實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)氣流控制系統(tǒng)及節(jié)能技術(shù)探討

李曉麗，朱小社

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)工程是整個實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中規(guī)模最大、影響最廣泛的系統(tǒng)之一。通風(fēng)工程的完善與否，直接對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、實(shí)驗(yàn)人員的身體健康、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)等方面產(chǎn)生重要影響。實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)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(fēng)柜清除有害氣體。不過實(shí)驗(yàn)室普遍是以風(fēng)空調(diào)為主，會產(chǎn)生較多的通風(fēng)換氣量，而且需要很長的運(yùn)行時間，所以運(yùn)行狀態(tài)下的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)會耗費(fèi)大量的能源。為此要有效控制通風(fēng)氣流，以在確保實(shí)驗(yàn)室安全性的同時，提高能源使用率，達(dá)到最為理想的節(jié)能效果。

1 研究背景

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)是通過先進(jìn)的風(fēng)系統(tǒng)，不采用再循環(huán)空氣，這讓實(shí)驗(yàn)室的單位面積能耗高出了普民用建筑的范圍，而空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要是管控實(shí)驗(yàn)室空氣污染，并且會產(chǎn)生過多耗能。排風(fēng)柜屬于不可或缺的實(shí)驗(yàn)室局部排風(fēng)設(shè)備，其性能如何將直接決定對污染物的控制質(zhì)量，同時也會影響實(shí)驗(yàn)工作者的身體健康情況。為確保排風(fēng)柜的設(shè)計(jì)、測試等工作達(dá)到理想的效果，美國早在20世紀(jì)90年代就明確了 ANSI/ASHRAE110排風(fēng)柜標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了排風(fēng)柜的測試基本條件、面風(fēng)速測試及控制濃度測試等。該標(biāo)準(zhǔn)明確說明，排風(fēng)柜捕集污染物的性能是由排風(fēng)柜結(jié)構(gòu)、柜內(nèi)所使用的儀器設(shè)備(柜內(nèi)障礙物)、柜內(nèi)熱源、實(shí)驗(yàn)室氣流組織(送風(fēng)、排風(fēng)氣流組織)、實(shí)驗(yàn)人員的走動和門窗的開啟以及所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)口等決定。

有關(guān)專家通過實(shí)驗(yàn)就排風(fēng)柜前有站立假人和實(shí)際操作人員兩種情況下柜前污染物的泄漏量進(jìn)行了對比，同時還分析了人員活動路線能夠給柜內(nèi)污染物泄漏造成的干擾。結(jié)果證實(shí)：柜前若有操作者，會導(dǎo)致污染物的泄漏量上升60%，同時不管是假人還是真實(shí)的工作者，對排風(fēng)柜的影響沒有區(qū)別；當(dāng)人員活動路線與排風(fēng)柜操作窗的水平距離達(dá)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(fēng)柜。

2 實(shí)驗(yàn)室氣流控制特性

對實(shí)驗(yàn)室的氣流進(jìn)行控制關(guān)乎實(shí)驗(yàn)工作者的生命健康，所以一定要避免通風(fēng)柜的有害氣體泄漏，這也就意味著實(shí)驗(yàn)室氣流控制和以往的變風(fēng)量控制具有本質(zhì)上的差異。其中實(shí)驗(yàn)室氣流控制最突出的特性是要確保控制系統(tǒng)以最快的速度趨于平穩(wěn)，控制回路平穩(wěn)的響應(yīng)時間不可超過1 s。通常通風(fēng)柜排風(fēng)量會從350 m3/h上升到1 750 m3，一般情況下，從調(diào)節(jié)門轉(zhuǎn)移到通風(fēng)柜實(shí)際排風(fēng)量的跟隨，一共有0.6 s的響應(yīng)時間。若控制回路的平穩(wěn)響應(yīng)時間不穩(wěn)定，那么在調(diào)節(jié)門開度從高轉(zhuǎn)低以后，就會導(dǎo)致通風(fēng)柜里的氣流產(chǎn)生“混亂”，這種情況下，通風(fēng)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(diào)節(jié)門從低升高后，則會導(dǎo)致面風(fēng)速降低，最終就會使有害物體遭到泄漏。

同理，控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)風(fēng)量也要達(dá)到理想的平穩(wěn)響應(yīng)時間，以此確保實(shí)驗(yàn)室能夠始終維持標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)壓，否則對通風(fēng)柜的排風(fēng)控制響應(yīng)和防護(hù)就難以達(dá)到理想的效果。

氣流控制的獨(dú)特性還包括通風(fēng)柜的風(fēng)量控制能夠凸顯線性調(diào)節(jié)，并形成理想的調(diào)節(jié)比。在通風(fēng)柜處于停止?fàn)顟B(tài)的情況下，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥要把通風(fēng)柜的排風(fēng)值限調(diào)增至最小的狀態(tài)，這個時候通風(fēng)柜的調(diào)節(jié)閥門就會處于最低開度，通風(fēng)柜就會“值班”運(yùn)行。在通風(fēng)柜運(yùn)行以后，通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門開度會變大，這種情況下風(fēng)量調(diào)節(jié)閥要實(shí)時調(diào)整，以達(dá)到最理想的節(jié)能效果。通常，通風(fēng)柜排風(fēng)量的調(diào)節(jié)體為5∶1，若實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓風(fēng)量達(dá)到了200 m3/h，那么實(shí)驗(yàn)室在送風(fēng)量方面的調(diào)節(jié)比就是9∶1，而傳統(tǒng)對開式風(fēng)量調(diào)節(jié)閥無法形成這一比例。

3 通風(fēng)柜面風(fēng)速控制方案

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)氣流控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)氣流控制系統(tǒng)流程

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)是實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中不可或缺的重要組成部分。為了使實(shí)驗(yàn)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(xué)物質(zhì)和有機(jī)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(zhì)都需要用通風(fēng)柜、通風(fēng)罩或局部通風(fēng)等設(shè)備進(jìn)行去除。通風(fēng)柜在排風(fēng)口處都會設(shè)有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，主要容納了控制器、風(fēng)量監(jiān)控器等，能夠按照風(fēng)量指標(biāo)對調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行針對性的調(diào)整。閥體采用了椎體構(gòu)件，里面裝設(shè)了不銹鋼彈簧，能夠按照系統(tǒng)壓力情況對閥門的打開程度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而避免空氣流動量超標(biāo)。同時，通風(fēng)柜的上端都會設(shè)置傳感器與調(diào)節(jié)門開度傳感器，主要作用是在沒有專業(yè)人員時，能夠監(jiān)管通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門的開度情況。通風(fēng)柜安設(shè)于面板中，可收到傳感器和調(diào)節(jié)開門開度傳感器的信號，同時能夠把風(fēng)量指令傳送到風(fēng)量調(diào)節(jié)閥中。其中風(fēng)量指令的運(yùn)算方法為：Q風(fēng)量=H×W×V×3 600(m3/h)。在本公式里，Q代表風(fēng)量，單位為m3/h；H代表調(diào)節(jié)門高度，單位為m，是通過調(diào)節(jié)門開度傳感器進(jìn)行監(jiān)管；W代表調(diào)節(jié)門的寬度，單位為m；V代表面風(fēng)速設(shè)定值，單位是m/s。若有專業(yè)的工作者監(jiān)管傳感器，則取值0.5 m/s；若沒有專業(yè)的工作者進(jìn)行監(jiān)管，則取值0.3 m/s。

根據(jù)調(diào)節(jié)門的空氣流速在斷面上的平均布局，采取以上方式對面風(fēng)速進(jìn)行控制。通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門斷面上所有點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都達(dá)到了精度要求。

另外，通風(fēng)柜在進(jìn)行工作時，應(yīng)盡量避免外部氣流對通風(fēng)柜的影響。一般而言，如果實(shí)驗(yàn)人員沒有關(guān)緊視窗，并在通風(fēng)柜前來回走動，則帶起的氣流會影響到內(nèi)部氣流的走向，進(jìn)而引發(fā)氣流紊亂的現(xiàn)象，影響通風(fēng)柜的排風(fēng)性能。

4 系統(tǒng)的節(jié)能性分析

一般實(shí)驗(yàn)室房間換氣頻率要不小于4次/h；有輕度污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為6次/h～8次/h；有大量污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為8次/h～12次/h，實(shí)驗(yàn)室要在實(shí)際的通風(fēng)設(shè)計(jì)和技能設(shè)計(jì)中對此保持高度重視。實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)氣流控制系統(tǒng)節(jié)能性重點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：(1)系統(tǒng)主要采用了調(diào)試程度大的文丘里風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，能夠使系統(tǒng)在運(yùn)行時很大程度地減少風(fēng)量。該調(diào)節(jié)閥能夠達(dá)到20∶1的可調(diào)比，而變風(fēng)量蝶閥可調(diào)比為5∶1～10∶1。風(fēng)量少時，可調(diào)比不大的調(diào)節(jié)閥不能使風(fēng)量控制達(dá)到理想的精度，特別是通風(fēng)柜處于最低位置的情況下，運(yùn)算偏差會超過150%，完全不具備安全性。所以，通風(fēng)柜的風(fēng)量為1 700 m3/h時，通過變風(fēng)量蝶閥的最低風(fēng)量務(wù)必要超過450 m3/h，才可讓通風(fēng)柜面具有足夠的安全性，但文丘里調(diào)節(jié)閥只需達(dá)到300 m3/h便可。(2)應(yīng)用UBC變風(fēng)量控制方式。在沒有人使用通風(fēng)柜面的情況下，系統(tǒng)能夠以最快的速度把通風(fēng)柜的面風(fēng)速從0.5 m/s下降到0.3 m/s，可減少系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量，降低能源消耗。

例如，若通風(fēng)柜的額定風(fēng)量達(dá)到了1 700 m3/h，對比傳統(tǒng)風(fēng)量、Phoenix變風(fēng)量、UBC變風(fēng)量的差異性。若運(yùn)行實(shí)際情況是：(1)每天在早上8點(diǎn)到下午6點(diǎn)運(yùn)行，每人每天使用通風(fēng)柜的平均時間是3.5 h，在此期間通風(fēng)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(guān)掉最小位置。(2)每天在下午6點(diǎn)到第二天上午8點(diǎn)運(yùn)行，關(guān)閉通風(fēng)柜最低排風(fēng)位置。晚上實(shí)驗(yàn)室每小時進(jìn)行3次換氣。而在3種方式下的系統(tǒng)每天運(yùn)行風(fēng)量情況為：常規(guī)VAV系統(tǒng)白天為9 458.3 m3、晚上為6 300.0 m3、總風(fēng)量為15 758 m3；PhoenixVA系統(tǒng)白天為9 233.3 m3、晚上為4 200.0 m3、總風(fēng)量為13 433.3 m3；UBCVAV系統(tǒng)白天為8 100.0 m3、晚上為4 200.0 m3、總風(fēng)量為12 300 m3。通過對比能夠了解到，和常規(guī)VAV系統(tǒng)相比，UBC變風(fēng)量方式能夠減少22%的風(fēng)量。因通風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率和風(fēng)量近似三次方具有密切的聯(lián)系，所以能夠達(dá)到特別理想的節(jié)能性。

另外，實(shí)驗(yàn)室在具體的系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，如果要滿足局部排風(fēng)性能需求，就需要盡可能采取局部排風(fēng)，而非傳統(tǒng)的全面排風(fēng)。因?yàn)槎呦啾龋植颗棚L(fēng)的效率更高，與實(shí)驗(yàn)室自身通風(fēng)控制需求也具有比較高的契合性。具體的局部排風(fēng)設(shè)計(jì)可以從以下幾個方面開展：首先，在高溫狀態(tài)實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)員可以在馬弗爐的排風(fēng)設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)鋼材質(zhì)的抽氣罩，從而避免高溫廢氣擴(kuò)散造成破壞；其次，實(shí)驗(yàn)室中的氣相色譜、液相色譜等常見的實(shí)驗(yàn)室儀器通風(fēng)設(shè)計(jì)可以采取局部的萬向抽氣罩設(shè)計(jì)，保障儀器中的廢棄能夠排出到室外；最后，在實(shí)驗(yàn)室的配制溶液時，可以設(shè)置局部的通風(fēng)柜，保證易揮發(fā)的實(shí)驗(yàn)室溶劑不溢出到室內(nèi)。

5 結(jié)語

隨著市場的需求、實(shí)驗(yàn)室建筑日益增多，實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的能耗控制一直是實(shí)驗(yàn)室行業(yè)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(shí)驗(yàn)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(shí)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，對于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)氣流控制系統(tǒng)而言，一定要確保實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行的安全性和通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能效果，這樣才可保證實(shí)驗(yàn)工作的順利開展。為此本文對實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制措施和節(jié)能性進(jìn)行了討論，并著重強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)要具備高調(diào)節(jié)比和迅速響應(yīng)的特性。而所取得的成果會在一定程度上讓實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)采用到最為合理的控制方式。