實驗室通風氣流控制系統及節能技術探討

李曉麗，朱小社

(江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通 226007)

0 引言

實驗室通風工程是整個實驗室設計和建設過程中規模最大、影響最廣泛的系統之一。通風工程的完善與否，直接對實驗室環境、實驗人員的身體健康、實驗設備的運行維護等方面產生重要影響。實驗所產生的有毒氣體會影響研究人員的身體健康，為此需要利用通風柜清除有害氣體。不過實驗室普遍是以風空調為主，會產生較多的通風換氣量，而且需要很長的運行時間，所以運行狀態下的通風空調系統會耗費大量的能源。為此要有效控制通風氣流，以在確保實驗室安全性的同時，提高能源使用率，達到最為理想的節能效果。

1 研究背景

實驗室通風是通過先進的風系統，不采用再循環空氣，這讓實驗室的單位面積能耗高出了普民用建筑的范圍，而空調通風系統主要是管控實驗室空氣污染，并且會產生過多耗能。排風柜屬于不可或缺的實驗室局部排風設備，其性能如何將直接決定對污染物的控制質量，同時也會影響實驗工作者的身體健康情況。為確保排風柜的設計、測試等工作達到理想的效果，美國早在20世紀90年代就明確了 ANSI/ASHRAE110排風柜標準，該標準詳細規定了排風柜的測試基本條件、面風速測試及控制濃度測試等。該標準明確說明，排風柜捕集污染物的性能是由排風柜結構、柜內所使用的儀器設備(柜內障礙物)、柜內熱源、實驗室氣流組織(送風、排風氣流組織)、實驗人員的走動和門窗的開啟以及所設置的實驗室送風口等決定。

有關專家通過實驗就排風柜前有站立假人和實際操作人員兩種情況下柜前污染物的泄漏量進行了對比，同時還分析了人員活動路線能夠給柜內污染物泄漏造成的干擾。結果證實：柜前若有操作者，會導致污染物的泄漏量上升60%，同時不管是假人還是真實的工作者，對排風柜的影響沒有區別；當人員活動路線與排風柜操作窗的水平距離達到1 m的情況下，人員活動形成的干擾氣流不會明顯影響到排風柜。

2 實驗室氣流控制特性

對實驗室的氣流進行控制關乎實驗工作者的生命健康，所以一定要避免通風柜的有害氣體泄漏，這也就意味著實驗室氣流控制和以往的變風量控制具有本質上的差異。其中實驗室氣流控制最突出的特性是要確保控制系統以最快的速度趨于平穩，控制回路平穩的響應時間不可超過1 s。通常通風柜排風量會從350 m3/h上升到1 750 m3，一般情況下，從調節門轉移到通風柜實際排風量的跟隨，一共有0.6 s的響應時間。若控制回路的平穩響應時間不穩定，那么在調節門開度從高轉低以后，就會導致通風柜里的氣流產生“混亂”，這種情況下，通風柜里的有害氣體就很有可能泄漏，而且里面的玻璃器皿還會被破壞；而調節門從低升高后，則會導致面風速降低，最終就會使有害物體遭到泄漏。

同理，控制實驗室進風量也要達到理想的平穩響應時間，以此確保實驗室能夠始終維持標準的負壓，否則對通風柜的排風控制響應和防護就難以達到理想的效果。

氣流控制的獨特性還包括通風柜的風量控制能夠凸顯線性調節，并形成理想的調節比。在通風柜處于停止狀態的情況下，風量調節閥要把通風柜的排風值限調增至最小的狀態，這個時候通風柜的調節閥門就會處于最低開度，通風柜就會“值班”運行。在通風柜運行以后，通風柜調節門開度會變大，這種情況下風量調節閥要實時調整，以達到最理想的節能效果。通常，通風柜排風量的調節體為5∶1，若實驗室負壓風量達到了200 m3/h，那么實驗室在送風量方面的調節比就是9∶1，而傳統對開式風量調節閥無法形成這一比例。

3 通風柜面風速控制方案

實驗室通風氣流控制系統流程如圖1所示。

圖1 實驗室通風氣流控制系統流程

實驗室通風是實驗室設計中不可或缺的重要組成部分。為了使實驗室人員活操作不吸入或咽入一些有毒的、可致病的或毒性不明的化學物質和有機體，阻止一些蒸氣、氣體和微粒(煙霧、煤煙、灰塵和氣懸體)的吸收，所有污染物質都需要用通風柜、通風罩或局部通風等設備進行去除。通風柜在排風口處都會設有風量調節閥，主要容納了控制器、風量監控器等，能夠按照風量指標對調節閥門開度進行針對性的調整。閥體采用了椎體構件，里面裝設了不銹鋼彈簧，能夠按照系統壓力情況對閥門的打開程度進行調整，進而避免空氣流動量超標。同時，通風柜的上端都會設置傳感器與調節門開度傳感器，主要作用是在沒有專業人員時，能夠監管通風柜調節門的開度情況。通風柜安設于面板中，可收到傳感器和調節開門開度傳感器的信號，同時能夠把風量指令傳送到風量調節閥中。其中風量指令的運算方法為：Q風量=H×W×V×3 600(m3/h)。在本公式里，Q代表風量，單位為m3/h；H代表調節門高度，單位為m，是通過調節門開度傳感器進行監管；W代表調節門的寬度，單位為m；V代表面風速設定值，單位是m/s。若有專業的工作者監管傳感器，則取值0.5 m/s；若沒有專業的工作者進行監管，則取值0.3 m/s。

根據調節門的空氣流速在斷面上的平均布局，采取以上方式對面風速進行控制。通風柜調節門斷面上所有點的風速數據為：0.61 m/s，0.52 m/s，0.52 m/s，0.54 m/s，0.58 m/s，0.59 m/s，0.53 m/s，0.48 m/s，0.55 m/s，0.57 m/s，全部數據都達到了精度要求。

另外，通風柜在進行工作時，應盡量避免外部氣流對通風柜的影響。一般而言，如果實驗人員沒有關緊視窗，并在通風柜前來回走動，則帶起的氣流會影響到內部氣流的走向，進而引發氣流紊亂的現象，影響通風柜的排風性能。

4 系統的節能性分析

一般實驗室房間換氣頻率要不小于4次/h；有輕度污染的實驗室房間換氣次數宜為6次/h～8次/h；有大量污染的實驗室房間換氣次數宜為8次/h～12次/h，實驗室要在實際的通風設計和技能設計中對此保持高度重視。實驗室通風氣流控制系統節能性重點表現在以下方面：(1)系統主要采用了調試程度大的文丘里風量調節閥，能夠使系統在運行時很大程度地減少風量。該調節閥能夠達到20∶1的可調比，而變風量蝶閥可調比為5∶1～10∶1。風量少時，可調比不大的調節閥不能使風量控制達到理想的精度，特別是通風柜處于最低位置的情況下，運算偏差會超過150%，完全不具備安全性。所以，通風柜的風量為1 700 m3/h時，通過變風量蝶閥的最低風量務必要超過450 m3/h，才可讓通風柜面具有足夠的安全性，但文丘里調節閥只需達到300 m3/h便可。(2)應用UBC變風量控制方式。在沒有人使用通風柜面的情況下，系統能夠以最快的速度把通風柜的面風速從0.5 m/s下降到0.3 m/s，可減少系統運行風量，降低能源消耗。

例如，若通風柜的額定風量達到了1 700 m3/h，對比傳統風量、Phoenix變風量、UBC變風量的差異性。若運行實際情況是：(1)每天在早上8點到下午6點運行，每人每天使用通風柜的平均時間是3.5 h，在此期間通風柜處于最大位置，有將近一半的時間處于1/3位置，同時不關掉最小位置。(2)每天在下午6點到第二天上午8點運行，關閉通風柜最低排風位置。晚上實驗室每小時進行3次換氣。而在3種方式下的系統每天運行風量情況為：常規VAV系統白天為9 458.3 m3、晚上為6 300.0 m3、總風量為15 758 m3；PhoenixVA系統白天為9 233.3 m3、晚上為4 200.0 m3、總風量為13 433.3 m3；UBCVAV系統白天為8 100.0 m3、晚上為4 200.0 m3、總風量為12 300 m3。通過對比能夠了解到，和常規VAV系統相比，UBC變風量方式能夠減少22%的風量。因通風機運行功率和風量近似三次方具有密切的聯系，所以能夠達到特別理想的節能性。

另外，實驗室在具體的系統節能設計過程中，如果要滿足局部排風性能需求，就需要盡可能采取局部排風，而非傳統的全面排風。因為二者相比，局部排風的效率更高，與實驗室自身通風控制需求也具有比較高的契合性。具體的局部排風設計可以從以下幾個方面開展：首先，在高溫狀態實驗室中，實驗員可以在馬弗爐的排風設計上設計鋼材質的抽氣罩，從而避免高溫廢氣擴散造成破壞；其次，實驗室中的氣相色譜、液相色譜等常見的實驗室儀器通風設計可以采取局部的萬向抽氣罩設計，保障儀器中的廢棄能夠排出到室外；最后，在實驗室的配制溶液時，可以設置局部的通風柜，保證易揮發的實驗室溶劑不溢出到室內。

5 結語

隨著市場的需求、實驗室建筑日益增多，實驗室通風系統的能耗控制一直是實驗室行業懸而未解的難題。一個既能滿足工藝需求又能滿足舒適性需求的實驗室，能耗比普通辦公室高6～7倍(未考慮使用時間)，不重視控制的情況下，會形成比較大的能源損耗，不符合我國一直以來貫徹和落實的可持續發展戰略目標。因此，對于實驗室通風氣流控制系統而言，一定要確保實驗性運行的安全性和通風系統達到節能效果，這樣才可保證實驗工作的順利開展。為此本文對實驗室氣流控制系統的設計、控制措施和節能性進行了討論，并著重強調了實驗室氣流控制系統要具備高調節比和迅速響應的特性。而所取得的成果會在一定程度上讓實驗室氣流控制系統采用到最為合理的控制方式。