南京某大學實驗室通風系統設計

南京郵電大學 李智超

1 項目概況

南京某大學材料學學科樓總建筑面積19 443.59 m2，地上4層、地下1層，建筑高度23.90 m。地上建筑面積14 904.50 m2，地下建筑面積4 539.09 m2。實驗樓1層層高5.4 m，2～4層層高均為4.5 m。

1層由辦公室、會議室、11間儀器分析室、4間超凈實驗室(預留)、4間分析實驗室組成；2層由辦公室、會議室、21間模塊化無機實驗室組成；3層由辦公室、會議室、7間模塊化無機實驗室、14間模塊化有機實驗室組成；4層由辦公室、會議室及21間模塊化有機實驗室組成。

實驗樓主要以開展分析化學、有機化學、無機化學等科研實驗為主，引入PI制管理模式。在實驗過程中可能會使用或產生《全球化學品統一分類和標簽制度》(GHS)中如下化學品：H331(吸入會中毒的氣體、蒸汽、粉塵、煙霧類物質)、H332(吸入有害的氣體、蒸汽、粉塵、煙霧類物質)、H333(吸入可能有害的氣體、蒸汽、粉塵、煙霧類物質)、H334(吸入可能引起過敏或哮喘病癥狀或呼吸困難類物質)、H335(可能引起呼吸道刺激類物質)、H336(可能引起嗜睡或頭暈類物質)等。

2 局部排風設備(暴露控制設備)選型

排風柜、原子吸收罩、萬向排氣罩、通風試劑柜等局部排風設備旨在通過“源頭控制”最大限度地減少實驗室科研人員化學暴露的風險，提供主要的工程控制和職業健康防護手段。因此，選擇和應用合適類型的局部排風設備對實驗室內各類空氣傳播的危害源的暴露風險控制、提升實驗室安全性能和安全等級都至關重要。

排風柜是目前應用最為廣泛的局部排風設備(見圖1)，其應用場景涵蓋化學品用量和潛在化學物質產生率從低到極高、風險等級由低至極高水平的全面暴露風險防護。萬向排氣罩僅用于潛在化學物質產生率較低的低風險等級的應用場景。

圖1 不同局部排風設備應用范圍[1]

綜合考慮材料學學科樓實驗工藝、化學品用量、潛在化學物質產生率、實驗室風險等級等，結合實際使用需求，28間模塊化無機實驗室每個實驗單元均設置1臺FGT-150型排風柜、1臺通風試劑柜、1個萬向排氣罩，35間模塊化有機實驗室每個實驗單元均設置6臺FGT-150型排風柜、2臺通風試劑柜、2個萬向排氣罩。

3 變風量控制系統

3.1 排風柜變風量控制

排風柜變風量控制策略可分為2類：1) 通過安裝在排風柜側壁或頂部的面風速傳感器或其他技術來測量排風柜面風速，通過對變風量蝶閥的調節來維持所需的預先設定的面風速；2) 位移傳感器測量排風柜拉門開度，變風量控制器計算出維持預設面風速所需的排風量，控制器對變風量閥門進行調節與控制以確保實際排風量為所需風量。變風量閥門的風量控制形式可以采用實測風量的“閉環控制”，也可采用線性校準的變風量文丘里閥來“開環控制”風量。

3.2 實驗室變風量控制

實驗室變風量控制主要有3種控制策略：直接壓力控制、風量追蹤控制、串級控制。

1) 直接壓力控制(見圖2)。直接壓力控制策略通過測量實驗室與壓力參照區域的壓差，通過調節進入或排出實驗室的風量來維持所需的壓差。此種控制策略的難點在于：在實驗室開門時如何保持壓差；如何找到合適的壓力傳感器安裝位置并持續穩定的測量壓力；如何保證實驗室良好的密封性；如何保證壓力傳感器的精確性。

圖2 直接壓力控制原理

2) 風量追蹤控制(見圖3)。風量追蹤控制策略通過既測量排風量(或通過閥門風量反饋值進行匯總求和)又測量送風量(或通過閥門風量反饋值進行匯總求和)，并控制送風量與排風量的差值以保持所需的壓差。在進行風量追蹤控制設計時，補償風量一定要大于閥門流量測量的精度及控制系統的控制誤差，避免出現氣流逆轉。

圖3 風量追蹤控制原理

3) 串級控制(見圖4)。串級控制策略通過測量實驗室與壓力參照區域的壓差以重置流量追蹤的壓差設定點，串級控制具有直接壓力控制和流量追蹤控制的優點。

圖4 串級控制原理

3.3 風機變風量控制

風機變風量控制策略可分為3類：定靜壓控制、變靜壓控制、總風量法控制。

1) 定靜壓控制。定靜壓控制法的最大優點是控制簡單，目前大多數變風量系統都采用此種控制方法[2]。定靜壓控制法簡單、易于實施，但其缺點也較為明顯，主要表現為靜壓波動影響大和靜壓設定值的確定難這兩方面。

2) 變靜壓控制。采用基于變風量末端風閥閥位反饋，結合自控系統對靜壓值根據需求實時重新設定，以滿足變風量末端閥位在70%～90%范圍內。

3) 總風量法控制。基于風機相似律，建立設定風量與風機設定轉速的函數關系，無需靜壓測定，用各變風量末端裝置需求風量求和作為系統設定總風量，直接求得風機設定轉速[2]。

該項目排風柜變風量控制根據防腐工藝需求、系統響應速度、性價比、安裝尺寸等因素綜合考慮，選用第二類控制策略，采用位移傳感器+實測風量的“閉環控制”變風量防腐型蝶閥控制系統，變風量排風柜性能滿足JG/T 222—2007《實驗室變風量排風柜》標準要求。實驗室變風量及壓力控制采用基于實驗室總排風量與新風機開啟數量邏輯聯動的控制方法。風機變風量控制采用基于定靜壓控制優化的雙靜壓點控制法，當系統中變風量末端處于節能模式(實驗室無人占用)時，靜壓控制器將自動切換至節能模式運行，此時風機按節能模式的靜壓設定點運行，進一步降低風機運行能耗。

4 風量平衡

4.1 換氣次數確定

1) JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》中表8.1.3科研建筑室內設計參數中指出，化學類實驗室換氣次數為3～4 h-1[3]。

2) HG/T 20711—2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調節設計規范》中第5.2.1條規定，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 h-1，處于非工作狀態的實驗室、化驗室，最小換氣次數不宜低于4 h-1[4]。

不同風險控制等級對應換氣次數見表1。

表1 不同風險控制等級對應換氣次數[5]

基于實驗過程中使用和潛在產生的危險化學品GHS分類、用量、潛在產生量等方面對各類型實驗室通風風險進行評估，同時綜合考慮國內規范標準要求，有機實驗單元參照實驗室通風風險評估LVRA-3級來設計，無機實驗單元參照LVRA-2級來設計。換氣次數最終確定為：有機實驗單元8 h-1(有人占用時)，4 h-1(無人占用時)；無機實驗單元6 h-1(有人占用時)，4 h-1(無人占用時)。

4.2 風量平衡

實驗室送風量依據實驗室的熱舒適性、換氣次數，補償通過排風柜、生物安全柜或其他局部排風設備排出的風量，實驗室壓力控制要求、環境控制來確定，以滿足實驗工藝和實驗標準的需求。

風量平衡按照下式計算[6]：

GZJ+GJJ=GZP+GJP

(1)

式中GZJ為自然進風量；GJJ為機械進風量；GZP為自然排風量；GJP為機械排風量。

4.3 壓力梯度

采用縫隙法計算漏風量[7]：

(2)

式中L為漏風量，m3/h；E為縫隙流量系數，本項目取0.5；F為縫隙面積，m2；Δp為室內外壓差，Pa；ρ為空氣密度，通常取1.2 kg/m3。

5 有機實驗單元典型實驗室設計

該項目實驗室均采用模塊化、無吊頂設計。實驗室按照功能用途分為：儀器分析實驗單元(15個模塊)、無機實驗單元(28個模塊)、有機實驗單元(35個模塊)。

有機實驗單元面積52.5 m2，層高4.5 m，工作狀態按換氣次數8 h-1設計，無人占用時按4 h-1設計(見表2)。有機實驗單元布置6臺變風量排風柜、2個萬向排氣罩和2臺通風試劑柜(見圖5)。為避免排風混合產生交叉反應，每個實驗單元獨立1套排風系統(見表3)，所有實驗單元排風均經廢氣處理裝置處理后高空排放。

表2 有機實驗單元不同模式下風量計算

圖5 有機實驗單元平面布置(單位：mm)

實驗室采用變風量通風系統(見圖6)，綜合考慮實驗新風和壓力控制工藝需求，有機實驗單元采用吊裝6臺管道靜音風機，單臺送風量1 050 m3/h，送風機啟停控制與實驗室總風量邏輯聯動控制(見表4)，采用靜壓箱型送風口送風，盡量減少由于送風對實驗單元氣流組織和橫向氣流的干擾。

實驗單元送風機開啟數量N按下式計算：

(3)

式中QFH為排風柜排風量，m3/h；QW為萬向排氣罩排風量，m3/h；QG為通風試劑柜排風量，m3/h。

表3 有機實驗單元排風系統風量計算

圖6 有機實驗單元控制流程圖

當N<6時，對計算結果N取整，即為開啟送風機數量；當N≥6時，開啟全部6臺送風機。

當實驗單元無人占用時，通過一鍵節能按鈕，實驗單元切換至節能模式運行。不同運行工況及運行模式下風量對比分別如表5、6所示。

由表5、6可知，相較于定風量系統，變風量控制系統在提升實驗室整體安全性能、系統設計、節能減排、運維調適等方面具有優勢。

表4 送風機啟停數量邏輯聯動控制關系

表5 變風量控制系統不同運行工況對比

表6 定、變風量系統運行對比

1) 通過對排風柜面風速的精確控制來提升排風柜作為實驗室第一道安全屏障的安全性能。

2) 通過對實驗室穩定、可靠的壓力梯度控制形成定向氣流，提升實驗室作為第二道安全屏障的安全性能。

3) 在設計階段，通過合理利用“同時使用率”來優化系統設計，從而實現減小諸如排風機、管道系統、新風機、新風空調箱及主機(如有)等機電設備選型規格，可降低初始投資及后期運維費用。

4) 當變風量排風柜無人操作時，通過自動門管理系統或者手動關閉排風柜拉門來減少其排風量，提升安全性的同時實現節能減排。

5) 當實驗室整體排風量減小時，變風量控制系統對送入實驗室的送風量進行調節，送風量也隨之減小，具有節能作用。

6) 通過變風量控制系統產品的無人占用運行模式，當實驗室無人使用時系統可進入節能模式運行，減少對送排風量的需求，實現節能減排。

7) 通過對排風機、新風機、新風空調箱(如有)進行變頻調節來減少其風機的運行能耗。

8) 當實驗室排風設備位置移動或新增設備時，壓力無關型變風量控制系統自動調整，適應系統的變化，只需在受變化直接影響的區域進行再平衡，而不需要對整個系統進行再平衡，簡化調適和運維。

9) 當排風柜面風速、實驗室壓力或風量平衡、風機變風量控制達到潛在的不安全級別時，變風量控制系統會通過報警來提醒用戶，提升實驗室的整體安全性。

6 排風管道材質探討

1) GB 50016—2014《建筑設計防火規范》中第9.3.14條規定，“除下列情況外，通風、空氣調節系統的風管應采用不燃材料：1.接觸腐蝕性介質的風管和柔性接頭可采用難燃材料……”[8]。

2) JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》中第8.3.5條規定，“實驗室排風系統的排風裝置、風管、閥門、附件和風機等選材應符合下列規定：1.應采用不燃燒材料制作。2.應綜合考慮排風內有害物對系統風管、閥門、附件和風機等選材的影響”[3]。

3) ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第5.4.2.2條指出，固體塑料管道通常具有良好的耐腐蝕性能，但當地消防部門可能會不接受[9]。

就材料特性來看，達到難燃B1級同時兼具耐腐蝕性能和經濟性能的材料主要為無機玻璃鋼材質(防火等級可達到A1不燃)，但其生產工藝相對較落后。

不銹鋼材質管道易受酸和氯化物的侵蝕，具體取決于鉻鎳的含量，且不銹鋼管道造價較高，大范圍使用難度較大。

鍍鋅鋼板材質管道易受酸堿的腐蝕，不滿足耐腐蝕工藝要求。

項目籌備階段對已完成實驗室項目調研時發現，目前實驗室建設項目中普遍使用聚丙烯(PP)或硬聚氯乙烯(PVC)材質作為排風管道。對板材生產廠家調研時發現，板材生產廠家基本無法提供滿足GB 8624—2018《建筑材料及制品燃燒性能分級》中難燃B1等級測試報告。同時，GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》中也去掉了對于聚丙烯(PP)材質作為管道的質量驗收要求。

綜上所述，該項目選用具有耐腐蝕性能同時兼具滿足建筑設計防火規范要求的無機玻璃鋼材質的排風管道。

7 防火閥設置問題探討

1) GB 50016—2014《建筑設計防火規范》中第9.3.11條規定，“通風、空氣調節系統的風管在下列部位應設置公稱動作溫度為70 ℃的防火閥：當建筑內每個防火分區的通風、空氣調節系統均獨立設置時，水平風管與豎向總管的交接處可不設置防火閥”[8]。

2) JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》中第8.3.7 條規定，設在建筑物室內的豎向排風管應設在排風管井內。水平風管與豎向排風管連接處應設防火閥。當接觸強腐蝕性物質的排風管道采用分層設置獨立系統，且其水平風管不跨越防火分隔，豎向風管安裝在具有足夠耐火極限的管井內時，系統風管可不設防火閥[3]。

3) ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第5.4.3.7條指出，出于以下幾個方面考慮，實驗室排風管道系統不得設置防火閥：防火閥的誤動作將會切斷實驗室一個或者更多排風柜的排風系統，可能會導致科研人員的意外傷害和化學暴露的風險增加；當實驗室發生火災時防火閥被激活，化學排風柜的排風系統被切斷，迫使柜內變成正壓，此時，火災很可能從具有防火能力的排風柜擴散至實驗室；當實驗室一個或者多個排風柜排風系統被切斷時，相較于走廊，實驗室可能會變成正壓環境，有助于燃燒產物擴散，致使火災蔓延至其他相鄰區域[9]。

從中美規范標準對比中發現，美國標準不主張在實驗室排風系統中設置防火閥。在該項目中，每個實驗單元均分層設置獨立系統、水平風管不跨越防火分區且豎向風管安裝在具有足夠耐火極限的管井內，因此，水平風管與豎向總管交接處均不設置70 ℃常開防火閥。

8 廢氣處理工藝的選擇

有機和無機實驗單元排風均采用“濕法噴淋+干法吸附”廢氣處理方式，使其有害物質濃度低于環保要求排放允許限值。GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》大氣污染物排放限值如表7所示。該項目中所有排風機均設置在18.85 m(結構標高)的屋頂并高出屋面3 m排放。

表7 GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》大氣污染物排放限值[10]

ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第9.2條規定，如有需要，實驗室排風系統的空氣凈化系統應由負責人設計或指定，以保證空氣凈化系統滿足監管合規所需的性能指標[9]。

由于科研未知性的特點，實驗室廢氣的組分復雜，通常為混合型廢氣類型。同時，實驗室廢氣呈現出風量大、濃度低、組分復雜、無規律等特點，極大地增加了實驗室廢氣源確定的難度。

該項目采用組合式廢氣處理方式，將“濕法噴淋+干法吸附”相組合，針對實驗室混合型廢氣具有處理針對性強、效率高等特點。在廢氣處理過程中，先采用濕法噴淋處理，“氣相”廢氣與“液相”定制化吸收液在比表面積大的鮑爾環填料表面充分接觸并產生反應，從而實現對廢氣的洗滌處理。經除霧處理后進入活性炭吸附段，依靠吸附劑自身獨特的孔隙結構及大的比表面積，通過分子間引力(范德華力)對吸附質進行吸附，吸附法對有機廢氣具有較好的針對處理效果，再經吸附處理后達標排放。最大限度地減少活性炭的用量及活性炭固廢的產生，減少后期的運維費用。

在實驗室廢氣處理過程中所產生的廢液由該項目配套的廢液處理設施處理并實現達標排放，活性炭固體廢棄物由具有處置資質的公司統一回收并進行無害化處理。在項目投入運行后，將定期對實驗室廢氣排放濃度和排放速率進行檢測，確保持續達標排放。

9 結語

局部排風設備旨在通過“源頭控制”最大限度地降低實驗人員化學暴露的風險，因此選擇合適的局部排風設備對于提升實驗室安全性能和安全等級均起著至關重要的作用。

變風量控制系統在提升排風柜作為第一道安全屏障和實驗室作為第二道安全屏障的安全性能方面發揮著極其重要的作用，同時為實現“雙碳”背景下的實驗室的節能減排起著重大作用。

在材料選擇、防火閥設置等方面均應滿足GB 50016—2014《建筑設計防火規范》的要求。在滿足規范要求并征得當地消防部門許可的情況下，盡可能考慮其他國家好的技術措施和方法。

針對高校實驗室廢氣所呈現出的風量大、濃度低、組分復雜、無規律、廢氣源確定難等特點，應采用多重組合式處理方法并舉，避免采用單一處理方式并盡可能減少固體廢棄物的產生，實現達標排放和減少運維費用的目標。