實驗室通風系統設計探究

王強

摘 要 基于分析實驗室通風柜的工作原理，結合實驗室的暖通相關設計要求，重點討論了VAV系統的設計及控制邏輯，及其對實驗室安全性、功能性的重要性。

關鍵詞 實驗室通風;通風柜;VAV;房間壓力控制

前言

在對化工產品需求量不斷增加的今天，很多企業均加大了對研發中心的投入，而實驗室作為研發中心的核心區域，承擔了新型材料的研發重任，研發人員作為研發企業的重要財富，如何讓他們在處理化學品實驗的時候確保他們的健康安全，以及化學實驗順利進行，其中暖通系統設計將是實現這些功能的關鍵。

在實驗室，暖通系統負責創造一個良好的工作環境，包括溫濕度，房間正負壓，有害物質的及時排放，而通風柜則負責將有害物質集中起來，如何將兩者有機結合，讓兩者能夠完美契合的工作，則是暖通設計需要努力的方向，而通風作為暖通系統的一個重要組成部分，與實驗室設備結合地更加緊密，本文重點探討通風系統的設計。要想做好實驗室的通風系統，除了基本的通風專業知識，還要熟悉通風柜的工作原理，以及最終如何通過合理的自控邏輯來實現我們想要的結果，這三個因素環環相扣，相輔相成，對于一個實驗室通風系統的成敗起到了決定性的作用。下面對這三個因素逐個進行剖析。

1通風柜的類型和工作特點

市場上存在著三種類型的通風柜，分別是定風量型、補風型以及變風量型通風柜。這三種類型的通風柜，雖然都能起到保護實驗室人員安全的作用，但依然有著各自的特點，從最初的定風量通風柜發展到變風量通風柜，一定程度上也是暖通與自控技術日趨完善的結果。身處日新月異的21世紀，變風量通風柜已經占據了市場上的絕對份額。

面風速決定了通風柜柜門處的氣流處于負壓狀態，確保有害氣體無法溢漏出通風柜，從而保證使用者的安全，允許的面風速在許多關于實驗室通風的標準中都有規定，例如SAMA標準LP-10-1980中規定0.5m/s為安全操作的理想面風速，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，在實際項目執行中，我們一般取0.5m/s。因為柜門的開啟會影響到風量的變化，為了要保證柜門面風速，監測通風柜的柜門開啟則變成了必須，因此在探究通風系統設計之前，有必要首先分析一下變風量通風柜的工作原理。

目前監測變風量通風柜開度的方法有兩種：

（1）面風速法：通風柜入口邊緣處安裝風速傳感器，用來測風速，然后通過傳感器將信號傳送到配套的控制器，控制器接到信號之后通過比較和計算得到所需的排風量，進而通過改變風機頻率或控制風閥開度來調整排風量，最終使通風柜的面風速控制在設定值。

（2）位移法：通過安裝在柜門旁邊的位移傳感器測得柜門開度并傳輸給控制器，控制器再通過計算得出所需風量，然后通過實時改變風機頻率調節排風量，最終使面風速控制在設定值。

柜門開度的檢測原理看似簡單，但是它卻是整個通風自控系統的信號發源地，而且整個通風設備參數的確定，都需要以變風量通風柜的排風需求和實驗室的同時使用率為基礎進行分析，合理的考慮同時使用率以及單臺通風柜的風量可以有效降低初投資，在后續實際運行中，讓通風設備處于最佳工作狀態點保持高效率運行，同樣可以減少運行成本，節能環保是一個永遠的主題，所以作為能耗大戶，暖通工程師應該自覺承擔起這個責任。

從上述的工作原理可以得知，變風量通風柜的排風量會根據使用情況進行調整，因此，決定了變風量的通風系統將是必需的選擇，而除了變風量通風柜的使用需求之外，變風量通風系統也的確具有眾多優點：①當實驗室的排風量減少的時候，可以相應減少送風量，尤其是新風量，這樣可以節約能耗成本;②應用同時使用率的概念，讓系統的容量更加貼近使用者的需要，以此減少不必要的建設成本，避免了大馬拉小車的過度設計;③實驗室的設備通常會有更新的情況出現，壓力無關性的變風量控制器可以自動適應系統的變化，排風管路壓力的變化并不會影響到控制閥的運行，所以當實驗室系統安裝調試完成之后，以后若再有局部區域改造，只需要在受變化直接影響的區域進行再平衡即可，而不需要對整個通風系統再次進行風平衡調節，讓實驗室的局部改造變得更加簡單[1]。

2通風系統的理論計算

理解了通風柜的工作原理，確定了變風量通風系統，接下來就是要對暖通設計進行詳細計算。由于實驗室有一些有害氣體排放，為了防止氣體溢出到其他非實驗室區域，所以要求實驗室必須處于負壓狀態，因此，詳細準確的風量平衡計算是必需的，通常確定室內風量平衡的步驟有：

（1）整理出實驗室中的通風設備，比如通風柜、萬象排氣罩、藥品儲藏柜等。根據這些通風設備的尺寸和工藝要求，計算他們的排風量范圍。比如通風柜，每個通風柜必須有最小排風量，以確保在柜門拉至最小時，柜子里的氣體依然可以進行排放稀釋，防止濃度積累過高導致操作人員再次開啟柜門時發生氣體逸漏從而造成危險，國內標準一般為250m3/h，而當通風柜的柜門開啟到正常高度時，對于1500mm寬度的通風柜，在保證面風速0.5m/s的情況下排風量折算為1600m3/h。

（2）根據實驗室的面積和換氣次數等通風指標計算最小排風量。房間換氣次數的指標，有人占用的實驗室換氣次數通常按照6～8次/h考慮，無人占用時比如夜間，則可以減少至2～4次/h。如果通風設備在最小排風狀態時的總排風量比按照通風指標計算的最小排風量還要小，則必須配置室內輔助排風閥補充排風量，使得在正常工況下，總排風量能滿足換氣次數的要求。

（3）根據室內總排風量和室內壓力要求，確定室內送風的范圍。

（4）確定變風量閥的風量范圍和要求，列入設備規格表。

按照上述4個步驟，假設20m2的一個實驗室，里面包含1臺1500mm的通風柜，1個萬象排氣罩，套用我們上述的步驟作室內風量平衡計算：

（1）根據通風柜的開窗最大開口尺寸和平均面風速，計算出他的排風量范圍是250m3/h～1600m3/h。萬象排氣罩的排風采用定風量閥，風量為150m3/h。

（2）根據實驗室的面積20m2，層高2.8米，通風換氣次數8次/h，計算出室內最小排風量448m3/h。當通風柜在最小排風狀態時的總排風量是250+150= 400m3/h，比按照通風指標計算的最小排風量448m3/h小，需另外配置一個室內輔助排風閥，使得在正常工況下，總排風量是滿足室內換氣次數要求。

（3）根據室內總排風量、室內負壓要求以及房間門窗密閉性，估算送排風風量差為100m3/h，由此可以確定室內送風的范圍。

（4）確定變風量的風量范圍和要求。1個通風柜控制閥250～1600m3/h，1個室內輔助排風控制閥0～48m3/h，1個定風量閥150m3/h，1個室內送風控制閥348～1500m3/h。

依靠這4個步驟，將實驗室的房間逐個統計，然后考慮同使用率進行設備選型，就可以得出整個通風系統的排風量、送風量以及控制閥的數量及參數，從而確定了整個通風系統的所有關鍵要素[2]。

3變風量通風系統中房間壓力的控制原理

對于實驗室來說，壓力控制決定了實驗室的安全等級，對壓力的控制就只能通過控制送排風量來完成。在研發人員實際使用中，實驗室的情況會不斷地出現變化，那么就需要相應調整送排風量來控制房間室內外壓差，然后再進行熱濕調節等其他操作。比較主流的兩種壓力控制方法是直接壓力控制、流量跟蹤控制，接下來我們通過分析兩種不同的控制方式來更好地了解他們，從而能夠更好地讓他們去服務通風系統。

3.1 直接壓力控制

在直接壓力控制方式下，房間控制器通過調節送風和排風閥門，來保持實驗室與相鄰區域的壓差穩定?？刂破鲗鶕嶒炇液蛯嶒炏噜弲^域的壓力傳感器直接測得壓差數據，然后采集壓差信號并將其與原先設定的壓差值進行比較，根據兩者之間的差值來調節送排風量，因此，直接壓力控制可以直接的反映到壓差控制上，讓其實驗室的壓差最接近設定值，但是他也有局限性，容易受到干擾，比如門窗的開啟。

如圖所示的工作原理圖，可以看出系統相對簡單，但是在我們實際的項目案例中，壓力控制系統的表現并不是特別穩定，主要原因是這種系統對房間的密閉性要求非常，隔墻是否到結構頂、機電管線穿隔墻的密封是否嚴密，都將影響系統的準確性，因此房間壓力要求高，密閉性好的實驗室，將會更加適應這種控制系統。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設計是利用風量傳感器測得的送風量和排風量，利用控制器對房間的送排風量進行采集并做比較，使得送排風量的差值保持恒定，從而實現房間的壓差控制。

從上圖可以看出，流量跟蹤控制系統的對象是風量值，必須測量所有送、排風管道的風量，房間壓力不再是流量跟蹤控制的一部分了，在這種情況下，直接壓力控制系統因為門窗突然開啟而使系統失靈的弊端就不再存在了，即使門窗突然開啟，送風量和排風量依然不會改變，兩者之間的差值依然也是固定值，從而使實驗室依然保持負壓。

如果要采用流量跟蹤控制系統，則必須弄清楚余風量的概念，如何確定余風量，會影響到這套系統的準確性，余風量等同于送風量和排風量的差值，是基于房間門窗的數量和房間滲漏量來計算的，在實際案例中，理論值與實際值有一定的差異存在難避免，可以根據后續實際情況，通過矯正余壓值的設定直到實驗室最終達到穩定的負壓。

在實際案例中，流量跟蹤控制系統被更多的選用來控制實驗室的壓力，一方面，是因為送風量和排風量數值更加容易預測和計算，另一方面，即使房間門打開的情況下，房間送風量和排風量不變，負壓依然存在，對人員健康依然有保障[3]。

4結束語

通風系統對于實驗室的成敗起到了決定性的作用，而經過幾十年的實驗室設備比如通風柜的發展，變風量系統順應著時代發展走上舞臺，通過剖析變風量通風柜的特點、通風系統的理論計算以及房間壓力控制邏輯，可以更完整地幫助我們完成實驗室的通風系統設計，讓三者緊密結合。

參考文獻

[1] 趙敏華，沈晉明.VAV在實驗室通風空調中的應用和控制[J].潔凈與空調技術，2014（1）：45-49.

[2] 高磊，沈晉明.實驗室通風技術與控制[J].醫療衛生裝備，2005（12）：31-34，36.

[3] 劉海華.對化學實驗室暖通控制的探討[J].機電信息，2014（23）：32-35.