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化学实验室的通风设计标准

 

实验室设计是行业中常用的专项设计,包括了化学、生物、动物、物理实验室等各个类别。空调通风系统的设计包含了空气处理、制冷加热和除湿、气流组织、控制、安全等部分,它们是一个整体而不是独立系统。建工行业曾经出版过JGJ91-93 《科学实验室设计规范》,但如今过去了17年,期间出现了很多新的技术和标准,在国外则有SEFA、ASHRAE等组织有过专项研究。 
  对实验室的功能了解是通风系统选择和设计的决定因数。提供一个安全的环境给工作人员是首要目标在实验室的系统设计中。设计者要彻底研究所有的因数,找到最合适的设计。本文研究背景是某欧洲化工公司为复合生产线项目配套的化学实验室。这个项目的化学实验室由湿法化学间,加热间,恒温恒湿间,通用试验间、注塑间和办公间组成。除恒温恒湿间的环境,其他房间只需要温度控制,并且都没有洁净要求。ASHRAE规定实验室空调和通风设计参数包括以下: 
  1)室内外温度湿度要求; 
  2)空气质量; 
  3)设备和工艺热负荷,包括显热和潜热; 
  4)内部负荷的预期增加; 
  5)最小换气次数; 
  6)进风和补风; 
  7)排风设备类型; 
  8)控制和报警; 
  9)通风柜的尺寸和数量的调整可能; 
  10)房间压差; 
  11)设备和电源的备用。 
  本文针对其中实验室常用的4个通风标准包括换气次数,送排风形式,房间压差和控制系统进行了阐述。 
  1 换气次数的选择 
  《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室房间的最小换气量一般在6次/h~8次/h。 
  ASHRAE规定验室内的整体换气次数应由下列风量之决定:从局部排风设备或其他房间排风所排出的总风量;带走房间热负荷所需的制冷风量;最小换气次数需求。在使用情况下.实验室的最小换气次数应维持6次/h~10次/h。 
  在通常情况下>10次/时房间换气次数被认为是合适的。但是当实验室内有可能产生高热负荷的分析设备,或房间内有较大量的局部排风时,则可能需要相应增大换气量。湿法化学室有通风柜,加热间有大量的加热炉。通风柜的计算方法则参照《化工采暖通风和空调调节设计规范》中对轻、中度危害或有危险的有害物质,在室内顶棚有补风的情况下,通风柜的操作口最小吸风面速度0.5m/s。对于通风柜的使用率,当通风柜的数量大于2个时,则应该取60%~70%同时使用率。加热炉则是以维持炉内加热温度的热平衡法则计算所需的排风量。通过以上可以计算出总的安全通风量,此外负荷计算的空调风量,还有最小换气次数10次进行比较,三者取最大值。 
  2 送风和排风形式 
  《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室的排风量较大时,应设置室外新风补风系统,并计入新风负荷。 
  《科学实验室建筑设计规范》规定每个排风装置宜设独立的排风系统。同一个实验室内的所有排风装置宜合用一个排风系统。工作时间连续使用排风系统的实验室应设置送风系统,送风量宜为排风量的70%,并应根据工艺要求对送风进行空气净化处理。对于采暖地区,冬季应对送风进行加热。送风气流不应破坏实验室排风装置的正常工作。 
  ASHRAE 规定所有从化学实验室内排出的气体均需直接排出室外,而不能循环利用。因此,除非化学实验室也有洁净要求否则均需保持其相对于相邻区域为负压。而是否选择100%全新风送风系统,应做为实验室危险评估的一个重要部分。 
  实验室各个单元间设置了独立的排风系统,排风都安装在屋顶上。湿法化学间和加热间由于产生有毒、腐蚀、高温的气体,必须采用全新风处理。其他如工作人员进行计算机分析的通用实验间和进行材料测试的恒温恒湿间,100%全新风送风系统并不是唯一的选择。因为实验室不同的工艺职能,不一定要全新风通风或全新风空气处理。能满足工艺只能是首要的,100%的新风是针对通风柜的环境,而对于一般实验室循环空气处理能达到要求的,就不必要100%全新风。何况在全新风的空调环境下,能耗非常高。 
  3 房间压差 
  《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室应保持相对负压。 
  ASHRAE 规定所有从化学实验室内排出的气体均需直接排出室外,而不能循环利用。因此,除非化学实验室也有洁净要求否则均需保持其相对于相邻区域为负压。 
  这个规定其实要根据具体的实施对象。本项目中恒温恒湿间需要严格的温度、湿度控制范围,应该设计成正压。因为如果设计成负压,则相邻区域的空气去进入,一方面可能破坏温、湿度的控制精;另一方面如果污染的空气进入,也可能造成安全问题。而对于湿法化学间和加热间,为防止有毒、腐蚀、高温的气体或挥发物散发到房间,甚至散发到其他的区域,设计成负压是必须的。实验室建筑的办公区域,应相对于走廊和实验室始终维持正压。实验室内气流应从低危险区域流向高危险区域,最终通过各类通风柜或加热设备排到室外。 
  4 控制系统 
  控制应该把以上几项综合起来,可以满足整个实验室的房间压力、各房间压差、通风量、温湿度和各方面的安全控制要求,同时降低能耗。实验室内往往存在许多不利于人体健康的化学物质污染源,特别是有害气体,将其排除非常重要。但与此同时,能源往往会被大量的消耗,因而实验室的通风控制系统的要求从早期定风量,双稳态,变风量系统,到最新的适应性控制系统。所谓最为安全、舒适的环境,并要求最节能的方式是不能太过于奢望。系统响应迅速确保人身安全,以最高的精确性正确控制送排风的平衡和室内压力,提供最大的稳定性。尽量降低用户前期投入,同时减少用户在运行、能源消耗及维护等方面的费用。 
  ASHRAE 规定实验室控制一方面调整设备的温度和湿度控制;另一方面监控安全设施保护工作人员,用哪个系统,只要对当前实验室是合适的。 
  化学实验室的通风采用定风量还是变风量控制系统,这取决于设计者、使用者和设施管理者对其所要求的功能初次投资和运行费用等问题的综合考虑。定风量(CAV)系统被设计用来为所有的通风柜和加热炉提供总的排风流量,不管这些通风柜和加热炉是否被占用,总的流量都保持一定。这一方法采用机械限位挡块限制调节阀门开度,可能最大减小40%流量。变风量系统(VAV),则是系统容量的减小超过10%或20%的参差性设计。 
  本项目采用了定风量系统。因为系统从总体看不是大型系统,单独房间中需要排风的设备数量没有超过6个,最大、最小换气次数接近。在这种情况下则考虑采用定风量系统。它的优势是设计直接、系统简单,并且控制系统初投资成本低。通过人工调整压力相关型的风阀的叶片来设置通风柜、加热炉等的排风风量。当调节门处于某一特定开度时达到希望的通风柜面风速。房问补风风量要略低于设定的通风柜排风量,使湿法化学间和加热间为负压并保证足够的通风换气量。温度控制一般可通过将集中空调处理过的空气再加热或风机盘管实现。虽然它的劣势是灵活性差,将来的扩展会由于设备容量限制而受限。但是采取一些补助措施,定风量依然是现阶段对此类化学实验室的较好系统。这些措施是:预留一定的设备安装空间,为将来的实验室扩容保留了一定余地;通风柜尽量采用旁通型,使吸风面风速和排风量恒定;在可能增加风量变化的风管上增加压力无关型的定风量阀,现阶段的风量和将来变化的风量时,都不会影响风管压力,造成系统不稳定。 
  5 结论 
  实验室的通风设计首要解决的问题是安全性问题,还要考虑到为实验人员创造一个舒适的工作环境,解决温度、气流、噪音的问题,同时要保证最低的能源消耗,系统稳定,容易控制,易于操作管理。简而言之就是要从安全、舒适、节能、可靠运行方面进行设计。通过对此类型化学实验室涉及的换气次数、送排风形式、房间压差、控制系统标准,笔者建议: 
  1)换气次数至少应该以下三项指标值中取最大值:实验室工作区的设备的排风量,制冷负荷量对应的风量,最小换气次数为10次/h风量; 
  2)根据实际工作环境确定是否100%新风量; 
  3)通常情况下,走廊、办公区、实验区为气流的流动方向,上游相邻区为正压; 
  4)定风量仍然是经济实用的控制系统,能够满足部分实验室要求,做好将来扩容的措施。 

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