實驗室氣流控制的安全性設計

于承志 倪訓松

摘要：潔凈實驗室的建設過程中，氣流控制的效果直接關系到實驗室的安全標準能否實現。本文從暖通自控的角度重點闡述了實驗室氣流控制需要考慮的幾個重要參數。

關鍵詞：氣流控制 面風速 響應時間 負壓 壓力無關

目前，在我國潔凈實驗室的發展進入了一個新的發展階段，在實驗室的建設中對通風控制有著嚴格的要求，潔凈度、壓力、自控等都圍繞暖通來展開，這是實驗室建設工程中的重要一環，也是實驗室安全保障建設的重要方面。

實驗室的通風設計首要解決的問題是安全性問題，通風柜的捕捉集塵能力要符合一定的標準和規定，氣流方向為流向實驗室，實驗室要隨時保持負壓。

傳統的實驗室控制方式采用的是定風量控制方式。70年代，又出現了雙穩態控制方式，通過不同工況下的氣流控制以提高效益，例如降低夜間設定值。80年代出現的變風量控制方式是更加復雜的實驗室氣流控制方法，在這種方式下，空氣流量根據通風柜調節門位置進行變化。目前，新的控制方式是適應性的控制方式，氣流速率保持在最低安全限上，根據使用者的狀態進而調整通風柜的工況，系統響應靈敏，控制精確，確保人員安全，盡量降低能源消耗及維護費用。為了確保操作人員及環境的安全，以下幾點是現代實驗室建設需要重點考慮的因素。

一、穩定的通風柜面風速

在定風量通風系統中，當調節門降低時，會產生多余的面風速，從而產生渦流干擾，影響通風柜集塵能力，釋放出有毒顆粒。變風量的通風控制系統中，排風量和調節門開度為線性函數關系，如60%的流量對應60%的調節門開度，通過這一閉環控制系統，可以保持通風柜開口的面風速恒定，消除面風速過大產生的風險。

通風柜有效的面風速設定值，通用的工業標準是60—100fpm（0.3—0.6m/s），一般100pfm(0.5m/s)被接受作為安全運行標準。圖1所示，操作人員的移動在面風速80—100 fpm時對集塵幾乎沒有影響，但在80 fpm以下時會有擾動影響。在沒有操作人員移動時，60 fpm 以下一般性集塵可以實現。

圖1 操作人員對通風柜保護性能的影響

二、快速的系統響應時間

該響應時間主要是指實驗室范圍內通風柜及其閥門調節系統。響應時間的大小將直接決定氣流控制的效果。快速、穩定的控制會防止有毒顆粒跟隨調節過程可能產生的振蕩或過沖逸出通風柜。排風量對調節門開度的快速響應時間必須在調節門到位后1秒鐘內達到其指令值，有效保證通風柜的集塵能力。圖2中從調節門移動到通風柜排風量的總的響應時間大約0.6秒。緩慢的響應時間將會產生多余的面風速，危害到實驗的安全，例如燃燒器被吹滅，器皿被吹翻，或者藥品等受到損失。

圖2通風柜響應速度測試

三、保證房間壓力

房間凈負壓主要控制房間氣流由外到內的流動，防止房間外部被污染，是實驗室安全控制的一個重要指標。負壓的產生也就是房間的排風量或補風量和送風量之差等于房間的余風量。余風量是送風以外從房間門、傳遞窗或其他縫隙進入房間的空氣量。

當房間溫度調節與通風所需氣流量大于通風柜所需氣流量的時候，房間的送風量增加了，這就要求控制系統還必須把這部分“過剩”的送風量排出去，以保證房間負壓。實驗室總的空氣交換率由總的排風、制冷負荷和最低通風率決定。最小通風速率一般為占用時每小時 6–10 次換氣。這可通過增大房間綜合排風閥門的開度來實現，該控制涉及房間總送風量和排風量的計算，以及信息采集、風機變頻的控制等，系統調試的難度大為增加。

四、壓力無關性

通風柜調節門的移動造成風量快速變化導致風道靜壓發生變化，或者在通風柜面風速未要求變化時，總管中風壓的變化也會引起排風柜上部支排風管道中風壓的變化，如果此時風量控制系統不能化解管道的風壓變化，就會使排風柜的排風量變大或變小，進而影響此時本該穩定的面風速。

傳統的變風量調節系統是根據管道的壓差反饋信號進行排風量的調節，響應速度一般在20~30s之間，為了保證實驗室的安全性，實驗室氣流控制系統的響應時間必須控制在1s之內。目前，采用文丘里閥的通風柜控制系統可以很好的解決這一問題。

閥門是一個椎形的構造，內置不銹鋼彈簧，根據系統壓力的變化調整文丘里打開的面積，以維持固定的空氣流量。壓力降低時，彈簧張開，閥芯分離，增大通風量，如圖3；壓力增大時，彈簧壓縮，閥芯接近，減少通風量，如圖4。

圖3圖4

五、精確的控制系統

系統排風量控制如果不能跟隨風管內靜壓的變化快速、精確的變化 ，就會造成排風柜流量無法精確控制，而產生振蕩（如圖5），將會使房間壓力變成正壓或者增大房間余風量的要求。風速的不穩定會產生大量的平衡問題，波動的送、排風系統使氣流平衡復雜化，自控系統實現自動調節功能將變得更加困難。

面風速要在一個大的風量控制范圍內得到精確控制。在達到理想的控制值時，控制系統應保證調節的過調量和欠調量小于5％，確保通風柜的集塵能力及操作人員的安全。

圖5氣流的振蕩

完備的通風及控制系統確保實驗室的安全性，這也是關系到實驗室建設的成敗的關鍵。因此系統的設計、設備的配置等必須滿足以上所講到的幾點基本要求，但高標準、高質量的實驗室不僅僅局限于此，還要解決好溫度、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、可靠運行方面進行全盤的考慮設計。

參考文獻

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3.費根林 化學實驗室通風空調系統工藝設計方案探討 2005年1期 科研工程

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。