某學院資化樓實驗室通風空調系統

潘振眉

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

該工程為某學院機電實訓大樓和資化實訓大樓，總建筑面積為31 130.1m2,地上建筑面積為26 977.7m2，地下建筑面積為4152.4m2。建筑高度23.95m。地下共一層設有設備用房，停車庫。地上由南北兩棟樓組成各6層。南樓為機電實訓大樓，北樓為資化實訓大樓。

本文重點研究的對象為資化實訓大樓中實驗室通風系統。資化實訓大樓內設有礦加工實驗室、污水工藝實驗室、高分子加工實驗室、資環開發實驗室、化工(環境工程)原理實驗室、物化實驗室、預備室、無機實驗室、生物質能實驗室、資源循環實驗室、發酵工程實驗室等各種化學和生物實驗室，如圖1所示。

圖1 電實訓大樓和資化實訓大樓鳥瞰圖

2 實驗室通風設計方案

2.1 實驗室通風系統簡介

資化樓實驗室作為該學院學生和教師進行化學、生物等實驗的場所，本設計需確保在實驗室內的教師和學生的健康安全以及保證實驗順利進行，防止實驗中的污染物和有毒物質向實驗室擴散，其中安全有效的實驗室通風系統效起了至關重要的作用。

由于資化樓內涉及各種生化類實驗，使得大樓產生廢氣的種類眾多，成分復雜。經過與該學院專業老師溝通后，了解到在教學的實驗過程，實驗室廢氣產物主要分為無機物廢氣、有機物廢氣。根據文獻[1]高校實驗室主要無機物廢氣為氯化氫、溴化氫、硝酸、硝酸、硫酸、汞蒸氣等；主要的有機物廢氣為二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、丙酮、甲醇、丙烯酸等揮發性有機物(VOCS)。由于各個實驗的使用時間不固定，實驗室的廢氣排放具有不穩定性，且產生點源分散的特點，所以設計需根據功能和使用頻率合理劃分實驗室通風系統，最終實驗室的排風方案定為縱向系統，需確保排放到同一豎井的各層實驗室有害氣體應保證不發生化學反應，不燃燒、不爆炸、不結聚成塊或形成毒性更大的有害物質，對實驗樓的通風設計提出了高要求。該工程有42間實驗室設有工藝通風系統，根據以上要求設置了26套通風系統。通風主管從豎井直上屋面，風機及廢氣處理設備均安裝在屋面。

2.2 實驗室通風系統風量計算與設備選型

該大樓實驗室廢氣，主要采用固通風柜和集氣罩進行負壓收集。通風柜是實驗室中重要的設備，能為實驗人員提供一個安全的操作空間，高效地將煙霧及其他廢氣排放出去。通風柜由外殼、內襯、臺面、視窗、水槽、水龍頭、日光燈、插座、開關等組成。通風柜的類型，主要有普通型通風柜、補風型通風柜、落地型通風柜、桌上型通風柜。通風柜排風量與柜面氣流的平均風速(簡稱面風速)有直接關系，并且系統設計的出發點就是為了確保穩定的面風速[2]。根據《科學實驗室建筑設計規范》表6.3.3要求，對于不同的化學物品和實驗狀態，一般推薦面風速的范圍為:0.3～0.6m/s。

通風柜的排風量按下式計算：

L=3600×FVμ

L——排風柜的通風量m3/h；

F——操作面的操作面積；

V——操作面的平均速度，取0.3～0.5m/s；

μ——安全系數，一般取1.1～1.2。

集氣罩主要形式有萬向排風罩和原子罩。萬向罩由杯型集氣罩、關節密封圈、伸縮導管、關節松勁旋鈕組成。萬向罩的伸縮導管采用φ110mmPVC材料，固定架結合處獨有可360°旋轉裝置，以固定架為中心，活動半徑可1600mm，近集氣罩端有封門鈕，供氣流調節之用。原子吸收罩由可伸縮不銹鋼集氣罩、帶手動調節不銹鋼導風管等組成，不銹鋼導風管采用1.0mm不銹鋼制作，風管直徑為DN200mm，在導風管上配有手動調節閥，開啟度可以0到1800，可任意調節風量。不銹鋼集氣罩采用1.0mm316不銹鋼板制作，根據實驗需要，抽氣罩可以上下伸縮150mm，以方便實驗操作。原子罩功率較大，萬向排氣罩功率較小，原子罩的功率比較大，通常要用不銹鋼材料，排風量原子罩的大。集氣罩排風量根據罩口風速來確定，罩口風速一般取值：1～2m/s[1]。

集氣罩的排風量按下式計算：

L=π×R2×V×3600×μ

L——集氣罩的通風量 m3/h；

R——罩口半徑；

V——罩口風速；

μ——安全系數，1.1～1.2。

各個實驗室通風柜的個數和通風柜、集氣罩的形式由資化專業老師確定。經計算本次設計的各個實驗室的通風柜主要型號有1500型通風柜和1800型通風柜兩個型號。其中資環開發實驗室、無機實驗室、物化實驗室、有機實驗室、分析實驗室、高分子物理室以上實驗設有萬向罩，萬向罩設計風量為250m3/h。另外4層的ICP、ICP-MS、AAS儀器臺設有原子罩，原子罩設計風量600m3/h。

對于單間實驗室內設有較多的集氣罩和通風柜時(圖2～圖3)，需要考慮設置補風系統?？紤]通風柜使用頻率，本次設計實驗中超過3個通風柜考慮設置補風系統，補風系數約為50～70%(讓室內保持一定的負壓)，補風為冷熱源新風。補風機安裝在走道的盡頭，做隔音處理。其他通風柜排風量較小的實驗室依靠門、窗滲透補風，同時實驗室內的空調冷負荷需考慮這部的新風滲透負荷，如圖4所示。

圖2 設有萬向罩的實驗室排風示意圖

圖3 設有原子罩的實驗室排風示意圖

圖4 設有通風柜實驗室排風示意圖

2.3 通風系統的形式及通風系統自動控制

若每個實驗室設置一個單獨排風機，排風機數量多，垂直管道過多影響建筑功能與外觀，而且風機總體效率低，數量眾多的風機也使得日后維護加大成本。本次設計在保證不發生化學反應，不燃燒、不爆炸、不結聚成塊或形成毒性更大的危險物質情況下，盡量合用實驗的通風系統，并且采用變風量系統，從實驗室廢氣通過主排風管經豎井直上屋面，風機及廢氣處理設備均安裝在屋面，風機選用玻璃鋼變頻離心風機(耐腐蝕)。

為了保證實驗室通風系統變風量運行，每個通風柜設有風速傳感器，當區域存在傳感器檢測到有人工作時，通風柜門上升到工作高度，通風面積逐漸變大，面風速逐漸減少，控制器輸出信號到VAV風閥(變風量閥)，使風閥慢慢開大，增大排風量，直至面風速達到0.5m/s。當區域存在傳感器檢測到沒人工作時，通風柜門下降到安全高度，通風面積逐漸變小，面風速逐漸增大，控制器輸出信號到VAV風閥(變風量閥)，使風閥慢慢關小，減少排風量，直至面風速達到0.3m/s，如圖5所示。同時，屋面排風機變頻控制采用定靜壓控制方法，在排風機排風主管道上設置管道靜壓傳感器，變頻器調根據管道靜壓傳感器的信號調節風機轉速，維持管道靜壓，從而達到滿足實際需要風量的目的。例如：當通風柜的視窗拉高,通風柜排風閥開度加大，此時排風機管道內靜壓減少，管道靜壓傳感器監測到壓力變化，通過變頻器調節風機，增大風機轉速，增大排風量,使管道內的靜壓值回歸到初始狀態的設定值，如圖6所示。

圖5 通風柜控制原理圖

圖6 屋面排風變頻控制原理圖

2.4 有特殊要求的實驗室通風空調

資化樓五層綜合實驗室的緩沖、更衣室、接種室設置凈化空調，組織培養實驗室設置恒溫恒濕空調系統。室內參數如表1所示。

表1 室內設計參數

五層綜合實驗室采用全新風系統，設有兩臺風冷直膨式空調機組，綜合實驗室的緩沖、更衣室、接種室、組織培養實驗室采用高效過濾器頂送風。同時有機械排風系統，在各功能間低處設置排風口，因排風具有污染性，排風口帶高效過濾器。

3 實驗室廢氣排放處理

該工程實驗室眾多實驗過程中會產生很多廢氣，根據文獻[1]實驗室廢氣主要污染物為無機污染物和揮發性有機物。若將不經處理的廢氣就排放至大氣中，會造成一定程度的環境污染。因此，實驗室的排風要采取凈化措施，以保障實驗室廢氣經處理后高空排放，滿足《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-2004)排放要求。由于無機物水溶性通常較好,針對無機污染物的治理工藝主要采用濕法廢氣處理,利用水噴淋塔進行廢氣處理，而揮發性有機物的理化性質差別懸殊,毒理性質、治理效果各有不同，因而治理工藝多樣化。目前廣泛應用的技術有冷凝法、吸收法、光催化、吸附法、燃燒法等。由文獻[1]可知吸附法適用于大多數有機物的吸附，且具有較好的普適性，并適用于處理低濃度、間歇性排放的有機廢氣[1]。本次設計采用活性碳吸附法進行揮發性有機物廢氣處理。活性碳吸附采用籠型結構，該結構活性碳纖維用量少，處理風量大且吸附率可達95%以上。濕法廢氣處理主要采用玻璃鋼酸霧凈化塔，該裝置主要由復合玻璃鋼貯液箱、加液管、玻璃鋼風帽、不銹鋼水泵、其他配件如閥門等組合通過液體吸收法來治理腐蝕性氣體(如酸、堿性廢氣)的塔體。根據不同實驗室排放的廢氣選擇不同廢氣處理方式，如無機材料實驗室、氣相和離子色譜實驗采用活性炭吸附法。分子生物學與基因工程實驗室、水處理仿真實驗室等采用玻璃鋼酸霧凈化塔，玻璃鋼酸霧凈化塔結構如圖7所示。

圖7 酸霧凈化塔凈化結構

4 結語

隨著高等教育的發展和高校科技創新能力的提升，各大高校實驗的科研教學活動更加頻繁，實驗室的廢氣排放及其污染問題日漸凸顯，2005年，國家教育部、環保部聯合下發通知[3]，嚴禁將實驗室廢氣直接向外界排放，有效防止實驗室廢物污染危害環境，維護環境和公共安全，保障人民身體健康，促進建立和諧型社會。本次設計秉持該原則，在實驗室合理設置通風柜、萬向罩、原子罩等通風設施收集實驗室廢氣，并有效處理后排入室外環境，以及設置潔凈空調等措施，確保了實驗人員安全和健康，創造一個舒適的工作和學習的環境，為學院建立一個以人為本的先進實驗室提供必要的條件。