化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分析及比較

張萍

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

近年來我國(guó)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)室面臨著能耗大、工作環(huán)境危險(xiǎn)性大、空氣污染嚴(yán)重等問題，為確?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的精確性，保障實(shí)驗(yàn)室工作人員的安全與健康，保護(hù)大氣環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。鑒于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)沒有完善的設(shè)計(jì)手冊(cè)指導(dǎo)，筆者以某高校某層實(shí)驗(yàn)室為例，闡述實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及實(shí)驗(yàn)室尾氣處理方法，并比較了兩種不同補(bǔ)風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量計(jì)算

1.1 換氣次數(shù)及常用通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)量

根據(jù)聯(lián)邦公報(bào)-美國(guó)職業(yè)安全和健康委員會(huì)（OSHA）、ASHRAE 110 Application Handbook、美國(guó)全國(guó)防火委員會(huì)（NFPA45）《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室防火》 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)的規(guī)定，總結(jié)下來，實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)在正常工作模式為≥8 次/h，在節(jié)能工作模式為 4～6 次/h，在緊急工作模式為12 次/h。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 《化工實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)室供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（HG/T 20711-2019）[1]規(guī)定，處于工作狀態(tài)的有污染物產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室，最小換氣次數(shù)不應(yīng)低于6 次/h。同時(shí)，這些標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了實(shí)驗(yàn)室必須保持負(fù)壓，確保氣流單向性，以免交叉感染，根據(jù) 《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—暖通空調(diào)·動(dòng)力》（2009），機(jī)械進(jìn)風(fēng)量可取排風(fēng)量的70%，其余部分自然滲透。

某化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通常包括以下通風(fēng)設(shè)備：通風(fēng)柜、通風(fēng)試劑柜、原子吸收罩、萬向排風(fēng)罩等。綜合各實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通風(fēng)柜的面風(fēng)速宜取 0.5 m/s，此時(shí)通風(fēng)柜的氣流抑制性及運(yùn)行能耗達(dá)到比較好的權(quán)衡。介于通風(fēng)柜有這樣的風(fēng)速要求，通風(fēng)柜柜門根據(jù)不同工況會(huì)開啟不同高度，因此通風(fēng)柜應(yīng)采用變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)。其他設(shè)備均只需定風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)。我國(guó)常用通風(fēng)柜及定風(fēng)量設(shè)備排風(fēng)量可參考表 1[2]（排風(fēng)量的最小值是通風(fēng)柜移門關(guān)至最小時(shí)的排風(fēng)量。最大值是移門開到 工作高度的排風(fēng)量）和表 2。

表1 常用通風(fēng)柜排風(fēng)量

表2 常用定風(fēng)量設(shè)備排風(fēng)量

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算舉例

由于各實(shí)驗(yàn)室設(shè)備組合方式的不同，通風(fēng)量計(jì)算方法也有所不同，現(xiàn)以某層實(shí)驗(yàn)室為例，計(jì)算較為典型的6 個(gè)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)量，其實(shí)驗(yàn)室布置如圖1。注意：氣瓶柜應(yīng)放在主體建筑物之外的氣瓶存放間。對(duì)日用氣量不超過一瓶的氣體，室內(nèi)可放置一個(gè)該種氣體的氣瓶，但氣瓶應(yīng)有安全防護(hù)設(shè)施[3]。氣瓶柜的放置應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及氣體種類綜合考慮。

圖1 典型實(shí)驗(yàn)室布置圖

根據(jù)上述常用設(shè)備的排風(fēng)量及實(shí)驗(yàn)室所需換氣次數(shù)等數(shù)據(jù)，計(jì)算這 6 個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)排風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 典型實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量計(jì)算

表3 中：

1）房間凈高按4 m 計(jì)算，全室排風(fēng)量按 8 次/h 換氣次數(shù)計(jì)算。

2）通風(fēng)柜按柜長(zhǎng)1.5 m 考慮。排風(fēng)罩按實(shí)際尺寸計(jì)算。通風(fēng)試劑柜按每臺(tái)300 m3/h 計(jì)算。各設(shè)備同時(shí)使用系均取1。

3）放置可燃?xì)怏w氣瓶柜的實(shí)驗(yàn)室按換氣次數(shù) 12 次/h 計(jì)算事故的排風(fēng)量，該實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)機(jī)均為防爆風(fēng)機(jī)。

4）*表示在同時(shí)設(shè)置通風(fēng)柜和排風(fēng)罩的實(shí)驗(yàn)室，由于風(fēng)機(jī)是變頻的，即使設(shè)備最小排風(fēng)量＜全室排風(fēng)量，可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，加大房間總排風(fēng)量，無需另設(shè)房間排風(fēng)口。

2 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)已無法滿足實(shí)驗(yàn)室工作需求，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)室多采用變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)，主要通過變風(fēng)量閥（文丘里閥等），定風(fēng)量閥及控制單元來控制通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)排風(fēng)量，以滿足需求。

2.1 變風(fēng)量系統(tǒng)控制邏輯

實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量系統(tǒng)控制邏輯主要有兩種，一種是壓差控制，另一種是余風(fēng)量控制。

壓差控制，是通過設(shè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的房間壓差傳感器，直接監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室與走廊或非實(shí)驗(yàn)區(qū)域的壓差值，確保氣流的單向性，保證實(shí)驗(yàn)室與其他區(qū)域無交叉污染。當(dāng)房間內(nèi)排風(fēng)減少或增大時(shí)，房間壓力傳感器傳輸信號(hào)到控制單元，增大或減小補(bǔ)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。壓差控制多用于小型，封閉的實(shí)驗(yàn)室，控制更準(zhǔn)確。

余風(fēng)量控制，是通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)量和排風(fēng)量，保持設(shè)定的風(fēng)量差，維持風(fēng)量平衡，確保氣流的單向性。帶流量反饋的變風(fēng)量閥門用以監(jiān)測(cè)風(fēng)量。當(dāng)房間內(nèi)排風(fēng)量減少或增大時(shí)，新風(fēng)根據(jù)這個(gè)差值相應(yīng)的減少或增大，保證差值不變。余風(fēng)量控制適用于大型、開放型實(shí)驗(yàn)室，準(zhǔn)確性沒有壓差控制高。

通風(fēng)柜要求面風(fēng)速控制在0.5 m/s，就需要柜門處的傳感器，如紅外線傳感器，給通風(fēng)柜的變風(fēng)量閥傳輸信號(hào)，變風(fēng)量閥門再將信號(hào)傳輸給控制單元，不管是壓差控制還是余風(fēng)量控制，都反應(yīng)到排風(fēng)機(jī)及相應(yīng)送風(fēng)機(jī)的變頻控制柜，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的平衡。

另外，控制系統(tǒng)會(huì)通過設(shè)定房間的長(zhǎng)寬高，計(jì)算出全室排風(fēng)量。以實(shí)驗(yàn)室3 為例，當(dāng) 4 臺(tái)通風(fēng)柜均不工作時(shí)，房間排風(fēng)量為 300×4=1200 m3/h，而計(jì)算得的全室 排風(fēng)量為 2176 m3/h，當(dāng)房間排風(fēng)量（變風(fēng)量閥處傳輸信號(hào)）小于計(jì)算得到的全室排風(fēng)量時(shí)，打開房間排風(fēng)口處變風(fēng)量閥，使房間總風(fēng)量滿足全室排風(fēng)量要求，同時(shí)控制單元將調(diào)整后的排風(fēng)量信號(hào)，通過壓差控制或余風(fēng)量控制方法，控制送排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

當(dāng)然，不管是通風(fēng)柜面風(fēng)速的控制，房間內(nèi)排風(fēng)支管變風(fēng)量閥開度的控制，還是排風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制，都是同時(shí)進(jìn)行的。

2.2 變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

典型6 個(gè)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)計(jì)方法如圖2 所示。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)通過豎井內(nèi)的立管升至屋面，每個(gè)房間為一個(gè)系統(tǒng)，設(shè)一臺(tái)玻璃鋼耐腐蝕風(fēng)機(jī)，尾氣高空排放，1～ 4 號(hào)實(shí)驗(yàn)室設(shè)變頻風(fēng)機(jī)，5～ 6 號(hào)實(shí)驗(yàn)室為定頻風(fēng)機(jī)。補(bǔ)風(fēng)單層考慮，按最大補(bǔ)風(fēng)量之和的60%（同時(shí)使用系數(shù)）計(jì)算，由新風(fēng)空調(diào)箱經(jīng)冷熱處理后送入各實(shí)驗(yàn)室。通風(fēng)柜排風(fēng)支管及相應(yīng)房間進(jìn)風(fēng)支管均需設(shè)置變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，排風(fēng)罩、通風(fēng)試劑柜等設(shè)備排風(fēng)支管及相應(yīng)房間的送風(fēng)支管均需設(shè)置定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。

圖2 典型實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)過程中還需考慮以下幾個(gè)問題：1）為保證通風(fēng)柜的面風(fēng)速穩(wěn)定，通風(fēng)柜前 1.5 m 的距離內(nèi)最好不布置送風(fēng)口。2）排風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速一般不超過 8 m/s，支管內(nèi)風(fēng)速一般不超過 6 m/s，風(fēng)口頸部風(fēng)速一般不超過2.5 m/s。3）排風(fēng)機(jī)選型一般按照最大排風(fēng)量和最大壓力損失進(jìn)行選擇，不考慮通風(fēng)柜的使用概率。4）排風(fēng)管需要根據(jù)氣體種類選擇合適的材料，耐腐蝕風(fēng)管可采用難燃材料制作，一般采用無機(jī)玻璃鋼風(fēng)管、PVC、PP 風(fēng)管等。

3 實(shí)驗(yàn)室兩種送風(fēng)方式的比較

3.1 常用的兩種送風(fēng)方式

現(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)一般采用這兩種方式。方法一是根據(jù)計(jì)算得到的送風(fēng)量，由新風(fēng)空調(diào)箱經(jīng)冷熱處理后送入每個(gè)房間，風(fēng)口可為散流器或雙層百葉。方法二是每個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別設(shè)冷熱盤管，靠?jī)?nèi)外壓差自然進(jìn)風(fēng)，室外新風(fēng)與盤管內(nèi)的冷熱水進(jìn)行換熱，再送入房間?，F(xiàn)以設(shè)置兩臺(tái)通風(fēng)柜，凈高為3 m 的實(shí)驗(yàn)室為例，模擬通風(fēng)柜全開時(shí)，兩種送風(fēng)方式下的冬季室內(nèi)氣流組織。模型設(shè)置如圖3 所示，設(shè)置一面外墻，單位面積向外傳熱量為 60 W/ m2，每臺(tái)通風(fēng)柜風(fēng)量均為 1500 m3/h，全開時(shí)操作口大小為 1400×600，其中方法一送風(fēng)溫度設(shè)置為 18 ℃，送風(fēng)百葉 600×400，送風(fēng)量為 2100 m3/h，方法二室外供暖溫度為-9 ℃，盤管放熱量設(shè)為 17 kW，送風(fēng)百葉 1000×400，送風(fēng)量為 2100 m3/h。

圖3 兩種送風(fēng)方式模型設(shè)置圖

3.2 兩種送風(fēng)方式對(duì)比分析

經(jīng)過氣流組織模擬軟件 Fluent 模擬計(jì)算，截取h=1.5 m 兩種送風(fēng)方式下的室內(nèi)溫度場(chǎng)，如圖4。

綜合以上結(jié)果，對(duì)兩種送風(fēng)方式比較分析如下：

①溫度值：如圖4，方法二由于盤管傳熱效率不可能達(dá)到100%，實(shí)際送入房間的溫度小于理論計(jì)算溫度，即使設(shè)置在送風(fēng)量一樣的情況下，室內(nèi)溫度也低于方法一，更何況僅靠?jī)?nèi)外壓差自然進(jìn)風(fēng)的方式，送風(fēng)量也會(huì)小于方法一，實(shí)際室內(nèi)溫度會(huì)更低。

圖4 兩種送風(fēng)方式室內(nèi)溫度分布

②溫度分布：由于左邊墻體為外墻，不管送風(fēng)口是設(shè)置在靠?jī)?nèi)墻的上送風(fēng)口還是靠外墻的側(cè)送風(fēng)口，在人員活動(dòng)區(qū)域高度，內(nèi)墻處都比外墻處溫度高，因此，通風(fēng)柜可考慮設(shè)置在靠?jī)?nèi)墻處，但同時(shí)要考慮送風(fēng)口風(fēng)速對(duì)通風(fēng)柜操作口的影響。

③成本：在相同冷熱水需求的情況下，方法一采用全新風(fēng)經(jīng)冷熱處理的方法，能耗較大。且需要一臺(tái)新風(fēng)處理設(shè)備及一套送風(fēng)系統(tǒng)，包括風(fēng)管、閥門、控制單元等，增加造價(jià)。

④控制：方法一由于支管上安裝變風(fēng)量閥，送風(fēng)機(jī)變頻，送風(fēng)量會(huì)隨著室內(nèi)排風(fēng)量的變化而變化，準(zhǔn)確有效。方法二只能依靠室內(nèi)外壓差，改變自然進(jìn)風(fēng)量，風(fēng)量無法得到保證。

⑤其他：方法二的室外百葉需結(jié)合外窗，安裝位置受限，室外百葉容易積灰，需要及時(shí)清洗更換。方法一的送風(fēng)口可以靈活布置。

4 尾氣處理措施

規(guī)范[1]規(guī)定，排風(fēng)系統(tǒng)排出的有害物濃度和排放速率超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許排風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采取凈化措施，排放標(biāo)準(zhǔn)可以參考 《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297-1996）。但是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室業(yè)主無法給出排放物的種類及具體濃度，筆者建議設(shè)計(jì)人員可考慮對(duì)設(shè)置有局部通風(fēng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行尾氣處理，對(duì)只需全面排風(fēng)實(shí)驗(yàn)室，排風(fēng)經(jīng)耐腐蝕風(fēng)機(jī)后高空排放。

現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室尾氣處理一般有以下幾種方法：

1）對(duì)于苯、醇、酮、酯等有機(jī)溶劑的廢氣，一般采用活性炭吸附，利用高性能活性炭吸附劑固體本身的表面作用力，將有機(jī)廢氣分子附著在吸附劑表面，從而降低有害氣體濃度，活性炭吸附適用于大風(fēng)量低濃度的有機(jī)廢氣治理。

2）對(duì)于酸性無機(jī)廢氣，一般采用洗滌塔，氣相中的酸性物質(zhì)與洗滌塔中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過一級(jí)或者二級(jí)中和反應(yīng)，生成潔凈氣體排至大氣，但是，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，洗滌塔不適宜使用，液體有被凍住的可能性。另有一種吸附塔，以大比表面積堿性固體顆粒狀的吸附劑作為填料，當(dāng)廢氣中的酸性分子和水分子靠近吸附劑表面時(shí)，便會(huì)被吸附劑吸收，并與堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣鹽而被固定下來。

嚴(yán)格來講，尾氣處理應(yīng)根據(jù)尾氣種類及濃度比例等理化特性，制定專門的處理裝置及吸附材料，不能一概而論。由于吸附填料的阻力損失都較大，塔體重量也較大，需要設(shè)計(jì)人員考慮風(fēng)機(jī)的壓頭和設(shè)備平臺(tái)的承重。

5 結(jié)語

變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要方法，筆者列出了幾種常用實(shí)驗(yàn)室局部通風(fēng)設(shè)備的通風(fēng)量，詳解了變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于氣流組織模擬軟件，比較了現(xiàn)行兩種補(bǔ)風(fēng)方式的優(yōu)劣，并介紹了幾種常用尾氣處理設(shè)備，望對(duì)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)工作者提供參考作用。