化學實驗室通風系統設計方法分析及比較

張萍

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

近年來我國實驗室建設發展迅速，實驗室面臨著能耗大、工作環境危險性大、空氣污染嚴重等問題，為確保科學實驗的精確性，保障實驗室工作人員的安全與健康，保護大氣環境，實驗室的通風空調系統起到至關重要的作用。鑒于實驗室通風空調設計沒有完善的設計手冊指導，筆者以某高校某層實驗室為例，闡述實驗室通風系統的設計方法以及實驗室尾氣處理方法，并比較了兩種不同補風方式的優缺點。

1 實驗室通風量計算

1.1 換氣次數及常用通風設備通風量

根據聯邦公報-美國職業安全和健康委員會（OSHA）、ASHRAE 110 Application Handbook、美國全國防火委員會（NFPA45）《化學實驗室防火》 等標準對于實驗室換氣次數的規定，總結下來，實驗室換氣次數在正常工作模式為≥8 次/h，在節能工作模式為 4～6 次/h，在緊急工作模式為12 次/h。國內標準 《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調節設計規范》（HG/T 20711-2019）[1]規定，處于工作狀態的有污染物產生的實驗室、化驗室，最小換氣次數不應低于6 次/h。同時，這些標準都規定了實驗室必須保持負壓，確保氣流單向性，以免交叉感染，根據 《全國民用建筑工程設計技術措施—暖通空調·動力》（2009），機械進風量可取排風量的70%，其余部分自然滲透。

某化學實驗室通常包括以下通風設備：通風柜、通風試劑柜、原子吸收罩、萬向排風罩等。綜合各實驗室標準規范，通風柜的面風速宜取 0.5 m/s，此時通風柜的氣流抑制性及運行能耗達到比較好的權衡。介于通風柜有這樣的風速要求，通風柜柜門根據不同工況會開啟不同高度，因此通風柜應采用變風量通風系統。其他設備均只需定風量通風系統。我國常用通風柜及定風量設備排風量可參考表 1[2]（排風量的最小值是通風柜移門關至最小時的排風量。最大值是移門開到 工作高度的排風量）和表 2。

表1 常用通風柜排風量

表2 常用定風量設備排風量

1.2 通風系統計算舉例

由于各實驗室設備組合方式的不同，通風量計算方法也有所不同，現以某層實驗室為例，計算較為典型的6 個實驗室的通風量，其實驗室布置如圖1。注意：氣瓶柜應放在主體建筑物之外的氣瓶存放間。對日用氣量不超過一瓶的氣體，室內可放置一個該種氣體的氣瓶，但氣瓶應有安全防護設施[3]。氣瓶柜的放置應根據相關規范及氣體種類綜合考慮。

圖1 典型實驗室布置圖

根據上述常用設備的排風量及實驗室所需換氣次數等數據，計算這 6 個實驗室進排風量，計算結果見表3。

表3 典型實驗室通風量計算

表3 中：

1）房間凈高按4 m 計算，全室排風量按 8 次/h 換氣次數計算。

2）通風柜按柜長1.5 m 考慮。排風罩按實際尺寸計算。通風試劑柜按每臺300 m3/h 計算。各設備同時使用系均取1。

3）放置可燃氣體氣瓶柜的實驗室按換氣次數 12 次/h 計算事故的排風量，該實驗室的排風機均為防爆風機。

4）*表示在同時設置通風柜和排風罩的實驗室，由于風機是變頻的，即使設備最小排風量＜全室排風量，可以調節風機風量，加大房間總排風量，無需另設房間排風口。

2 實驗室通風系統設計方法

傳統的定風量系統已無法滿足實驗室工作需求，現行的實驗室多采用變風量通風系統，主要通過變風量閥（文丘里閥等），定風量閥及控制單元來控制通風系統的進排風量，以滿足需求。

2.1 變風量系統控制邏輯

實驗室變風量系統控制邏輯主要有兩種，一種是壓差控制，另一種是余風量控制。

壓差控制，是通過設在實驗室內的房間壓差傳感器，直接監控實驗室與走廊或非實驗區域的壓差值，確保氣流的單向性，保證實驗室與其他區域無交叉污染。當房間內排風減少或增大時，房間壓力傳感器傳輸信號到控制單元，增大或減小補風機風量。壓差控制多用于小型，封閉的實驗室，控制更準確。

余風量控制，是通過調節實驗室送風量和排風量，保持設定的風量差，維持風量平衡，確保氣流的單向性。帶流量反饋的變風量閥門用以監測風量。當房間內排風量減少或增大時，新風根據這個差值相應的減少或增大，保證差值不變。余風量控制適用于大型、開放型實驗室，準確性沒有壓差控制高。

通風柜要求面風速控制在0.5 m/s，就需要柜門處的傳感器，如紅外線傳感器，給通風柜的變風量閥傳輸信號，變風量閥門再將信號傳輸給控制單元，不管是壓差控制還是余風量控制，都反應到排風機及相應送風機的變頻控制柜，實現風量的平衡。

另外，控制系統會通過設定房間的長寬高，計算出全室排風量。以實驗室3 為例，當 4 臺通風柜均不工作時，房間排風量為 300×4=1200 m3/h，而計算得的全室 排風量為 2176 m3/h，當房間排風量（變風量閥處傳輸信號）小于計算得到的全室排風量時，打開房間排風口處變風量閥，使房間總風量滿足全室排風量要求，同時控制單元將調整后的排風量信號，通過壓差控制或余風量控制方法，控制送排風機的風量。

當然，不管是通風柜面風速的控制，房間內排風支管變風量閥開度的控制，還是排風機及送風機風量的控制，都是同時進行的。

2.2 變風量系統設計方法

典型6 個實驗室的通風設計方法如圖2 所示。每個實驗室排風通過豎井內的立管升至屋面，每個房間為一個系統，設一臺玻璃鋼耐腐蝕風機，尾氣高空排放，1～ 4 號實驗室設變頻風機，5～ 6 號實驗室為定頻風機。補風單層考慮，按最大補風量之和的60%（同時使用系數）計算，由新風空調箱經冷熱處理后送入各實驗室。通風柜排風支管及相應房間進風支管均需設置變風量調節閥，排風罩、通風試劑柜等設備排風支管及相應房間的送風支管均需設置定風量調節閥。

圖2 典型實驗室通風設計方法

設計過程中還需考慮以下幾個問題：1）為保證通風柜的面風速穩定，通風柜前 1.5 m 的距離內最好不布置送風口。2）排風系統主風管內風速一般不超過 8 m/s，支管內風速一般不超過 6 m/s，風口頸部風速一般不超過2.5 m/s。3）排風機選型一般按照最大排風量和最大壓力損失進行選擇，不考慮通風柜的使用概率。4）排風管需要根據氣體種類選擇合適的材料，耐腐蝕風管可采用難燃材料制作，一般采用無機玻璃鋼風管、PVC、PP 風管等。

3 實驗室兩種送風方式的比較

3.1 常用的兩種送風方式

現階段，實驗室送風一般采用這兩種方式。方法一是根據計算得到的送風量，由新風空調箱經冷熱處理后送入每個房間，風口可為散流器或雙層百葉。方法二是每個實驗室分別設冷熱盤管，靠內外壓差自然進風，室外新風與盤管內的冷熱水進行換熱，再送入房間。現以設置兩臺通風柜，凈高為3 m 的實驗室為例，模擬通風柜全開時，兩種送風方式下的冬季室內氣流組織。模型設置如圖3 所示，設置一面外墻，單位面積向外傳熱量為 60 W/ m2，每臺通風柜風量均為 1500 m3/h，全開時操作口大小為 1400×600，其中方法一送風溫度設置為 18 ℃，送風百葉 600×400，送風量為 2100 m3/h，方法二室外供暖溫度為-9 ℃，盤管放熱量設為 17 kW，送風百葉 1000×400，送風量為 2100 m3/h。

圖3 兩種送風方式模型設置圖

3.2 兩種送風方式對比分析

經過氣流組織模擬軟件 Fluent 模擬計算，截取h=1.5 m 兩種送風方式下的室內溫度場，如圖4。

綜合以上結果，對兩種送風方式比較分析如下：

①溫度值：如圖4，方法二由于盤管傳熱效率不可能達到100%，實際送入房間的溫度小于理論計算溫度，即使設置在送風量一樣的情況下，室內溫度也低于方法一，更何況僅靠內外壓差自然進風的方式，送風量也會小于方法一，實際室內溫度會更低。

圖4 兩種送風方式室內溫度分布

②溫度分布：由于左邊墻體為外墻，不管送風口是設置在靠內墻的上送風口還是靠外墻的側送風口，在人員活動區域高度，內墻處都比外墻處溫度高，因此，通風柜可考慮設置在靠內墻處，但同時要考慮送風口風速對通風柜操作口的影響。

③成本：在相同冷熱水需求的情況下，方法一采用全新風經冷熱處理的方法，能耗較大。且需要一臺新風處理設備及一套送風系統，包括風管、閥門、控制單元等，增加造價。

④控制：方法一由于支管上安裝變風量閥，送風機變頻，送風量會隨著室內排風量的變化而變化，準確有效。方法二只能依靠室內外壓差，改變自然進風量，風量無法得到保證。

⑤其他：方法二的室外百葉需結合外窗，安裝位置受限，室外百葉容易積灰，需要及時清洗更換。方法一的送風口可以靈活布置。

4 尾氣處理措施

規范[1]規定，排風系統排出的有害物濃度和排放速率超過有關標準規定的允許排風標準時，應采取凈化措施，排放標準可以參考 《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）。但是大多數實驗室業主無法給出排放物的種類及具體濃度，筆者建議設計人員可考慮對設置有局部通風設備實驗室進行尾氣處理，對只需全面排風實驗室，排風經耐腐蝕風機后高空排放。

現階段實驗室尾氣處理一般有以下幾種方法：

1）對于苯、醇、酮、酯等有機溶劑的廢氣，一般采用活性炭吸附，利用高性能活性炭吸附劑固體本身的表面作用力，將有機廢氣分子附著在吸附劑表面，從而降低有害氣體濃度，活性炭吸附適用于大風量低濃度的有機廢氣治理。

2）對于酸性無機廢氣，一般采用洗滌塔，氣相中的酸性物質與洗滌塔中的液相堿性物質發生化學反應，通過一級或者二級中和反應，生成潔凈氣體排至大氣，但是，在嚴寒和寒冷地區，洗滌塔不適宜使用，液體有被凍住的可能性。另有一種吸附塔，以大比表面積堿性固體顆粒狀的吸附劑作為填料，當廢氣中的酸性分子和水分子靠近吸附劑表面時，便會被吸附劑吸收，并與堿性物質發生化學反應，生成鈣鹽而被固定下來。

嚴格來講，尾氣處理應根據尾氣種類及濃度比例等理化特性，制定專門的處理裝置及吸附材料，不能一概而論。由于吸附填料的阻力損失都較大，塔體重量也較大，需要設計人員考慮風機的壓頭和設備平臺的承重。

5 結語

變風量通風系統是現代實驗室通風設計的主要方法，筆者列出了幾種常用實驗室局部通風設備的通風量，詳解了變風量通風系統設計方法，基于氣流組織模擬軟件，比較了現行兩種補風方式的優劣，并介紹了幾種常用尾氣處理設備，望對實驗室通風設計工作者提供參考作用。