恒溫恒濕科學(xué)實驗室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

俞麗華 汪洪軍

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恒溫恒濕科學(xué)實驗室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

俞麗華 汪洪軍

（中國計量科學(xué)研究院 北京 100013）

隨著科技水平的不斷提高和高精密儀器設(shè)備的不斷投入使用，對科學(xué)實驗環(huán)境的溫濕度控制精度提出了更高的要求。然而在現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范中，對恒溫恒濕實驗室的空調(diào)設(shè)計描述并不夠詳細，甚至對超精密恒溫恒濕實驗室的空調(diào)設(shè)計描述尚為空白。在此背景下，根據(jù)恒溫恒濕科學(xué)實驗室的分類對其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計進行討論，為實驗室尤其是超精密恒溫恒濕實驗室的空調(diào)設(shè)計提供參考。

科學(xué)實驗室；恒溫恒濕；超精密；控制精度；空調(diào)設(shè)計

0 引言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，科學(xué)實驗室的先進程度體現(xiàn)了其所在地乃至整個國家的科技先進性。實驗室的先進程度不僅體現(xiàn)在其內(nèi)部實驗設(shè)備的精度以及科研人員的素質(zhì)上，同時也需要有精確度高、穩(wěn)定性好、不受外界因素干擾的實驗室環(huán)境作為基礎(chǔ)保障，而實驗室內(nèi)的溫濕度控制精度便是其中的重要指標。

目前，我國還沒有頒布科學(xué)實驗室空調(diào)及通風系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，恒溫恒濕實驗室的暖通空調(diào)設(shè)計可參考《科學(xué)實驗室建筑設(shè)計規(guī)范》、《采暖通風和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，以及美國ASHRAE手冊和德國VDI規(guī)范等資料的相關(guān)章節(jié)[1]。對于超精密恒溫恒濕實驗室（如：±0.01℃，±1%），由于不具普遍性，其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計在上述規(guī)范中仍未涉及，目前可用于參考的資料有美國NIST先進測量實驗室（AML）空調(diào)設(shè)計相關(guān)文獻等。本文按照科學(xué)實驗室所研究的專業(yè)及相應(yīng)的溫濕度控制工藝要求將其進行分類，并從溫濕度控制精度的角度討論恒溫恒濕科學(xué)實驗室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。

1 科學(xué)實驗室的分類及溫濕度控制要求

在不同的設(shè)計參考資料中，對科學(xué)實驗室的分類不盡相同。例如：在ASHRAE手冊中，根據(jù)所研究專業(yè)將實驗室分為生物實驗室、動物實驗室、化學(xué)實驗室及物理實驗室等四類[2]；而在《科學(xué)實驗室建筑設(shè)計規(guī)范》中，將實驗室分為通用實驗室和專用實驗室兩大類并分別做出規(guī)定[3]。

通用實驗室是指適用于多學(xué)科的以實驗臺規(guī)模進行經(jīng)常性科學(xué)研究和實驗工作的實驗室，其夏季空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計算參數(shù)為溫度26～28℃，相對濕度小于65%，在規(guī)范中沒有對溫濕度控制精度及潔凈度做相關(guān)要求。專用實驗室是指有特定環(huán)境要求（如：恒溫、恒濕、潔凈、無菌、防振、防輻射、防電磁干擾等）或以精密、大型、特殊實驗裝置為主（如：電子顯微鏡、高精度天平、譜儀等）的實驗室，其空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計算參數(shù)應(yīng)按工藝要求確定?？梢?，恒溫恒濕科學(xué)實驗室屬專用實驗室。

在恒溫恒濕實驗室中，普通實驗室溫濕度控制精度分別為±2℃和±20%；生命化學(xué)實驗室溫濕度控制精度分別為±1～0.5℃和±10%；物理科學(xué)實驗室溫濕度控制精度分別為±0.5～0.25℃和±5%；高精度成像或納米制造實驗室溫濕度控制精度分別為±0.25～0.01℃和±5～1%；半導(dǎo)體潔凈室的溫度控制精度一般為±0.6℃，光刻投影打印機需要±0.3℃，晶片或掩模寫入過程區(qū)域為±0.06～0.3℃，利用電子光線技術(shù)的晶片標線寫入需要達到±0.06℃，半導(dǎo)體所需相對濕度水平為30%～50%，根據(jù)不同的過程需要，控制精度為0.5%～5%[2]。

計量實驗室是從功能角度劃分的一類專用科學(xué)實驗室，它涵蓋了物理、化學(xué)、生物等專業(yè)實驗室，并需綜合考慮溫濕度、振動、電磁、噪音和空氣污染等因素，不同專業(yè)的計量實驗室具有不同的環(huán)境控制需求。其中，溫濕度控制精度對某些專業(yè)的測量結(jié)果具有直接影響作用，例如：對于長度計量，直線標度或量塊高精度干涉測量的基準溫度為20℃，只有當溫度控制精度高于±0.1℃且保持穩(wěn)定數(shù)小時，測量相對標準不確定度才能接近10-8的要求；對于質(zhì)量計量，如果溫度變化超過0.2℃，則質(zhì)量誤差的確定會變得十分困難[4]。表1列舉了幾個國家精密計量實驗室的環(huán)境條件控制水平。

表1 不同國家計量實驗室環(huán)境條件控制水平

綜上，可將恒溫恒濕科學(xué)實驗室按照溫濕度控制精度水平分為普通實驗室、精密實驗室和超精密實驗室三類。各類實驗室所對應(yīng)的溫濕度控制精度要求詳見表2。

表2 恒溫恒濕實驗室分類

2 恒溫恒濕實驗室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 空調(diào)系統(tǒng)的選擇

空調(diào)系統(tǒng)可按照空氣處理設(shè)備的設(shè)置情況、負擔室內(nèi)空調(diào)負荷所用介質(zhì)、集中系統(tǒng)處理的空氣來源等不同劃分方式進行分類。對于溫濕度控制精度要求不高的普通實驗室，可選用半集中式和集中式空調(diào)系統(tǒng)；而對于溫濕度控制精度要求較高的精密實驗室和超精密實驗室，需選用集中式定風量空調(diào)系統(tǒng)。當選用集中式空調(diào)系統(tǒng)時，若實驗室內(nèi)產(chǎn)生有害物質(zhì)不允許室內(nèi)空氣再循環(huán)使用時，應(yīng)選用定風量直流系統(tǒng)；若室內(nèi)空氣可循環(huán)使用，恒溫恒濕實驗室一般采用定風量一、二次回風系統(tǒng)。

2.2 冷熱源的選擇

由于恒溫恒濕實驗室對溫濕度控制精度要求較高，同時對空調(diào)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性要求也較高，通常選用電動壓縮式冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源。對于分散設(shè)置或面積較小的精密實驗室，可采用直接蒸發(fā)高精度恒溫恒濕機組。對于需要熱源的恒溫恒濕實驗室，通常選用熱水鍋爐作為熱源以確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2.3 空氣處理設(shè)備配置

為滿足實驗室特殊環(huán)境條件控制要求，需采用專用高精度空氣處理設(shè)備，內(nèi)設(shè)初效過濾、制冷、加熱、加濕、循環(huán)風機、中效過濾及亞高效過濾等功能段，新風采用集中處理方式。有潔凈要求的實驗室，風口采用高效過濾器，空調(diào)機組內(nèi)設(shè)新風、初效過濾、制冷、加熱、加濕、循環(huán)風機、中效過濾及亞高效過濾等功能段。對于溫濕度控制精度要求高且不能中斷運行的實驗室，需考慮空氣處理設(shè)備的備用。例如，在美國NIST的AML實驗室中，每個功能實驗室均采用空調(diào)機組一用一備的方式，以確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2.4 氣流組織設(shè)計

合理的氣流組織設(shè)計是保證空調(diào)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等指標滿足工藝要求的重要環(huán)節(jié)。對于普通恒溫恒濕實驗室，一般不考慮潔凈度要求，其溫濕度基數(shù)可根據(jù)工藝需要和衛(wèi)生條件來確定。普通和精密恒溫恒濕實驗室的氣流組織形式可根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》表25.1-1來進行選擇，送風方式有貼附側(cè)送、散流器平送、孔板上送等方式。對于有潔凈要求的精密實驗室，應(yīng)參考潔凈室氣流組織設(shè)計[6]。

表3 不同氣流組織方式特性表

對于溫濕度控制精度要求極高的超精密實驗室和部分精密實驗室（±0.25～±0.5℃），氣流組織形式有豎直向下（上送下回）、豎直向上（下送上回）、水平方向（兩側(cè)中間送上回）和頂送頂回等幾種方式。例如：在美國NIST的AML實驗室采用豎直向下方式，在德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的Paschen-bau采用豎直向上方式，在new METAS實驗室和Justervesenet采用水平方向方式，在中國計量科學(xué)研究院光纖實驗室采用頂送頂回方式。上述幾種氣流組織形式特性如表3所示。在采用水平方向氣流組織形式時，為減小內(nèi)部人員熱擾，在滿足衛(wèi)生條件的情況下，氣流應(yīng)先經(jīng)過工作區(qū)再到達操作員位置。

對于溫度控制精度較高（高于±0.1℃）或潔凈度要求較高（<5級）的實驗室，由于換氣次數(shù)大（AML實驗室在控制精度為±0.01℃時已達到300次/h），應(yīng)優(yōu)先考慮采用全面孔板單向流送風方式，以有效降低空調(diào)區(qū)域內(nèi)的風速。同樣，有潔凈度要求的精密與超精密實驗室，應(yīng)按照潔凈室相關(guān)規(guī)范進行空調(diào)設(shè)計。在需要電磁屏蔽的實驗室，空調(diào)氣流應(yīng)通過波導(dǎo)窗進入房間。

2.5 溫濕度控制

通常普通實驗室在其溫濕度控制精度下，夏季室內(nèi)溫濕度指標通過控制冷凍水的電動二通閥來實現(xiàn)；冬季以室內(nèi)溫濕度與設(shè)定值的偏差值分別控制電加熱器的電動二通閥和加濕器的加濕量[8]。

對于精密和超精密實驗室，為實現(xiàn)空調(diào)區(qū)域高精度溫濕度控制要求，除了采用PID控制算法分級調(diào)節(jié)送風參數(shù)外，還要在系統(tǒng)的設(shè)計上滿足小送風溫差和大送風量的控制；對管線做好保溫避免在傳輸過程中產(chǎn)生溫度波動；在控濕區(qū)設(shè)置阻濕隔汽層以有效阻止水蒸氣滲入或滲出控濕區(qū)，并在入口設(shè)過渡門廳，從而防止空氣濕度發(fā)生較大波動。同時，溫濕度傳感器的精度至關(guān)重要，要至少比溫濕度控制精度高出一個數(shù)量級。例如：在AML高精度實驗室中，為響應(yīng)溫度變化布置了高精度的熱敏電阻和濕度傳感器，特別是在±0.01℃溫控要求的實驗室中布置的熱敏電阻由NIST研究者單獨做了校準，以確保其公差小于±0.003℃[9]。

2.6 其他相關(guān)設(shè)計

2.6.1 考慮熱擾動的相關(guān)設(shè)計

熱擾動是指傳遞到空調(diào)區(qū)域內(nèi)的各種熱量，按照其來源可分為內(nèi)部熱擾和外部熱擾[10]。內(nèi)部熱擾主要包括人員、設(shè)備和燈光。對于設(shè)備和燈光這樣的固定裝置，除盡量減小空調(diào)區(qū)域內(nèi)的散熱量外，其熱量較容易處理。但對于人體熱源，雖然平均每人只有125W的熱量，卻是非常難處理的。當實驗室溫度控制最高精度為±0.01℃時，不能有人在受控環(huán)境中；溫度控制精度在±0.02℃時，可有1人在受控環(huán)境中[11]。外部熱擾是指從室外向室內(nèi)空調(diào)區(qū)域傳遞的各種熱量，可通過維護結(jié)構(gòu)設(shè)計的配合來減少對溫度控制精度的影響。

2.6.2 維護結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減少外部熱擾及濕負荷，實驗室維護結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工對其空調(diào)區(qū)域的溫濕度控制精度亦起到至關(guān)重要的作用。對于控濕，維護結(jié)構(gòu)需設(shè)置阻濕隔氣層并保持嚴密。對于控溫，首先要選用厚重且熱阻大的墻體[12]。對高精度控溫區(qū)應(yīng)考慮設(shè)置于地下或采用房間套房間的形式，也可將維護結(jié)構(gòu)設(shè)計與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，例如，在維護結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)輻射板等方式。

3 科學(xué)實驗室空調(diào)設(shè)計問題考慮

科學(xué)實驗室在其功能及環(huán)境控制要求上具有一定的特殊性，除了從溫濕度控制精度角度討論空調(diào)設(shè)計外，還需注意以下幾點：

（1）科學(xué)技術(shù)具有發(fā)展迅猛之特點，在實驗室設(shè)計時要考慮到未來幾年甚至十幾年的發(fā)展，要對制冷機房的平面與空間以及制冷系統(tǒng)管路的輸送能力考慮一定的余量。同時，建議設(shè)置設(shè)備層或設(shè)備通道，為設(shè)備數(shù)量的增加提供有效空間。

（2）實驗室為非生產(chǎn)型部門，某些科研項目具有極大的不均衡性，即復(fù)雜項目的設(shè)備需要連續(xù)運行數(shù)月，而平時則不需要長時間運轉(zhuǎn)。因此，項目所在實驗室的空調(diào)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)要求不允許有任何中斷，在設(shè)計時要尤為注意。

（3）為保證空調(diào)區(qū)域氣流均勻、指標恒定，對環(huán)境控制精度要求極高的實驗室，除上述空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計外，建議實驗室使用面積為20～30m2為宜。

4 結(jié)論

我國目前尚未頒布科學(xué)實驗室空調(diào)及通風系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范。本文結(jié)合相關(guān)文獻及部分工程實例，對恒溫恒濕科學(xué)實驗室的分類進行討論，從空調(diào)系統(tǒng)及冷熱源的選擇、空氣處理設(shè)備配置、氣流組織設(shè)計、溫濕度控制等幾個方面討論了恒溫恒濕實驗室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，并提出相關(guān)建議，供設(shè)計人員參考。

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Air-conditioning System Design in Constant Temperature and Humidity Science Laboratory

Yu Lihua Wang Hongjun

( National Institute of Metrology, Beijing, 100013 )

With the continuous improvement of science and technology and the usage of high precision instrument and equipment, the higher control precision requirements on temperature and humidity in scientific experiment environment are put forward. In existing design specifications, there is no detailed description about air-conditioning design of constant temperature and humidity laboratory, and is still no that of ultra-precise constant temperature and humidity laboratory. In this context, air-conditioning design is discussed according to the category of constant temperature and humidity laboratory, which provides reference to the related design work.

science laboratory; constant temperature and humidity; ultra-precise; control precision; air-conditioning design

TU831.3

A

俞麗華（1980.02-），女，博士研究生，工程師，E-mail：yulihua@nim.ac.cn

2018-03-09

1671-6612（2018）05-511-04