持穩定。 2． 每個籠架的送風一定要經 HEPA 過濾器過濾?；\架排風機也要包含 HEPA 過濾器。 3． 給籠架的送風氣流量可以低于 50CFM，但每個籠子的換氣次數要超過每小時 50次。 4． 帶通風的籠具系統的每個生產廠家可以在每個單個籠子的通風策略上與其他廠家不同。 5． 對于帶通風的籠架，優先選用的送風來源是動物飼養室，因為典型情況下，房間空氣的溫、濕度與籠具所要求的溫、濕度大小相近。使用建筑物中央通風系統則需要額外的冗余和環境控制，這使建筑物中央通風系統作為送風來源要更加昂貴。 6．已經證明，采用風閥、流量或者壓力測量裝置的方法波動強烈且令人不滿。高性能的壓力無關的流量控制對于將籠架連接到建筑物系統的方法來說是最好的解決方案。 |
嚙齒動物飼養室的通風方案
本節提供了為籠架通風的四種方案、關于采用單閥的多籠架應用和需要流量低于Phoenix 籠架閥工作范圍[30-150CFM （50-250m 3 /hr ）]的多籠架應用討論。值得重點注意的是籠架制造商在一直推出可能影響通風策略的新的系統，因此我們必須盡早了解其對集成系統的要求，以便在籠架到貨、開通系統之前能將適當的解決方案設計到工程之中。的多籠架應用討論。值得重點注意的是籠架制造商在一直推出可能影響通風策略的新的系統，因此我們必須盡早了解其對集成系統的要求，以便在籠架到貨、開通系統之前能將適當的解決方案設計到工程之中
方案 1 ：籠架帶送、排風機，使用房間空氣通風
圖 2-8 籠架帶送排風機，使用房間空氣通風（通風方案 籠架帶送排風機，使用房間空氣通風（通風方案 1 ） | 通風籠架制造商同時還提供送風和排風機，每個都可拆裝以便于支架的清潔。送風機將房內空氣通過高效過濾器導入動物籠，該過程引起動物籠內溫度升高 2-3℉（1-2℃）。支架排風機還包括一個高效過濾器，因為風機要將可能被污染的空氣從動物籠中抽出并且必須要將清潔的空氣送回房間內。 優點： 1. 氣流控制方式簡單。 2. 籠架在飼養室中布局靈活性高。 3. 高效過濾器減少了房間中的微粒數。 缺點： 1. 首期投資高于方案 3、4。 - 籠架風機昂貴，一般每臺風機需 1500 美金； - 風機產生熱量，這增加增加了房間的制冷需求； - 風機將動物的熱量排入房間； - 籠架風機（每個房間可能 8-18 套）需要維護； - 房間需要許多雙向開門清洗設備，一般需要安裝應急電源以便保證籠架通風。 2. 飼養室中的噪聲增加了。每個飼養室通常含有 4-9 個籠架，需要 8-18 套風機。由于噪聲源每增加一倍，聲級增加 3dB，所以房間內風機的實際發出的噪聲至少要比一臺風機發出的噪聲大 9-12dB。 3. 風機振動。當隔離器裝有風機時，肯定會產生振動。當風機安裝在靠近籠架的支架上時，可消除振動，但是這需要增加額外的零配件和人工。也將使房間消毒更加困難。 4. 室內空氣質量問題（IAQ）。盡管高效過濾（HEPA）可減少室內空氣中的微粒數，但是一些氣態廢物還是被排到室內。這些易揮發刺激性物質（如氣味、信息素*、過敏原等）是非常另人討厭的。我們應盡可能的消除它們。 5. 人類工程學問題，將風機從籠架中拆除是非常麻煩的，特別是與方案 4 相比較而言。 * 信息素是指動物的荷爾蒙氣味，這可能對室內其它動物有不利影響。 |
方案 2 ：籠架帶送、排風機和套管，使用房間空氣通風
圖 2-9：籠架帶送排風機和套管，使用房間空氣通風（通風方案：籠架帶送排風機和套管，使用房間空氣通風（通風方案 2 ） | 與第一種方案相似，動物籠的空氣通過加高效過濾器的送、排風機送風和排風。另外，動物籠的空氣排放與建筑排放設施通過套管或吸氣罩相連，以消除籠架風機和建筑排風管道之間的相互影響。以前將籠架直接連接到建筑排風道的嘗試存在問題，這是因為建筑物排風道的壓力波動導致了頻繁的氣流不平衡，使得動物環境不穩定 優點： 1. 正確的設計和套管的使用可解決壓力波動的問題（方案 3、4 也解決了這些問題）。 缺點： 1. 初投資及運行費用非常高。 - 這種方式需要兩臺風機，每臺 1500 美金，加上集氣管風道系統費用，同時，每臺籠架接管處的壓力相關的裝置（如：手動風閥和風口等）氣流平衡困難。 - 增加了維護費用（比方案 3、4 高），因為每個籠架需 2 套風機及過濾器； - 風機產生的熱量增加了房間的制冷需求； - 需要給籠架提供標準電源及應急電源； - 集氣管套管將來需要昂貴的平衡費用。 2. 當套管的手動風閥/風口被錯誤關閉時，排風將回到飼養室，這可能會導致籠架通風的不平衡，影響房間壓力。這會對大環境、小環境的阻隔性能造成影響。 3. 噪聲仍然是個問題，因為這種方法需要一臺籠架排風機，其噪聲比一般在兩臺籠架風機中較高。 4. 不像方案 3、4，風機會產生振動，除非風機不安裝在籠架上。 5. 這是個零亂的方案，它需要大量的硬件，如： - 風機/過濾器主機； - 電線； - 軟管連接； - 吸氣罩； - 風口或風閥； 6. 如果用于連接籠架的集氣管風道的風量控制裝置不是高性能的壓力無關閥門，房間壓力控制非常易于成為一個難題。 由于以上原因，目前使用吸氣罩連接方式已不再流行。 |
方案 3：籠架帶送風機，將排風連接到建筑物排風系統，使用房間空氣通風
圖 2-10：籠架帶送風機，將排風連接到建筑物排風系統，采用房間空氣通風（通風方案：籠架帶送風機，將排風連接到建筑物排風系統，采用房間空氣通風（通風方案 3 | 要連接到建筑物通風系統，通風籠架的送風、排風之中，排風側較為有利。這種方式大大改善了房間空氣質量、能源消耗和房間噪聲。 定風量文丘里籠架閥提供了簡單、可靠的直接連接方式，它不需要吸氣罩、排風風機/過濾器主機。 優點： 1. 將動物熱量、氣態廢物、異味和過敏原從房間可靠地排出； 2. 即使在排風道壓力變化時也能保持動物籠內的穩定； 3. 減少了初投資和運行費用，減少了熱量產生； 4. 當更換籠子或清洗籠架時，籠架易于從建筑物系統摘離。（通風籠架裝有腳輪，需要從建筑物系統摘離時可以移動）；
5. 由于不再需要風機/過濾器主機，也就不需要為排風機配置電源。電纜和應急電源也不再需要，減少了建筑投資和運行費用； 6. 使房間消毒過程更簡單、有效?；\架排風系統減少為每個籠架一個軟風管，消毒過程中，房間內不需要清掃風機、過濾器、電纜、風閥和套管； 7. 有效地改善了動物設施的大環境和小環境，顯著降低了噪聲和振動。建筑排風機顯然比籠架風機在房間內產生的噪聲低； 8. 由于閥門無馬達也沒有零配件，維護費用降低。 缺點： 1. 布局靈活性差，由于籠架需布置在軟接管附近 2. 需要有額外的排風道 |
方案 4 ：將籠架送、排風與建筑系統直接相連
圖 2-11 ：將籠架送、排風與建筑風道系統直接相連
通風籠架的排風將籠內的小顆粒帶到籠架的排風箱內。這些顆粒大部分是墊料塵，還可能有動物的皮屑、毛發等。其中有一些能透過每個籠子的薄膜過濾網。病毒和有害健康的物質就附著在這些顆粒上。因此，過濾籠架排風是必要的。處理等級的范圍從通常應用的 30%效率的粗效過濾到 HEPA 高效過濾（當一定會涉及生物危害時）。 排風系統部件如：調節風閥、傳感器和風機葉片會堆積塵埃，這會使通風系統的工作效率降低，并使其保持環境安全穩定的能力降低。 | 這種方案將籠架送、排風機去掉，而將籠架與建筑物通風系統可靠相連，如果設計、安裝、調試正確，此方案最為有利。 本方案排風的連接及其優點與方案 3 相同，這已在前邊作了描述。只是現在籠架還將消除送風機產生的噪聲、振動和額外的熱量，這可能會使設備投資和運行費用減少。采用這種方案，也不必為籠架風機提供獨立的應急電源，而將依賴于建筑物的 HAVC系統。根據“實驗動物管理和使用指南”建筑物 HVAC 系統已經設計有應急電源。（ILAR P.76）與方案 3 相比，方案 4 有如下優勢： 1. 動物飼養室更清潔； - 飼養室硬件設備減少了：如籠架風機、額外的軟風管、電源線、雙向開門清洗設備（wash-down duplex outlet）； - 籠架連接和摘除簡單：每個籠架只有兩個軟管，帶環形卡環，可快速連接； - 精簡了工作流程：由于部件和需要清洗的表面減少，簡化了消毒流程； 2. 飼養室更安靜； - 噪聲減小顯著：風機噪聲消除了； - 噪聲源來自飼養室外，同時，通過籠架和軟風管的風速低，這也保證了低噪聲。 缺點： 1. 布局靈活性差：由于籠架需布置在送、排風預留的風管附近； 2. 需要增加額外的排風和送風管道； 3. 如果籠架送風是由建筑物空調系統處理后提供的，則溫、濕度控制策略將是復雜的，實現起來費用 很高 。 本節后面的內容介紹了方案 4 的兩種設計方法： 房間送風機法和雙送風系統法。 |
方案 4 的房間送風機法設計：
盡管從圖 2-12 看來，房間送風管道使系統變成了再循環系統，但它實際與采用籠架送風機送風的系統的氣流組織一樣。兩種系統系統的風機都是抽取房間的空氣，經過前級過濾和高效過濾送到籠內。這種方式是兩種向籠內送風方式中的一種。為清楚起見，我們稱它為房間送風機法。
圖 2-12：方案 4 的房間送風機法
方案 4 的雙送風系統法設計：
另一種方法我們稱為雙送風系統法。它需要對控制方案的徹底評價，控制方案不僅僅是氣流控制，還有溫度、相對濕度和過濾控制。雙送風系統將建筑物送風分為兩路。其中一路連同溫度控制回路用于房間，另一路以及溫度控制回路用于籠架。這種控制策略更加復雜。我們將在后面做較為詳細的討論。
圖 2-13： 雙 送 風系統方案 4
今天大部分嚙齒類動物飼養室的溫度控制在 70-73℉（21-23℃），這適合于大多數的工作人員。由于方案 1 和方案 2 中籠具溫度要比房間溫度高 2-5℉（1-3℃），較高的籠內溫度較為適合嚙齒類動物。Edstrom 行業數據記錄確認這種溫度增加是真實的。當一只通風籠中飼養的老鼠的數量為最大允許數量的 5 只，并且當籠架排風與建筑物排風相連的時候，籠內溫度比房間一般要高2-5℉（1-3℃）左右。
有利于雙送風系統法的陳述：
1、房間和動物籠環境是不同的（對于靜態的和通風動物籠系統均是如此）；
2、動物和人對其理想的生活環境有不同的選擇；
3、對環境進行區別控制的靈活性是非常重要的。
盡管以上陳述是正確的，但是在設計這種系統時必須考慮一些重要因素。
雙送風系統法的重要設計要點：
1、送風溫度的波動對嚙齒類動物的影響；
2、附加的（或冗余的）用于動物籠的環境控制回路的費用；
3、用于動物籠環境的環境控制回路的感測與控制功能；
4、對溫度低限或高限正確感測報警的能力；
5、高效過濾器與動物的距離；
6、要克服來自于中央空調系統中區域高效過濾器的附加凈壓。
待續......
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