طراحی سیستم تهویه آزمایشگاه ها

آزمایشگاه های مدرن نیازمند دما، رطوبت و فشار استاتیکی نسبی، حرکت هوا، پاکیزگی هوا، صدا و اگزاست کنترل شده هستند. ادر این نوشتار، که برگرفته از ترجمه هندبوک ASHRAE Application نشر نوآور است، به بررسی سیستم های HVAC در آزمایشگاه های بیولوژیکی، شیمی، حیوانی و فیزیکی می پردازد.

پارامترهای موثر بر طراحی 

•     دما و رطوبت، هم داخل و هم بیرون 
•     کیفیت هوا
•     جذب گرمای نهان و محسوس در تجهیزات و فرآیندها
•     حداقل نرخ تهویه
•     مقدار اگزاست تجهیزات و فرآیندها
•     محل قرارگیری ورودیو اگزاست
•     مشخصات وسایل اگزاست
•     نیاز تجهیزات استندبای و برق اضطراری 
•     هشدارها
•     تغییرات بالقوه در سایز و تعداد هودها
•     تخمین افزایش در بارهای داخلی
•     تنظیم فشار اتاق
•     محتویات بیولوژیکی 
•     کنترل آلودگی

دستگاه های اگزاست و نگهداری در آزمایشگاه

هودها

انجمن تجهیزات و وسایل علمی (SEFA) هود آزمایشگاهی را به عنوان یک فضای بسته ی تهویه شده تعریف می کند که هدف آن جذب، نگهداری و تخلیه ی دود، بخار و ذرات تولید شده در محیط است. شکل1 عناصر اصلی یک هود رومیزی را نشان می دهد. 
 

شکل1 – اجزای هود رومیزی

انواع هود

•    استاندارد (جریان هوای با حجم تقریبا ثابت با سرعت متغیر) : هودی که مطابق با تعاریف اصلی DEFA باشد. کاربرد: آزمایشگاه های تحقیقاتی-کاربری پیوشته و مداوم فرآیند های با خطر متوسط تا بالا دریچه می تواند افقی، عمودی یا ترکیبی باشد. 
•    کنار گذر یا Bypass (جریان هوای با حجم تقریبا ثابت): هودی استاندارد با دریچه عمودی با مجراهایی در بالا و پایین دریچه. سایز مجراها باید طوری باشد که سرعت در دهانه را به حداقل برساند، که معمولا 3 یا 4 برابر سرعت کاملا باز است. کاربرد : آزمایشگاه های تحقیقاتی-کاربری پیوسته و مداوم. فرآیندهایی با خطر متوسط تا زیاد.
•    حجم متغیر (سرعت دهانه ثابت): هود دارای یک دهانه ی طراحی شده برای حداقل ورودی تعیین شده در هنگام بسته بودن دریچه و یک سیستم اگزاست طراحی شده برای تغییر جریان هوا متناسب با باز بودن دریچه می باشد. دریچه می تواند عمودی، افقی یا ترکیبی باشد. کاربرد: آزمایشگاه تحقیقاتی-استفاده مکرر و مداوم. فرآیندهایی با خطر متوسط تا بالا.
•   هوای کمکی (جریان هوا با حجم تقریبا ثابت): یک پلنوم بالای دهانه، هوا را از یک تغذیه هوا که هوای بیرون کیفی سازی نشده را تامین می کند، می گیرد. کاربرد: آزمایشگاه تحقیقاتی-کاربرد مداوم و مکرر فرآیندهایی با خطر متوسط و بالا.  نکته: بسیاری از سازمان ها استفاده از این نوع هود را منع می کنند.
•     جریان کم یا کاهش یافته (جریان هوای تقریبا حجم ثابت با سرعت دهانه ی متغیر): این هودها برای کار با سرعت دهانه ی پایین تر طراحی شده اند. کاربرد: آزمایشگاه های تحقیقاتی-کاربرد مداوم. فرآیند با خطر متوسط تا زیاد.
•     پرکلریک اسید: هود استاندارد با سطح کاری یکپارچه، گوشه های مقعر و مواد پوششی غیر آلی. پرکلریک اسید یک اکسید کننده ی به شدت فعال است. بخار آن می تواند رسوب ناپایداری را در کانال ایجاد کند که خطر انفجار را به دنبال دارند. برای کاهش این خطر، سیستم اگزاست باید مجهز به یک سیستم درین و شست و شوی آبی باشد و کانال باید از مصالح روان، غیر قابل نفوذ و قابل شستشو و مقاوم در برابر اسید ساخته شود. کانال باید تا حد امکان کوتاه و با حداقل زانویی ها ساخته شود. سیستم های اگزاست پرکلریک اسید با کانال های طویل تر نیازمند سیستم شستشوی منطقه ای هستند تا نرخ جریان آب از ظرفیت درین بیشتر نشود. کاربرد: آزمایشگاه های تحقیقاتی و فرآیندهای که از پرکلریک اسید استفاده می کنند.
•    کالیفرنیا: هودهای ویژه با دریچه هایی در چند طرف (معمولا افقی) . کاربرد: برای محیط های بزرگ و پیچیده و بسته ی تحقیقاتی که از چند جهت به دسترسی نیاز دارند. 
•     هود زمینی: هود استاندارد با دریچه هایی به کف زمین. کاربرد: محیط های بزرگ و پیچیده و بسته تحقیقاتی. کارکنان نباید هنگام فعالیت هود وارد شوند.
•     تقطیر (Distillation): هود استاندارد با عمق اضافی و 1/2 تا  1/3  heigh bench. کاربرد: آزمایشگاه تحقیقاتی برای دستگاه های بسته و بلند تقطیری
•     سایه بان (Canapy): هود باز با یک سازه ی جذب کننده ی بالاسری. کاربرد: مناسب با حذف گرما یا بخار آب از بعضی محیط های کاری. در مواردی که کارگران باید روی منبع بخار یا گرما خم شوند این هود توصیه نمی شود.

کابینت های حفاظت زیستی:

این کابینت ها که گاهی کابینت های حفاظتی نیز خوانده می شوند، از محقق و در بعضی موارد از مواد تحقیقاتی حفاظت می کنند. از دیگر اسامی آنها می توان به گلاوباکسها، کابینت های تهویه شده ی حفاظتی و کابینت های جریان ورقه ای نیز اشاره کرد. این کابینت به 6 دسته طبقه بندی می شوند(تعدادی از آنها در شکل 2 آمده).

 
شکل 2- انواع کابینت های ایمنی بیولوژیکی

کلاس 1: مشابه به هودهای دود شیمیایی، بدون حفاظت از مواد تحقیقاتی، اگزاست 100% توسط یک فیلتر HEPA

کلاس 2

نوع A1: 70% سیرکولاسیون در کابینت: 30% اگزاست از طریق یک فیلتر HEPA؛ می تواند به داخل آزمایشگاه بازچرخانی شود.

نوع A2: 70% سیرکولاسیون در کابیت؛ 30% اگزاست از طریق یک فیلتر HEPA؛ می تواند به داخل اتاق بازچرخانی شود یا به بیرون اگزاست شود.

نوعB1: 40% سیرکولاسیون در کابینت؛ 60% اگزاست از طریق فیلتر HEPA؛ باید به بیرون تخلیه شود.

نوع B2: 100% اگزاست از طریق فیلتر HEPA به بیرون

کلاس 3: کاربردهای خاص: 100% اگزاست با فیلتر HEPA به بیرون

کابینت کلاس 1 برای عملیات تحقیقاتی با خطر متوسط و پایین هستند از مواد آزمایشگاهی حفاظت نمی کنند.

هوای اتاق از طریق یک مجرای فیکس و ثابت جریان می یابد و مانع فرار آلاینده های هوایی تولید شده در آزمایش به فضا می شود. سرعت در این مجرای فیکس حداقل 0.4m/s است. 

کابینت های کلاس 2 از افراد، مواد و محیط حفاظت می کنند. جلوی آنها باز است و دارای جریان هوای رو به داخل و هوای اگزاست و بازچرخانی شده ی فیلتر شده با HEPA می باشد. 

کابینت کلاس 2 نوع A1 دارای دهانه ی ثابت و حداقل سرعت جریان هوای رو به داخل 0.4m/s است. سرعت متوسط رو به پایین توسط سازنده تعیین می شود و معمولا بین 0.25m/s تا 0.4m/s است. این کابینت ها برای مطابقت با شاخص زیست ایمنی (Biosafety) سطح 2 (DHHS 1999) مناسب هستند و برای استفاده با مواد رادیواکتیو، سمی یا قابل اشتعال مناسب نیستند. 

کابینت کلاس 2 نوع A2 سرعت هوای رو به داخل 0.5m/s را حفظ می کنند و عملکردی مشابه کابینت کلاس 2 نوع A1 دارند. 

کابینت کلاس 2 نوع B1 دارای یک دریچه کشویی عمودی است و در 200mm باز بودن دریچه سرعت رو به داخل 0.5m/s را نگه می دارد. سرعت متوسط رو به پایین حدد 0.25 ~0.4m/s است. این کابینت برای زیست ایمنی سطح 3 مناسب است. 

کابینت کلاس 2 نوع B2 سرعت هوای رو به داخل 0.5m/s را دارند و سطح زیست ایمنی آنها مشابه نوع B1 است با این تفاوت که در نوع B2 100% اگزاست به بیرون صورت می گیرد و در نوع B1 60% اگزاست و 40% سیرکولاسیون رخ می دهد. 

کابینت های کلاس 3 محفظه های فشار منفی هستند که آلاینده ها را به طور فیزیکی از کارکنان جدا می کنند. این کابینت دارای بیشترین درجه ی حفاظت از کارکنان است. 

شرایط نگهداری حیوانات در آزمایشگاه

جدول 1 – دمای خشک لازم برای حیوانات آزمایشگاهی

   جدول 2- گرمای تولید شده توسط حیوانات آزمایشگاهی

سطوح زیست ایمنی (Biosafety)

سازمان بهداشت آمریکا(DHHS)، مرکز کنترل و پیشگیری از سرطان (CDC) و موسسه ملی بهداشت (NIH)، آزمایشگاه های بیولوژیکی را به 4 سطح زیست-ایمنی طبقه بندی می کنند:
زیست ایمنی سطح 1
این سطح برای کار با مواد شناخته شده که آسیبی به سلامتی نمی زنند و کمترین خطر را برای کارکنان دارند مناسب است و هیچ گونه الزامات خاص تهویه مطبوعی ندارد. 
زیست ایمنی سطح 2
این سطح برای کار با موادی با خطر متوسط مناسب است. از نکات طراحی HVAC این سطح عبارتند از: 
    سیستم های 100% هوای بیرون 
    6 تا 15 تعویض هوا در ساعت 
    جریان هوای هدایت شده به اتاق های آزمایشگاه 
    سرعت هود توسط سایت مورد نظر تعیین می شود(معمولا 0.4m/s تا 0.5m/s)
    تعیین بارهای گرمایی تجهیزات آزمایشگاهی در فضا 
زیست ایمنی سطح 3
این سطح برای کار با مواد سمی است که می توانند باعث بیماری های خطرناک و احتمالا مرگ آور شوند. در آزمایشگاه های این سطح از دو جفت درب خود-بسته-شو استفاده می شود تا محیط آزمایشگاه از محیط دسترسی آزاد کارکنان جدا شود. سیستم تهویه باید یک طرفه، غیر چرخشی و قادر به حفظ فشار منفی آزمایشگاه نسبت به محیط اطراف باشد. تمامی منافذ باید درزبندی شوند. اگزاست این آزمایشگاه ها نیز ممکن است نیازمند فیلتراسیون HEPA باشد. 

زیست ایمنی سطح 4
این سطح برای کار با مواد سمی و خطرناکک که دارای ریسک بالای آلودگی آزمایشگاهی و بیماری های کشنده را دارند مناسب می باشد. 
سیستم های HVAC برای این آزمایشگاه ها دارای الزامات سختگیرانه ای است که باید توسط مامور ایمنی بیولوژیکی تعیین شود. 

منبع : 
هندبوک ASHRAE – کاربردهای گرمایش سرمایش و تهویه مطبوع، نشر نوآور