化學實驗室的通風設計標準和應用

張宏賢

東洋工程（上海）有限公司，上海 200122

實驗室設計是行業中常用的專項設計，包括了化學、生物、動物、物理實驗室等各個類別。空調通風系統的設計包含了空氣處理、制冷加熱和除濕、氣流組織、控制、安全等部分，它們是一個整體而不是獨立系統。建工行業曾經出版過JGJ91-93 《科學實驗室設計規范》，但如今過去了17年，期間出現了很多新的技術和標準，在國外則有SEFA、ASHRAE等組織有過專項研究。

對實驗室的功能了解是通風系統選擇和設計的決定因數。提供一個安全的環境給工作人員是首要目標在實驗室的系統設計中。設計者要徹底研究所有的因數，找到最合適的設計。本文研究背景是某歐洲化工公司為復合生產線項目配套的化學實驗室。這個項目的化學實驗室由濕法化學間，加熱間，恒溫恒濕間，通用試驗間、注塑間和辦公間組成。除恒溫恒濕間的環境，其他房間只需要溫度控制，并且都沒有潔凈要求。ASHRAE規定實驗室空調和通風設計參數包括以下：

1）室內外溫度濕度要求；

2）空氣質量；

3）設備和工藝熱負荷，包括顯熱和潛熱；

4）內部負荷的預期增加；

5）最小換氣次數；

6）進風和補風；

7）排風設備類型；

8）控制和報警；

9）通風柜的尺寸和數量的調整可能；

10）房間壓差；

11）設備和電源的備用。

本文針對其中實驗室常用的4個通風標準包括換氣次數，送排風形式，房間壓差和控制系統進行了闡述。

1)影響等高線精度的兩個因素是重采樣分辨率和平滑線的平滑長度。分辨率數值越小，越能反映DSM表面上的微小變化，等高線表達的地貌越細膩，但這會干擾等高線宏觀特征(如溝的套合)的表達，并放大植被、地面異物(如凸出的石頭、小土堆等)對等高線的擾動。反之，分辨率數值越大，等高線的宏觀特征越清晰，但對急劇變化的陡坎、小的溝梁等微小地貌的表達會失真，甚至缺失。平滑長度則關系到等高線視覺的圓滑和細膩程度。因此，這一步以反映相應比例尺地形宏觀特征的同時不丟失過多細小地貌為原則，結合地形圖等高距、測區地貌情況設置采樣分辨率和平滑長度。這本身也是對DSM生產時分辨率數值設置較小的修正。

1 換氣次數的選擇

《化工采暖通風和空調調節設計規范》規定化驗室房間的最小換氣量一般在6次/h～8次/h。

ASHRAE規定驗室內的整體換氣次數應由下列風量之決定：從局部排風設備或其他房間排風所排出的總風量；帶走房間熱負荷所需的制冷風量；最小換氣次數需求。在使用情況下.實驗室的最小換氣次數應維持6次/h～10次/h。

在通常情況下>10次/時房間換氣次數被認為是合適的。但是當實驗室內有可能產生高熱負荷的分析設備,或房間內有較大量的局部排風時，則可能需要相應增大換氣量。濕法化學室有通風柜，加熱間有大量的加熱爐。通風柜的計算方法則參照《化工采暖通風和空調調節設計規范》中對輕、中度危害或有危險的有害物質，在室內頂棚有補風的情況下，通風柜的操作口最小吸風面速度0.5m/s。對于通風柜的使用率，當通風柜的數量大于2個時，則應該取60%～70%同時使用率。加熱爐則是以維持爐內加熱溫度的熱平衡法則計算所需的排風量。通過以上可以計算出總的安全通風量，此外負荷計算的空調風量，還有最小換氣次數10次進行比較，三者取最大值。

2 送風和排風形式

《化工采暖通風和空調調節設計規范》規定化驗室的排風量較大時，應設置室外新風補風系統，并計入新風負荷。

《科學實驗室建筑設計規范》規定每個排風裝置宜設獨立的排風系統。同一個實驗室內的所有排風裝置宜合用一個排風系統。工作時間連續使用排風系統的實驗室應設置送風系統，送風量宜為排風量的70%，并應根據工藝要求對送風進行空氣凈化處理。對于采暖地區，冬季應對送風進行加熱。送風氣流不應破壞實驗室排風裝置的正常工作。

ASHRAE規定所有從化學實驗室內排出的氣體均需直接排出室外，而不能循環利用。因此，除非化學實驗室也有潔凈要求否則均需保持其相對于相鄰區域為負壓。而是否選擇100%全新風送風系統，應做為實驗室危險評估的一個重要部分。

實驗室各個單元間設置了獨立的排風系統，排風都安裝在屋頂上。濕法化學間和加熱間由于產生有毒、腐蝕、高溫的氣體，必須采用全新風處理。其他如工作人員進行計算機分析的通用實驗間和進行材料測試的恒溫恒濕間，100%全新風送風系統并不是唯一的選擇。因為實驗室不同的工藝職能，不一定要全新風通風或全新風空氣處理。能滿足工藝只能是首要的，100%的新風是針對通風柜的環境，而對于一般實驗室循環空氣處理能達到要求的，就不必要100%全新風。何況在全新風的空調環境下，能耗非常高。

圖1 實驗空調原理圖

3 房間壓差

ASHRAE 規定所有從化學實驗室內排出的氣體均需直接排出室外，而不能循環利用。因此，除非化學實驗室也有潔凈要求否則均需保持其相對于相鄰區域為負壓。

這個規定其實要根據具體的實施對象。本項目中恒溫恒濕間需要嚴格的溫度、濕度控制范圍，應該設計成正壓。因為如果設計成負壓，則相鄰區域的空氣去進入，一方面可能破壞溫、濕度的控制精；另一方面如果污染的空氣進入，也可能造成安全問題。而對于濕法化學間和加熱間，為防止有毒、腐蝕、高溫的氣體或揮發物散發到房間，甚至散發到其他的區域，設計成負壓是必須的。實驗室建筑的辦公區域，應相對于走廊和實驗室始終維持正壓。實驗室內氣流應從低危險區域流向高危險區域，最終通過各類通風柜或加熱設備排到室外。

4 控制系統

控制應該把以上幾項綜合起來，可以滿足整個實驗室的房間壓力、各房間壓差、通風量、溫濕度和各方面的安全控制要求，同時降低能耗。實驗室內往往存在許多不利于人體健康的化學物質污染源，特別是有害氣體，將其排除非常重要。但與此同時，能源往往會被大量的消耗，因而實驗室的通風控制系統的要求從早期定風量，雙穩態，變風量系統，到最新的適應性控制系統。所謂最為安全、舒適的環境，并要求最節能的方式是不能太過于奢望。系統響應迅速確保人身安全，以最高的精確性正確控制送排風的平衡和室內壓力，提供最大的穩定性。盡量降低用戶前期投入，同時減少用戶在運行、能源消耗及維護等方面的費用。

ASHRAE 規定實驗室控制一方面調整設備的溫度和濕度控制；另一方面監控安全設施保護工作人員，用哪個系統，只要對當前實驗室是合適的。

化學實驗室的通風采用定風量還是變風量控制系統，這取決于設計者、使用者和設施管理者對其所要求的功能初次投資和運行費用等問題的綜合考慮。定風量（CAV）系統被設計用來為所有的通風柜和加熱爐提供總的排風流量，不管這些通風柜和加熱爐是否被占用，總的流量都保持一定。這一方法采用機械限位擋塊限制調節閥門開度，可能最大減小40%流量。變風量系統（VAV），則是系統容量的減小超過10%或20%的參差性設計。

本項目采用了定風量系統。因為系統從總體看不是大型系統，單獨房間中需要排風的設備數量沒有超過6個，最大、最小換氣次數接近。在這種情況下則考慮采用定風量系統。它的優勢是設計直接、系統簡單，并且控制系統初投資成本低。通過人工調整壓力相關型的風閥的葉片來設置通風柜、加熱爐等的排風風量。當調節門處于某一特定開度時達到希望的通風柜面風速。房問補風風量要略低于設定的通風柜排風量,使濕法化學間和加熱間為負壓并保證足夠的通風換氣量。溫度控制一般可通過將集中空調處理過的空氣再加熱或風機盤管實現。雖然它的劣勢是靈活性差，將來的擴展會由于設備容量限制而受限。但是采取一些補助措施，定風量依然是現階段對此類化學實驗室的較好系統。這些措施是：預留一定的設備安裝空間，為將來的實驗室擴容保留了一定余地;通風柜盡量采用旁通型，使吸風面風速和排風量恒定;在可能增加風量變化的風管上增加壓力無關型的定風量閥，現階段的風量和將來變化的風量時，都不會影響風管壓力，造成系統不穩定。

5 結論

實驗室的通風設計首要解決的問題是安全性問題，還要考慮到為實驗人員創造一個舒適的工作環境，解決溫度、氣流、噪音的問題，同時要保證最低的能源消耗，系統穩定，容易控制，易于操作管理。簡而言之就是要從安全、舒適、節能、可靠運行方面進行設計。通過對此類型化學實驗室涉及的換氣次數、送排風形式、房間壓差、控制系統標準，筆者建議：

1）換氣次數至少應該以下三項指標值中取最大值：實驗室工作區的設備的排風量，制冷負荷量對應的風量，最小換氣次數為10次/h風量；

2）根據實際工作環境確定是否100%新風量；

3）通常情況下，走廊、辦公區、實驗區為氣流的流動方向，上游相鄰區為正壓；

4）定風量仍然是經濟實用的控制系統，能夠滿足部分實驗室要求，做好將來擴容的措施。

[1]《化工采暖通風和空調調節設計規范》HG/T 20698-2009.

[2]ASHRAE 1999 HVAC Applications Chapter13.

[3]JGJ91-93科學實驗室建筑設計規范.