國(guó)標(biāo)圖集《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》詳解

張 兢 孫永霞

(中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京)

1 圖集介紹

1.1 立項(xiàng)背景

科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基,創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂。2015年,習(xí)近平總書記在《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》的說(shuō)明中首次提出要以國(guó)家目標(biāo)和戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向,瞄準(zhǔn)國(guó)際科技前沿,布局一批體量更大、學(xué)科交叉融合、綜合集成的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。隨著國(guó)家目標(biāo)和戰(zhàn)略的需求,我國(guó)投入大量的經(jīng)費(fèi)到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中,從而使實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量激增,其中化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)比例最大。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是提供化學(xué)科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所,分布在多個(gè)行業(yè),如石油石化、醫(yī)藥、海關(guān)、質(zhì)檢、醫(yī)療、疾控、科研院所、高等院校等。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更新速度較緩慢,不能很好地適應(yīng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室快速建設(shè)發(fā)展的需要。同時(shí),化學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為能耗大戶,節(jié)能減排也成為必然趨勢(shì)。及時(shí)總結(jié)我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理的發(fā)展成就、經(jīng)驗(yàn)及不足,已成為非常重要且迫切的工作。

2020年6月,由同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司、同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司共同承擔(dān)了國(guó)標(biāo)圖集22K523《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》的主要編制工作。

1.2 圖集適用范圍

該圖集適用于新建、改建和擴(kuò)建的科研機(jī)構(gòu)、高等院校、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)環(huán)境污染控制。其他行業(yè)、企業(yè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室及中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室等,當(dāng)與該圖集使用條件一致時(shí)可參考相關(guān)內(nèi)容。

該圖集不適用于生物實(shí)驗(yàn)室。

1.3 圖集主要內(nèi)容

該圖集為新編圖集,包含以下幾方面主要內(nèi)容:實(shí)驗(yàn)室工藝布置平面示例、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和典型案例(圖集編入了4種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的典型通風(fēng)系統(tǒng)流程圖及與之對(duì)應(yīng)的4種典型通風(fēng)系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)策略、控制原理圖。圖集中所給出的5個(gè)典型示例既能覆蓋五大氣候分區(qū),也已包含最常用的各種通風(fēng)系統(tǒng))、局部排風(fēng)設(shè)備選用與安裝、風(fēng)閥與其他設(shè)備選用與安裝、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行維護(hù)管理要求及附錄。

2 圖集詳細(xì)解讀

2.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀及問(wèn)題

圖集編制工作啟動(dòng)前,編制團(tuán)隊(duì)對(duì)企業(yè)及科研單位的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研,并對(duì)排風(fēng)柜的制造企業(yè)進(jìn)行了實(shí)地考察。針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的使用現(xiàn)狀進(jìn)行了較深入的摸底。

據(jù)了解,使用單位普遍反映的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)室使用過(guò)程中排風(fēng)柜氣味外溢很明顯,使用之后室內(nèi)異味很久都不能清除。

實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)、科研的重要基地,實(shí)驗(yàn)室的安全管理是實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的基本保證。為了更好地使實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)和科研服務(wù),實(shí)驗(yàn)室的安全問(wèn)題應(yīng)排在第一位。該圖集重點(diǎn)解決實(shí)驗(yàn)室排放物對(duì)室內(nèi)外環(huán)境造成的安全隱患問(wèn)題。

2.2 圖集解決思路

2.2.1從前期化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工藝布置入手

1) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工藝布置的重要性。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工藝布置包括人員及物品的流線,各種實(shí)驗(yàn)家具,局部排風(fēng)設(shè)備,必備的應(yīng)急設(shè)施,實(shí)驗(yàn)用易燃、易爆、極低溫、易泄漏等危險(xiǎn)化學(xué)品的液體罐、氣體罐等,以及管道井等空間。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的好壞與工藝布置密切相關(guān),設(shè)計(jì)人員應(yīng)從前期工藝開始介入配合,尤其要重點(diǎn)關(guān)注排風(fēng)柜的布置位置。

2) 排風(fēng)柜布置位置的合理性。

實(shí)驗(yàn)室中的排風(fēng)柜是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的安全裝置,其主要作用是排風(fēng)和換氣。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種有害氣體、蒸汽、粉塵等污染物,為保證實(shí)驗(yàn)室中有良好的室內(nèi)環(huán)境,使工作人員免受人身傷害,在污染源附近要設(shè)置排風(fēng)柜。

現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》1)第4.2節(jié)中有關(guān)于排風(fēng)柜、實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備之間的最小凈距要求,此處的凈距要求更側(cè)重于保證實(shí)驗(yàn)工作的正常操作和人員的安全疏散,缺少對(duì)人員走動(dòng)、排風(fēng)柜之間氣流及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流等對(duì)排風(fēng)柜安全高效運(yùn)行的影響等相關(guān)考量。

從眾多實(shí)際案例中可知,排風(fēng)柜在工作狀態(tài)時(shí),周邊人員的移動(dòng)、相鄰排風(fēng)柜的氣流干擾及實(shí)驗(yàn)室建筑門窗等洞口形成的對(duì)流氣流都可能導(dǎo)致排風(fēng)柜中有害氣體的外溢或外溢加劇。

《規(guī)范》1中的第4.1.14條“排風(fēng)柜的設(shè)置應(yīng)避開主要人流及主要出入口,并應(yīng)避開送風(fēng)口及外窗氣流的干擾”和第8.3.3條“實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜應(yīng)布置在不受氣流擾動(dòng)的位置”、HG/T 20711—2019《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》[2](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》2)中第5.4.3條“排風(fēng)柜應(yīng)布置于遠(yuǎn)離人或物體頻繁經(jīng)過(guò)或移動(dòng)的位置,且應(yīng)避開從門窗流入的氣流”,這些規(guī)定的目的都是為了防止外界對(duì)排風(fēng)柜氣流造成干擾,保證人員及環(huán)境的安全,但無(wú)相關(guān)數(shù)值規(guī)定,缺乏具體要求,對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的操作沒(méi)有實(shí)質(zhì)性指導(dǎo)。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 2243.8:2014[3]對(duì)通用實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、排風(fēng)柜或?qū)嶒?yàn)儀器設(shè)備等均有明確的工藝布置間距要求,且對(duì)土建的關(guān)鍵部位如門、窗等洞口距離排風(fēng)柜的間距均給出了相關(guān)推薦值,如圖1所示。

該圖集采納并借鑒了澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 2243.8:2014,在實(shí)驗(yàn)室工藝布置平面圖示例中劃出了排風(fēng)柜操作柜門前的陰影“防干擾區(qū)”,供設(shè)計(jì)師在作實(shí)驗(yàn)室工藝布置時(shí)參考,相關(guān)布置圖見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室工藝布置平面圖示例

在此需要重點(diǎn)提示的是:

① “防干擾區(qū)”不得作為排風(fēng)柜工作時(shí)的通道使用。當(dāng)排風(fēng)柜處于工作狀態(tài)時(shí),非實(shí)驗(yàn)操作人員應(yīng)避免從“防干擾區(qū)”通過(guò)。

② 排風(fēng)柜不得設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室門窗可能產(chǎn)生對(duì)流氣流的通道上。

③ 應(yīng)保證排風(fēng)柜距實(shí)驗(yàn)室門窗等洞口間距的最小值。

2.2.2化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)

1) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的選用。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)有局部通風(fēng)和全面通風(fēng)兩部分內(nèi)容。除特殊要求必須獨(dú)立設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)外,可根據(jù)排放物質(zhì)種類、安全性、運(yùn)行操作、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備數(shù)量、平面布置、室內(nèi)環(huán)境一致性等因素適當(dāng)合并通風(fēng)系統(tǒng)。

2) 同時(shí)使用系數(shù)的合理設(shè)定。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)中,通常采用一對(duì)多系統(tǒng)(即1臺(tái)排風(fēng)機(jī)服務(wù)多臺(tái)末端排風(fēng)設(shè)備或房間),選擇風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)考慮同時(shí)使用系數(shù)。有關(guān)同時(shí)使用系數(shù)的取值,編制團(tuán)隊(duì)查閱相關(guān)資料,在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中均未找到明確的數(shù)值規(guī)定。與一些設(shè)計(jì)院的專家交流時(shí)了解到,業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)師通常按照經(jīng)驗(yàn)值0.7來(lái)選定。最終在確保實(shí)驗(yàn)室安全、正常使用的前提下,該圖集給出合用系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)的建議值為0.6～0.8。

3) 重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)散流器的設(shè)置位置。

將排風(fēng)柜放置在離送風(fēng)口很近的位置時(shí),可能會(huì)在排風(fēng)柜柜門處產(chǎn)生交叉氣流或溫度梯度,造成亂流和可能的外逸。與圖2相同,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)口布置并未作出明確規(guī)定,僅《規(guī)范》2第5.4.4條規(guī)定“送風(fēng)風(fēng)口宜遠(yuǎn)離通風(fēng)柜前實(shí)驗(yàn)區(qū),空氣流速不應(yīng)干擾通風(fēng)柜的排風(fēng)氣流”。

國(guó)外的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在離實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜至少1.5 m(5 ft)的地方設(shè)置適當(dāng)大小的送風(fēng)散流器,可以減少排風(fēng)柜因交叉氣流和送風(fēng)溫度變化而產(chǎn)生的湍流。該圖集第16頁(yè)的示意圖摘自加拿大標(biāo)準(zhǔn)MD 15128-2013 《Laboratory fume hoods: guidelines for building owners, design professional, and maintenance personnel》[4],如圖3所示。MD 15128-2013中將排風(fēng)柜正面和側(cè)面大約1.5 m(5 ft)的距離定義為1個(gè)區(qū)域(無(wú)擴(kuò)散區(qū),簡(jiǎn)稱NDZ),提示設(shè)計(jì)師應(yīng)避免在該區(qū)域放置送風(fēng)散流器,除非散流器的送風(fēng)不影響排風(fēng)柜的性能,并且應(yīng)避免在實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜附近安裝出風(fēng)速度較高的散流器。

圖3 實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)散流器設(shè)置要求示意圖

如圖3所示,在無(wú)擴(kuò)散區(qū)周圍確定了3個(gè)區(qū)域,擴(kuò)散區(qū)1和擴(kuò)散區(qū)2是設(shè)置送風(fēng)散流器的首選位置。在排風(fēng)柜柜門前的擴(kuò)散區(qū)3設(shè)置散流器時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

《規(guī)范》2第5.4.4條規(guī)定,干擾氣流流速不宜大于排風(fēng)柜操作面風(fēng)速的1/2,最好是1/5,即不受超過(guò)0.1 m/s的橫向氣流干擾。為了避免送風(fēng)口的空氣流速對(duì)排風(fēng)柜排風(fēng)氣流的干擾,建議選用條縫型送風(fēng)口、旋流式送風(fēng)口、徑向或半球形孔板送風(fēng)口。

需要注意的是,該圖集第8頁(yè)中所列的薄壁臺(tái)式、落地式、低臺(tái)式、補(bǔ)風(fēng)型、自凈型排風(fēng)柜,當(dāng)2臺(tái)及以上排風(fēng)柜并排布置時(shí),柜與柜之間應(yīng)留有不小于100 mm的間距。該要求是為了避免排風(fēng)柜使用時(shí)彼此間的氣流干擾。

2.2.3局部排風(fēng)設(shè)備及其他設(shè)備的選用

1) 國(guó)內(nèi)局部排風(fēng)設(shè)備的現(xiàn)狀。

① 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)滯后。

國(guó)內(nèi)目前有關(guān)排風(fēng)柜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè),分別為JB/T 6412—1999《排風(fēng)柜》[5](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》3)、JG/T 222—2007《實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量排風(fēng)柜》[6]、JG/T 385—2012《無(wú)風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜》[7]。最新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)距今也已有10年之久。尤其是《規(guī)范》3,年代過(guò)于久遠(yuǎn),其中對(duì)產(chǎn)品的外觀尺寸沒(méi)有具體要求,導(dǎo)致市場(chǎng)流通的接風(fēng)管的排風(fēng)柜產(chǎn)品實(shí)屬標(biāo)準(zhǔn)框架下的“非標(biāo)產(chǎn)品”,更新時(shí)互換性差。

② 產(chǎn)品種類繁多,五花八門。

根據(jù)《規(guī)范》3可知,排風(fēng)柜僅包含標(biāo)準(zhǔn)型、補(bǔ)風(fēng)型、臺(tái)式和雙面式4種。但現(xiàn)有市場(chǎng)上流通的排風(fēng)柜種類繁多,遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的內(nèi)容。

③ 暫無(wú)產(chǎn)品相關(guān)的驗(yàn)收檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前排風(fēng)柜的生產(chǎn)企業(yè)只能向用戶出具制造檢測(cè)報(bào)告。由于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善,排風(fēng)柜現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后,對(duì)排風(fēng)柜和通風(fēng)系統(tǒng)的安裝測(cè)試無(wú)據(jù)可依。

2) 局部排風(fēng)設(shè)備的選用說(shuō)明。

對(duì)收集到的12家企業(yè)資料進(jìn)行整理后發(fā)現(xiàn),各企業(yè)的命名存在很大差異。如垂直可視窗可落至地面高度的排風(fēng)柜,有的企業(yè)命名為步入式,有的企業(yè)命名為走入式。再如柜壁相對(duì)較薄的排風(fēng)柜,有的企業(yè)命名為節(jié)能型排風(fēng)柜,有的企業(yè)命名為歐式排風(fēng)柜。

在圖集編制過(guò)程中,首先對(duì)排風(fēng)柜的種類進(jìn)行分類和命名,將步入式和走入式統(tǒng)一命名為落地式,將節(jié)能型和歐式統(tǒng)一命名為薄壁型。其次,該圖集對(duì)收集到的各家企業(yè)產(chǎn)品資料分類整理,以量大面寬、通用性高的提取原則,形成各局部排風(fēng)設(shè)備的外形尺寸表。最后采取合并同類項(xiàng)的方法,對(duì)參編企業(yè)的眾多產(chǎn)品進(jìn)行梳理、匯總,給出同類型“多元”的性能參數(shù)表(即部分參數(shù)給出范圍值),供設(shè)計(jì)師參考。

該圖集中接風(fēng)管的排風(fēng)柜的排風(fēng)量基于以下參數(shù)確定:

① 豎直型柜門開啟高度為457 mm或500 mm。

② 通用型排風(fēng)柜的操作口設(shè)計(jì)面風(fēng)速為0.5 m/s,高性能排風(fēng)柜的操作口設(shè)計(jì)面風(fēng)速為0.3 m/s。

③ 對(duì)于豎直型柜門開啟高度不是457 mm或500 mm的排風(fēng)柜,或是采用水平型可視窗的排風(fēng)柜,其性能參數(shù)應(yīng)以實(shí)際選用企業(yè)的資料為準(zhǔn)。

3) 其他設(shè)備的選用說(shuō)明。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)計(jì)不僅要保證室內(nèi)的環(huán)境安全,對(duì)于室外環(huán)境的保護(hù)同樣不容忽視?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的主要有害氣體可分為有機(jī)氣體和無(wú)機(jī)氣體,針對(duì)不同的氣體成分,該圖集的廢氣凈化裝置分為吸附法和吸收法2種方式。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢氣成分、濃度大小及有無(wú)惡臭來(lái)選用不同的組合式廢氣凈化裝置。需要一再?gòu)?qiáng)調(diào)的是,無(wú)論采用哪種廢氣凈化裝置,最終排至大氣中的氣體,其污染物排放濃度及排放速率均要符合國(guó)家、地方及行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外,圖集中也給出圓錐形風(fēng)帽和沖高風(fēng)機(jī)的內(nèi)容,需要說(shuō)明的是,兩者的使用前提均是其污染物的排放濃度等符合國(guó)家、地方及行業(yè)現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 節(jié)能環(huán)保的相關(guān)考慮

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體,處理不當(dāng)會(huì)造成人員身體損害和環(huán)境污染,因此化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)系統(tǒng)有高換氣次數(shù)、全新風(fēng)運(yùn)行、一定的房間壓差等要求,從而造成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)和空調(diào)能耗遠(yuǎn)大于一般建筑。

該圖集在解決實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全之余,也在節(jié)能方面有以下幾點(diǎn)考慮:

1) 在“典型通風(fēng)系統(tǒng)”部分,該圖集主推節(jié)能效果顯著的變風(fēng)量控制系統(tǒng)。但考慮到仍有規(guī)模較小、通風(fēng)末端集中啟停的工程,圖集的典型通風(fēng)系統(tǒng)1仍給出定風(fēng)量控制系統(tǒng)以滿足業(yè)內(nèi)需求。

2) 無(wú)風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜雖然在使用中有一定的局限性,但只要在使用前通過(guò)安全評(píng)估適用性判定,其系統(tǒng)、控制簡(jiǎn)單,初投資、運(yùn)行費(fèi)用較低的優(yōu)勢(shì)仍很明顯。因此,典型通風(fēng)系統(tǒng)也增加了此種類型的系統(tǒng)。

3) 由于補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜是將一部分新鮮空氣直接補(bǔ)到排風(fēng)柜內(nèi)部,易造成有毒有害氣體泄漏。因此,該圖集只推薦變風(fēng)量控制系統(tǒng)而不推薦補(bǔ)風(fēng)型定風(fēng)量系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)標(biāo)圖集22K523《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》從圖集立項(xiàng)到送審稿評(píng)審、送印,經(jīng)過(guò)多次編制組工作會(huì)及專家審查會(huì),歷經(jīng)了近2年的時(shí)間,目前已由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社正式出版。圖集作為工程建設(shè)的參考,可以從技術(shù)上規(guī)范、引導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì),推動(dòng)行業(yè)朝著良性有序的方向發(fā)展,為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境的改善提供有力的技術(shù)幫助。望業(yè)界同仁能夠給予更多的關(guān)注,并提出寶貴的意見和建議。

4 致謝

圖集的編制工作得到了各界人士的關(guān)注,在技術(shù)條件審查會(huì)及送審圖審查會(huì)階段得到了眾多專家和同行的反饋意見,編制過(guò)程中也得到了同濟(jì)大學(xué)劉東團(tuán)隊(duì)和同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司楊木和團(tuán)隊(duì)的鼎力支持,在此表示感謝!