某有機化學實驗室項目通風空調系統(tǒng)設計

吳玲紅

(華東建筑設計研究院有限公司,上海)

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展,越來越多的科研機構、高等院校和生產企業(yè)通過科學實驗來提升科學技術能力和發(fā)展生產力,各類實驗室在科學研究中的重要性越來越大。

實驗室是用于從事科學研究和實驗工作的場所,按照學科可以分為生物、化學、物理等實驗室?；瘜W實驗室在進行化學實驗時會產生有毒有味氣體,這些氣體會給實驗環(huán)境造成污染,給實驗人員造成危害,所以通風系統(tǒng)在實驗室項目設計中很重要。有機化學實驗室根據(jù)功能可以分為合成實驗室、分析儀器實驗室等,不同功能的實驗室通風量、室內溫濕度等要求不同,應采用合理的通風空調系統(tǒng)。

本文結合實際工程,介紹了合成實驗室和分析儀器實驗室的通風空調設計,并對這2個不同功能實驗室的通風空調系統(tǒng)進行了分析和比較,希望給實驗室項目的通風空調系統(tǒng)設計提供一些參考。

1 工程概況

該工程位于上海,其標準有機化學實驗大樓共9層,除1層為門廳、機房、會議等功能用房,2～9層均為實驗室功能樓層。每個實驗室樓層中,有9間合成實驗室、3間分析儀器實驗室。每間合成實驗室面積約為70 m2,每間分析儀器實驗室面積約為40 m2。實驗室標準層平面圖見圖1。

圖1 實驗室標準層平面圖

該項目建設階段并不能確定實驗室具體使用者,故實驗室工藝根據(jù)統(tǒng)一要求進行設置,滿足未來不同科研機構的入駐使用要求。

合成實驗室及其辦公室組成1個實驗組,辦公室為進行實驗的科研人員辦公的房間。合成實驗室內以設置排風柜為主,排風柜數(shù)量較多,房間通風量大,儀器設備不多,室內溫濕度要求不高。

分析儀器實驗室中排風柜數(shù)量不多,房間通風量不大,但房間內有較多的儀器設備,對溫濕度有一定的要求,并有一定的儀器設備發(fā)熱量。

不同功能的實驗室內部配置的實驗設備不同,對室內環(huán)境的要求也不同,通風空調系統(tǒng)的設計采用了不同的考慮。合成實驗室夏季室內設計參數(shù)為干球溫度28 ℃、相對濕度65%,室內負荷不大,室內溫濕度要求不高,新風經冷熱等處理后送入房間,房間內不另設空調末端;分析儀器實驗室夏季室內設計參數(shù)為干球溫度24 ℃、相對濕度60%,室內儀器設備負荷較大,新風經冷熱等處理后送入房間,房間內需另設空調末端。

2 實驗室通風量的確定

有機化學實驗室排風量根據(jù)實驗室內的排風柜、藥品柜、肘狀排風罩等設備的排風量要求確定,同時應滿足實驗室換氣次數(shù)要求。實驗過程一般有污染物產生,要求房間為負壓,新風量根據(jù)排風量及房間負壓要求計算確定。

2.1 排風量的確定

該項目合成實驗室和分析儀器實驗室配置的通風設備及排風量見表1。

表1 實驗室設備及風量

根據(jù)實驗室相關規(guī)范和標準,有污染物產生的實驗室換氣次數(shù)不應小于6 h-1[1]9。實驗室通風系統(tǒng)夜間按最小風量運行,合成實驗室最小排風量大于滿足換氣次數(shù)要求的排風量,不另設房間排風口,每間房間總排風量為10 280 m3/h。分析儀器實驗室另設置房間排風口,按換氣次數(shù)計算風量為720 m3/h,每間房間總排風量為2 180 m3/h。可以看出,不同功能實驗室的排風量差異較大。

2.2 新風量的確定

有機化學實驗室內均考慮有放散污染物質,因此房間需保持相對于相鄰走道或房間5～15 Pa的負壓值[1]6。新風送風量經風平衡計算得出,式(1)為風平衡計算公式。

Gs=Gp-Gr

(1)

式中Gs為新風送風量,m3/h;Gr為通過門窗縫隙流入的風量,m3/h;Gp為機械排風量,m3/h。

該項目計算中實驗室壓力為-10 Pa,相鄰的辦公室壓力為5 Pa,考慮到風壓作用,室外壓力取5 Pa。通過門窗縫隙流入風量包括內門和外窗兩部分,需計算確定。

通過門窗縫隙流入的風量與門窗的特性有關,各種參考文獻中有多種計算方式,該項目通過比較,參考潔凈廠房通風空調常用的方式,按縫隙法進行計算。

1) 通過內門流入的風量Gr1：

(2)

式中CD為排放系數(shù),一般取0.4～0.6;A為縫隙面積,m2;Δp為縫隙處壓差,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3。

計算條件及結果見表2。

2) 通過外墻窗縫流入的風量Gr2與幕墻性能有關,參考GB 50073—2013《潔凈廠房設計規(guī)范》

表2 內門流入風量計算條件及結果

中表7(圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量)的數(shù)據(jù),在壓差15 Pa的條件下,單層固定密閉鋼窗單位長度滲透風量為1.3 m3/(m·h),單層可開啟式密閉鋼窗單位長度滲透風量為6.0 m3/(m·h)。

該項目合成實驗室和分析儀器實驗室外墻條件相同,固定窗的窗縫長度為19.2 m,可開啟外窗的窗縫長度為12.8 m。經計算,每間實驗室Gr2為102 m3/h。

3) 根據(jù)上述計算,每間合成實驗室新風送風量為9 815 m3/h,約為排風量的95%;每間分析儀器實驗室新風送風量為1 715 m3/h,約為排風量的80%。

因不同實驗室排風量差異較大,而滲透風量與門窗性能和參數(shù)有關,相對變化較小,若該項目的2個實驗室的內門和外窗參數(shù)一致,流出風量相同,則新風量的確定不能簡單取經驗系數(shù),尤其是對于排風量較大的實驗室,應通過計算確定。若新風量偏小,會使實驗室內負壓加大,增加與辦公室之間的門縫流入的空氣量,引起對辦公室室內環(huán)境的不利影響。

2.3 通風系統(tǒng)設計和系統(tǒng)風量的確定

合成實驗室和分析實儀器驗室設計要求不同,風量差異較大,室內溫濕度要求不同,故分別設置新排風系統(tǒng)。

該項目新風系統(tǒng)和排風系統(tǒng)按樓層設置,9間合成實驗室合用1套新排風系統(tǒng),3間分析儀器實驗室合用1套新排風系統(tǒng),新風機組設置在該層空調機房,排風機設置在大樓屋頂(見圖1)。

合成實驗室通風系統(tǒng)負責的實驗室數(shù)量比較多,且每間實驗室排風柜數(shù)量多,系統(tǒng)連接的排風柜數(shù)量較多(共連接了36臺1.5 m寬排風柜和18臺3.0 m寬排風柜),風量很大,計算系統(tǒng)風量時有必要考慮同時使用系數(shù)。在確保實驗室安全、正常使用的前提下,一般合用系統(tǒng)的同時使用系數(shù)為0.6～0.8[2]。結合使用方提供的已建成的規(guī)模相近的實驗樓使用情況和該項目系統(tǒng)連接排風柜數(shù)量等情況,經論證分析,系統(tǒng)同時使用系數(shù)取0.65。經計算,排風系統(tǒng)風量為60 100 m3/h,新風系統(tǒng)風量為57 400 m3/h。

分析儀器實驗室排風設備較少,每樓層實驗室數(shù)量也較少,故系統(tǒng)風量不考慮同時使用系數(shù)。經計算,排風系統(tǒng)風量為6 540 m3/h,新風系統(tǒng)風量為5 145 m3/h。

實驗用排風柜在實際使用中,存在不同時使用的情況,對于連接排風柜數(shù)量較多的合用系統(tǒng),系統(tǒng)風量計算時應考慮一定的同時使用系數(shù)。選取合理的同時使用系數(shù)確定排風系統(tǒng)和新風系統(tǒng)的風量,在確保系統(tǒng)正常運行的前提下,可相對減小冷熱負荷,降低冷熱源設備的配置和造價,并與確定空調機房面積、風井尺寸、樓層凈高等土建條件相關。

2.4 通風系統(tǒng)匯總

綜合上述計算,合成實驗室和分析儀器實驗室通風量匯總見表3。

表3 實驗室通風量匯總

2.5 其他考慮

根據(jù)建筑平面布置條件及使用方類似項目的運維經驗,該項目每個樓層的合成實驗室合用1套排風及新風系統(tǒng)。每個排風系統(tǒng)風量較大、連接排風柜數(shù)量較多。為提高系統(tǒng)可靠性,排風系統(tǒng)采用2臺排風機并聯(lián)運行,單臺風機風量為計算風量的50%,當1臺風機故障時,系統(tǒng)仍能運行,保證部分實驗室排風柜可以正常工作,確保實驗安全。

每個樓層的合成實驗室合用1套通風系統(tǒng),簡化了系統(tǒng)管線、節(jié)省了樓層空調機房面積及屋頂通風和過濾設備的安裝面積等,節(jié)省了初投資,但系統(tǒng)運行和控制的復雜性也相應增加,因此除了加強控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計之外,后續(xù)計劃在實施、調試及運行過程中,配合調試單位和使用方,對排風柜的使用情況及通風系統(tǒng)運行控制情況要進行測試,并作好相關總結。

3 新風空調負荷

由于實驗室新風系統(tǒng)風量很大,有機化學實驗室新風負荷占空調總負荷的比例很大,新風負荷計算中進出風參數(shù)如何確定也值得研究,既要滿足使用要求,又要適當考慮節(jié)能性。

1) 室內狀態(tài)點。

合成實驗室內除了排風柜,無儀器設備,室內溫濕度要求不高,新風經處理后送入房間,房間內不另設空調,新風處理至房間等比焓點。

分析儀器實驗室有較多的儀器設備,室內設備負荷較大,除新風處理后送入房間外,另設置多聯(lián)式空調系統(tǒng),處理室內余熱。由于儀器設備對室內溫濕度有一定要求,故新風處理到室內等含濕量點,除濕后再送入房間。

2) 室外狀態(tài)點。

根據(jù)文獻[1],對于實驗室室外計算參數(shù),當計算冬季通風耗熱量時,采用冬季供暖室外計算溫度;當計算夏季通風系統(tǒng)冷卻量時,宜采用夏季通風室外計算溫度,但對于室內要求較嚴格的工程,可以采用夏季空調室外計算溫度。

該項目設計初期出于節(jié)能和節(jié)省初投資的考慮,采用通風溫度計算空調冷負荷。但是采用通風溫度進行計算,保證率相對較低,根據(jù)業(yè)主和使用方反饋的已建成實驗室的使用情況,普遍反映高溫天氣實測實驗室溫度偏高,實驗室內部存在結露等問題。故該項目計算中采用了夏季空調室外計算溫度。

3) 新風空調負荷。

合成實驗室和分析儀器實驗室新風冷負荷見表4。

表4 實驗室新風冷負荷

實驗室新風冷負荷指標很大,該項目總冷量是常規(guī)項目的2～3倍。從表4可以看出,合成實驗室和分析儀器實驗室處理過程不同,單位風量冷負荷的差異比較大。對于要求比較低的實驗組,可以處理到室內等比焓點;對于要求較高的分析儀器實驗室,處理到室內等含濕量點,新風除濕后再被送入房間。

不同要求的實驗室采用不同的送風參數(shù),能較好地滿足室內要求,也能適當減小冷負荷,降低初投資,節(jié)省運行費用。

4 通風系統(tǒng)控制

合成實驗室通風系統(tǒng)為變風量系統(tǒng)。實驗室變風量控制系統(tǒng)主要由變風量控制閥、定風量閥、控制器、風機變頻器、主風管內壓力傳感器等組成,新風系統(tǒng)與排風系統(tǒng)聯(lián)動控制,變風量運行工況和最小風量工況下,均須保證房間負壓要求。

以該項目合成實驗室通風系統(tǒng)為例,排風系統(tǒng)控制主要內容和邏輯為：連接每個排風柜的排風管上均設置變風量控制閥,通過柜門上的位移傳感器或風速傳感器、紅外探測器等檢測儀器,控制變風量控制閥的開度;連接藥品柜的排風管上設置定風量控制閥,24 h開啟;排風主風管上設置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制排風機變頻運轉。新風系統(tǒng)控制主要內容和邏輯為：接至每個房間的新風管上設置變風量控制閥,該控制閥開度通過房間排風量進行控制;新風送風主風管上設置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制新風機組風機變頻運轉。

合成實驗室通風系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

為使排風柜面風速穩(wěn)定并達到排風量要求,每個排風柜均設置位移傳感器或風速傳感器。風速傳感器對排風柜入口處的氣流穩(wěn)定性要求比較高,若有氣流干擾會導致測量偏差。對于排風柜設置密度較高的實驗室,排風量和相應補風量都很大,很難完全避免氣流干擾,因此推薦采用位移傳感器。位移傳感器實測排風柜拉窗的開啟高度,控制器根據(jù)此開啟高度和柜門寬度及設定面風速計算排風量,以此來控制變風量控制閥的開度。同時采用紅外探測器,檢測排風柜前是否有人員存在,當排風柜前有人時將面風速設為0.5 m/s,排風柜前沒人時將面風速設為0.3 m/s,這樣既安全、又節(jié)能。

圖2 合成實驗室通風系統(tǒng)控制原理示意圖

另外,為使排風系統(tǒng)達到良好的控制效果,排風柜變風量控制閥應能快速響應,并快速穩(wěn)定地控制排風柜入口面風速,且變風量閥為壓力無關型,保證系統(tǒng)多個排風柜同時運行時,各自獨立調節(jié),無相互干擾。實驗室控制系統(tǒng)應對排風柜或實驗室內任何送、排風量的變化都能在響應時間內達到新的風量平衡,從而保證實驗室內負壓穩(wěn)定。

分析儀器實驗室排風柜數(shù)量不多,一般不采用變風量系統(tǒng),排風機和新風空調箱風機變頻,夜間低速運行,保證最低通風換氣量要求。

5 結論

有機化學實驗室通風量應結合工藝設備排風量要求計算來確定,不同功能的有機化學實驗室通風量差異較大;新風量應根據(jù)排風量和室內負壓情況進行計算,不同功能實驗室的新排風比例差別較大。對于連接通風柜數(shù)量較多、風量較大的通風系統(tǒng),應考慮一定的同時使用系數(shù)。

不同功能實驗室的通風量差異大且室內溫濕度要求不同,系統(tǒng)應分開設置,且新風系統(tǒng)應合理選取空氣處理點,既滿足室內環(huán)境要求,也能減小冷負荷,節(jié)省初投資及運行費用。

不同功能實驗室控制要求不同,合成實驗室通風系統(tǒng)為變風量系統(tǒng),新排風系統(tǒng)聯(lián)動,除了控制策略,控制系統(tǒng)的快速響應是保證實驗室房間負壓穩(wěn)定的要素。

本文討論的實驗室為該項目2種標準配置的實驗室,還有很多不同配置的實驗室,其通風空調系統(tǒng)應結合具體的工藝要求進行設計。

另外,實驗室通風空調是一個系統(tǒng)工程,還有很多需要關注的內容,如實驗室內的氣流組織、設備發(fā)熱量、排風廢氣處理及排風系統(tǒng)設備材料防腐等,這些都是與實驗室通風空調系統(tǒng)相關的重要因素。