淺談科研樓實(shí)驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

楊銳明， 禚玉群

(清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引言

科研樓是高校的重要基礎(chǔ)設(shè)施，一般為多層獨(dú)立建筑，包括實(shí)驗(yàn)室、研究室、辦公室等工作間和配電室、風(fēng)機(jī)房、水泵房等設(shè)備間。其中占面積最大的是實(shí)驗(yàn)室，不同的實(shí)驗(yàn)室完成不同的科研任務(wù)，其內(nèi)部設(shè)備布置差別較大，大多數(shù)房間，尤其是進(jìn)行樣品制備和化學(xué)分析的房間都需要進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)換氣，而整個(gè)樓宇內(nèi)不同的房間其排風(fēng)任務(wù)可能完全不同?？蒲袠鞘翘厥獾慕ㄖ?，既要保證科研工作的順利進(jìn)行，又要保證人員的安全與舒適。除了需遵守建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JGJ91-93科學(xué)實(shí)驗(yàn)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于排風(fēng)換氣的規(guī)定以外，還應(yīng)根據(jù)社會(huì)的發(fā)展和新設(shè)備的使用，及時(shí)把新的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用其中。

1 整體方案

排風(fēng)系統(tǒng)的首要任務(wù)是保證實(shí)驗(yàn)的安全性，提供足夠風(fēng)量的可靠排風(fēng)，同時(shí)還需考慮科研任務(wù)變化性大、不確定性多的特點(diǎn)，要求系統(tǒng)具有一定的變化適應(yīng)性和擴(kuò)展性，隨著低碳綠色生活理念的普及，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和良好的用戶體驗(yàn)也越來越成為方案設(shè)計(jì)的重要組成，早期的系統(tǒng)一般為定風(fēng)量(Constant Air Volume，CAV)系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)投資小，控制簡(jiǎn)單，但用戶體驗(yàn)較差，能源浪費(fèi)較多，已逐步淘汰;變風(fēng)量(Variable Air Volume，VAV)實(shí)驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)排風(fēng)設(shè)備的需要，使用適當(dāng)?shù)拿骘L(fēng)速/風(fēng)量進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其安全性、節(jié)能、適應(yīng)性和靈活性得到了充分的驗(yàn)證，雖然初投資偏高，仍然獲得了越來越多的應(yīng)用［1］。

一個(gè)科研樓從設(shè)計(jì)、施工到用戶進(jìn)入少則2年，多則3～5年，設(shè)計(jì)階段應(yīng)和用戶進(jìn)行積極溝通，充分了解用戶需求，使用戶的需求層面和設(shè)計(jì)方的技術(shù)層面達(dá)成統(tǒng)一，避免“一入住就改造”的情況。

一個(gè)科研樓實(shí)驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)從全樓的角度整體考慮排風(fēng)方案，避免設(shè)計(jì)多個(gè)局部系統(tǒng)，各自為政，相互干擾，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性也差。系統(tǒng)控制包括硬件設(shè)施和自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)按3個(gè)層級(jí)遞進(jìn)考慮，不同的層級(jí)需要不同的控制策略。第1層級(jí)是室內(nèi)需要排風(fēng)的設(shè)備，如排風(fēng)柜、氣瓶柜、實(shí)驗(yàn)裝置等，他們各有不同的排風(fēng)方式。第2層級(jí)是指整個(gè)房間，不同的房間用途不同，安裝了不同的設(shè)備，既要考慮設(shè)備排風(fēng)，也要考慮內(nèi)部空間的人員換氣需求和補(bǔ)風(fēng)方式，不能“一刀切”，需要逐一進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。第3層級(jí)是樓宇的排風(fēng)，包含了不同樓層多個(gè)分支風(fēng)管，匯總后進(jìn)入豎井，要解決他們之間阻力特性匹配，包括樓層之間高差帶來的壓差，并從全樓宇的角度解決控制邏輯等問題。

2 排風(fēng)量的核定與控制方式

連續(xù)風(fēng)量是指需每日24h連續(xù)排風(fēng)的風(fēng)量;臨時(shí)風(fēng)量是指只在進(jìn)行某種科研工作時(shí)才需要的排風(fēng)量?？傦L(fēng)量是連續(xù)風(fēng)量和考慮了同時(shí)利用系數(shù)之后的臨時(shí)風(fēng)量之和，即

式中:Lz為總風(fēng)量;Llx為連續(xù)風(fēng)量;Lls為臨時(shí)風(fēng)量;k為同時(shí)利用系數(shù)。

2.1 第1層級(jí):需要排風(fēng)的設(shè)備

(1)排風(fēng)柜。排風(fēng)柜是實(shí)驗(yàn)室中最常見的排風(fēng)設(shè)備，多為定風(fēng)量運(yùn)行，使用效果不佳，耗能大。變風(fēng)量排風(fēng)柜是按柜面風(fēng)速控制其排風(fēng)量，較好地解決了這些問題。風(fēng)速按室內(nèi)允許的污染物濃度分級(jí)設(shè)置［2］，如表1所示，科研單位處理的污染物不固定，綜合考慮安全性和運(yùn)行費(fèi)用，可按中間檔選取，即:0.50 m/s的面風(fēng)速，這也符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［3］。

表1 排風(fēng)柜柜口的面風(fēng)速值

排風(fēng)柜在工作時(shí)會(huì)人為改變面板的開度，此時(shí)柜內(nèi)的卷軸行程傳感器感應(yīng)到開度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)排風(fēng)柜出口的風(fēng)閥，始終保證適當(dāng)?shù)拿骘L(fēng)速。該風(fēng)閥應(yīng)選用壓力無關(guān)型數(shù)字式變風(fēng)量文丘里閥，反應(yīng)速度快，控制精度高，且不受室內(nèi)壓力影響，結(jié)合全樓的排風(fēng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以上功能［4］。此風(fēng)量為臨時(shí)風(fēng)量。

使用過的排風(fēng)柜，其內(nèi)表面和連接管路中會(huì)粘附冷凝或吸附下來的有毒物質(zhì)，如無機(jī)酸，在常壓下會(huì)擴(kuò)散到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部，造成對(duì)人員的傷害，因此，排風(fēng)柜即使在不工作時(shí)，也應(yīng)處于負(fù)壓狀態(tài)，可以設(shè)定其處于最小流量狀態(tài)，此流量一般為200 m3/h［5］，是連續(xù)風(fēng)量。

(2)萬向排氣罩/原子吸收罩。萬向排氣罩和原子吸收罩不需24 h連續(xù)工作，是臨時(shí)風(fēng)量。通常放置于待排風(fēng)設(shè)備的上方，宜按照設(shè)備規(guī)定的排氣風(fēng)速，計(jì)算其排氣量，可根據(jù)Dalla-Valle公式進(jìn)行計(jì)算［6］:

式中:L為排風(fēng)量，m3/h;X為罩口至桌面的距離，m;F為罩口面積，m2;u為排風(fēng)風(fēng)速，m/s。

在引出管路上安裝定風(fēng)量閥，按固定排氣量進(jìn)行控制。由于其所在房間內(nèi)可能有其他排風(fēng)設(shè)備，室內(nèi)壓力不穩(wěn)定，此風(fēng)閥應(yīng)為壓力無關(guān)型。

(3)氣瓶柜/氣瓶間/化學(xué)試劑柜。它們都應(yīng)24 h排風(fēng)，是連續(xù)風(fēng)量，接入總排風(fēng)系統(tǒng)。氣瓶柜內(nèi)部有可燃?xì)怏w檢測(cè)器，一旦檢測(cè)到可燃?xì)怏w濃度大于規(guī)定值，就按泄漏處理，發(fā)出聲光報(bào)警，并開啟強(qiáng)排，此時(shí)關(guān)閉日常排風(fēng)閥，強(qiáng)排氣體直接由專用管道排至室外。

(4)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)數(shù)小，但排風(fēng)量較大，且風(fēng)量變化不定。一般自帶送、排風(fēng)機(jī)，此類設(shè)備宜將風(fēng)道接入系統(tǒng)干路，不要與小風(fēng)量的分支管并聯(lián)。它是臨時(shí)風(fēng)量的主要組成部分，在排風(fēng)機(jī)選型和補(bǔ)風(fēng)控制中需重點(diǎn)考慮。

2.2 第2層級(jí):整個(gè)房間的排風(fēng)

不同的房間中需要換氣的設(shè)備差異可能很大，籠統(tǒng)地以房間需要每小時(shí)換氣的次數(shù)進(jìn)行規(guī)定具有很大的盲目性，目前對(duì)此業(yè)界也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒有制定具體的排風(fēng)換氣次數(shù)指標(biāo)［7］，但德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN1946規(guī)定的換氣次數(shù)為每小時(shí)8次［8］。應(yīng)根據(jù)房間內(nèi)的設(shè)備和用途，以連續(xù)風(fēng)量和臨時(shí)風(fēng)量的原則進(jìn)行加和得到房間的總排風(fēng)量，再根據(jù)實(shí)際情況確定補(bǔ)新風(fēng)方案，確?？諝馐菑淖呃鹊惹鍧崊^(qū)向污染區(qū)單向流動(dòng)。

2.3 第3層級(jí):樓宇的排風(fēng)

樓宇的排風(fēng)系統(tǒng)常見水平布置和垂直布置兩種。

水平布置即每個(gè)樓層的風(fēng)管全部引到一個(gè)風(fēng)機(jī)房中，從遠(yuǎn)端至風(fēng)機(jī)房的距離較大，占用吊頂面積較多;分支復(fù)雜，風(fēng)量偏差和竄風(fēng)等問題較大，流量調(diào)試?yán)щy;中間各層的排風(fēng)不能排至樓頂及時(shí)被吹散稀釋，有可能擴(kuò)散至鄰層的辦公區(qū)域;風(fēng)機(jī)安置在各層，需多臺(tái)風(fēng)機(jī)，須有風(fēng)機(jī)房，需對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行降噪處理。即使設(shè)置排風(fēng)豎井，將每層的氣體排至樓頂，其豎井的面積占用也較大，空間使用效率較低。

垂直布置即排風(fēng)道水平局部區(qū)域匯總后進(jìn)入排風(fēng)豎井，對(duì)于常見的一字型、Y字型、回字型樓宇，全樓在不同方向設(shè)計(jì)幾個(gè)垂直排風(fēng)豎井。垂直設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)的好處較多，首先水平匯總風(fēng)道較短，有利于在吊頂內(nèi)布置，占用吊頂面積較少;豎井的數(shù)量較少，利用率較高;氣體全部由布置于樓頂?shù)呐棚L(fēng)機(jī)排走，有利于氣體的擴(kuò)散稀釋，風(fēng)機(jī)噪音對(duì)人員的影響小。

宜采用垂直布置方式。各層存在著數(shù)量不等的并聯(lián)支管，各層所有支管都匯總到風(fēng)道豎井，是典型的并聯(lián)管網(wǎng)。各支管兩端的壓差必然相等，即靜阻力相等［9］。因此，在每個(gè)支管上，應(yīng)設(shè)置壓力傳感器和調(diào)節(jié)風(fēng)閥，以靜阻力最大支管的最遠(yuǎn)端設(shè)備風(fēng)量能滿足需要時(shí)的風(fēng)壓為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)其余支管的風(fēng)閥，則可以滿足所有排風(fēng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各層的阻力平衡［10］。當(dāng)某支管排風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，壓力發(fā)生變化，風(fēng)閥開度或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)發(fā)生改變，保持靜壓不變，即能保證其余支管排風(fēng)量基本穩(wěn)定［11］。

全樓的排風(fēng)風(fēng)量包括了連續(xù)風(fēng)量和臨時(shí)風(fēng)量，排風(fēng)系統(tǒng)需24 h連續(xù)運(yùn)行。

3 其他問題

3.1 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)

應(yīng)根據(jù)房間的大小、用途和換氣設(shè)備的具體情況，并考慮人員的舒適性需求后，計(jì)算所需的換氣量，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)房間的補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。換氣量小的房間通過百葉窗或門窗自然補(bǔ)風(fēng)，換氣量大的房間需要有組織地補(bǔ)充新風(fēng)。

有組織地補(bǔ)風(fēng)宜按房間整體考慮，補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的啟停和風(fēng)量控制應(yīng)和排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。補(bǔ)風(fēng)量的確定有兩種方式:①余風(fēng)量控制，控制系統(tǒng)計(jì)算此時(shí)的室內(nèi)排氣量，補(bǔ)風(fēng)量為排氣量的70%［2］，保持差值(余風(fēng)量)不變，可使房間內(nèi)處于微負(fù)壓。② 按負(fù)壓設(shè)定，通過壓力傳感器控制送新風(fēng)量，維持房間的負(fù)壓，當(dāng)為某一適當(dāng)房間面積時(shí)，可以僅按某一風(fēng)量排風(fēng)而不補(bǔ)風(fēng)，此時(shí)通過門窗縫隙和吊頂滲透進(jìn)來的空氣可使室內(nèi)負(fù)壓維持在－5 Pa左右，尤其適用于夜間換氣。但受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況影響偏差較大，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)門窗情況進(jìn)行調(diào)試，不適用于所有房間，換氣量大的房間仍需進(jìn)行有組織的補(bǔ)風(fēng)［12］。補(bǔ)新風(fēng)以按余風(fēng)量恒定的控制方式為佳。

補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)提供的是新風(fēng)，需結(jié)合實(shí)際情況，考慮補(bǔ)風(fēng)量、補(bǔ)風(fēng)地點(diǎn)和溫濕度控制。根據(jù)房間面積，當(dāng)連續(xù)風(fēng)量和臨時(shí)風(fēng)量之和超過某一計(jì)算值時(shí)，在冬季和夏季的情況下，室內(nèi)溫度會(huì)出現(xiàn)較大偏離，此溫差通過房間空調(diào)是無法及時(shí)調(diào)整的，因此需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加溫或降溫處理后再送入。新建筑應(yīng)該在敷設(shè)排風(fēng)管路的同時(shí)敷設(shè)新風(fēng)管路，新風(fēng)管路對(duì)排風(fēng)管路進(jìn)行余熱回收，但投資較大。一個(gè)替代方案是不建設(shè)新風(fēng)管道，只針對(duì)特殊用途房間，采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和分布式空氣源熱泵就地補(bǔ)新風(fēng)［13］，可以大大節(jié)約投資。

3.2 排風(fēng)機(jī)選型

排風(fēng)機(jī)宜選擇低噪防爆風(fēng)機(jī)，變頻運(yùn)行，其容量的選擇應(yīng)考慮如下因素。

(1)風(fēng)機(jī)的負(fù)荷變化可能較大，由于其流量和轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，而轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)軸功率是三次方關(guān)系，因此低負(fù)荷時(shí)應(yīng)通過變頻降速運(yùn)行，可以大大節(jié)約運(yùn)行成本，而風(fēng)機(jī)效率基本不變［14］，如以下公式所示:

式中:L為流量;n為轉(zhuǎn)速;N為軸功率。

(2)由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)壓是二次方關(guān)系［14］，即

式中:p為風(fēng)壓;n為轉(zhuǎn)速。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行于連續(xù)風(fēng)量即最小風(fēng)量時(shí)，應(yīng)能提供足夠的壓頭，并校核風(fēng)機(jī)壓力特性曲線處于穩(wěn)定工作區(qū)。

(3)和使用方充分溝通，科學(xué)計(jì)算臨時(shí)風(fēng)量的同時(shí)利用系數(shù)，避免風(fēng)機(jī)容量選擇過大，既要滿足排風(fēng)需求，且在總風(fēng)量下，豎井中的風(fēng)速不應(yīng)大于8 m/s，風(fēng)道支管不應(yīng)大于6.5 m/s，否則氣流的喘流噪聲會(huì)較高［7，15］。

3.3 噪 聲

《GB 50045—2005高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，學(xué)校教室內(nèi)允許噪聲在50～55 dB(A)之間［7］，如超標(biāo)需要加裝消聲器。

3.4 廢氣凈化處理

根據(jù)樓宇的實(shí)驗(yàn)工作性質(zhì)進(jìn)行必要的濾塵和吸附處理，通常廢氣為酸性，可使用5%氫氧化鈉水溶液作為吸收液，并根據(jù)投資額和運(yùn)行費(fèi)用確定合理的液氣比［16］，有機(jī)廢氣使用活性炭進(jìn)行吸附［17］。

4 結(jié)語

科研樓排風(fēng)系統(tǒng)方案的確定是一個(gè)系統(tǒng)工程，好的方案設(shè)計(jì)，好的施工質(zhì)量和認(rèn)真細(xì)致的調(diào)試和驗(yàn)收環(huán)節(jié)，才能提供良好的用戶體驗(yàn)。如每一個(gè)排風(fēng)柜的變風(fēng)量文丘里閥，萬向罩的定風(fēng)量文丘里閥，每層支路總管的節(jié)流閥和靜壓傳感器的分部調(diào)試和整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，風(fēng)機(jī)變頻工作曲線的確定等，調(diào)試工作的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的使用效果。土建風(fēng)道內(nèi)部是否存在漏風(fēng)和未封堵的人孔，分支風(fēng)道各法蘭的密合性，各風(fēng)閥是否存在過大的固有漏風(fēng)量等等也需進(jìn)行細(xì)致的排查。