國標圖集《化學實驗室通風系統(tǒng)設(shè)計與安裝》詳解

張 兢 孫永霞

(中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司,北京)

1 圖集介紹

1.1 立項背景

科技是國家強盛之基,創(chuàng)新是民族進步之魂。2015年,習近平總書記在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》的說明中首次提出要以國家目標和戰(zhàn)略需求為導向,瞄準國際科技前沿,布局一批體量更大、學科交叉融合、綜合集成的國家實驗室。隨著國家目標和戰(zhàn)略的需求,我國投入大量的經(jīng)費到實驗室建設(shè)中,從而使實驗室建設(shè)項目數(shù)量激增,其中化學實驗室的建設(shè)比例最大。

化學實驗室是提供化學科學研究和實驗教學的重要場所,分布在多個行業(yè),如石油石化、醫(yī)藥、海關(guān)、質(zhì)檢、醫(yī)療、疾控、科研院所、高等院校等。相關(guān)標準更新速度較緩慢,不能很好地適應化學實驗室快速建設(shè)發(fā)展的需要。同時,化學實驗室作為能耗大戶,節(jié)能減排也成為必然趨勢。及時總結(jié)我國化學實驗室建設(shè)和管理的發(fā)展成就、經(jīng)驗及不足,已成為非常重要且迫切的工作。

2020年6月,由同濟大學、中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司、同濟大學建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司共同承擔了國標圖集22K523《化學實驗室通風系統(tǒng)設(shè)計與安裝》的主要編制工作。

1.2 圖集適用范圍

該圖集適用于新建、改建和擴建的科研機構(gòu)、高等院校、醫(yī)療機構(gòu)等化學實驗室的室內(nèi)環(huán)境污染控制。其他行業(yè)、企業(yè)的化學實驗室、化驗室及中等職業(yè)學校教學實驗室等,當與該圖集使用條件一致時可參考相關(guān)內(nèi)容。

該圖集不適用于生物實驗室。

1.3 圖集主要內(nèi)容

該圖集為新編圖集,包含以下幾方面主要內(nèi)容:實驗室工藝布置平面示例、化學實驗室通風系統(tǒng)設(shè)計和典型案例(圖集編入了4種化學實驗室的典型通風系統(tǒng)流程圖及與之對應的4種典型通風系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)策略、控制原理圖。圖集中所給出的5個典型示例既能覆蓋五大氣候分區(qū),也已包含最常用的各種通風系統(tǒng))、局部排風設(shè)備選用與安裝、風閥與其他設(shè)備選用與安裝、實驗室運行維護管理要求及附錄。

2 圖集詳細解讀

2.1 化學實驗室現(xiàn)狀及問題

圖集編制工作啟動前,編制團隊對企業(yè)及科研單位的化學實驗室進行了實地調(diào)研,并對排風柜的制造企業(yè)進行了實地考察。針對化學實驗室的使用現(xiàn)狀進行了較深入的摸底。

據(jù)了解,使用單位普遍反映的問題是實驗室使用過程中排風柜氣味外溢很明顯,使用之后室內(nèi)異味很久都不能清除。

實驗室是教學、科研的重要基地,實驗室的安全管理是實驗室正常運行的基本保證。為了更好地使實驗室為教學和科研服務,實驗室的安全問題應排在第一位。該圖集重點解決實驗室排放物對室內(nèi)外環(huán)境造成的安全隱患問題。

2.2 圖集解決思路

2.2.1從前期化學實驗室的工藝布置入手

1) 化學實驗室工藝布置的重要性。

化學實驗室工藝布置包括人員及物品的流線,各種實驗家具,局部排風設(shè)備,必備的應急設(shè)施,實驗用易燃、易爆、極低溫、易泄漏等危險化學品的液體罐、氣體罐等,以及管道井等空間。

化學實驗室通風系統(tǒng)的好壞與工藝布置密切相關(guān),設(shè)計人員應從前期工藝開始介入配合,尤其要重點關(guān)注排風柜的布置位置。

2) 排風柜布置位置的合理性。

實驗室中的排風柜是一個專門設(shè)計的安全裝置,其主要作用是排風和換氣。實驗操作時會產(chǎn)生各種有害氣體、蒸汽、粉塵等污染物,為保證實驗室中有良好的室內(nèi)環(huán)境,使工作人員免受人身傷害,在污染源附近要設(shè)置排風柜。

現(xiàn)行行業(yè)標準JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標準》[1](以下簡稱《規(guī)范》1)第4.2節(jié)中有關(guān)于排風柜、實驗臺及實驗儀器設(shè)備之間的最小凈距要求,此處的凈距要求更側(cè)重于保證實驗工作的正常操作和人員的安全疏散,缺少對人員走動、排風柜之間氣流及實驗室內(nèi)氣流等對排風柜安全高效運行的影響等相關(guān)考量。

從眾多實際案例中可知,排風柜在工作狀態(tài)時,周邊人員的移動、相鄰排風柜的氣流干擾及實驗室建筑門窗等洞口形成的對流氣流都可能導致排風柜中有害氣體的外溢或外溢加劇。

《規(guī)范》1中的第4.1.14條“排風柜的設(shè)置應避開主要人流及主要出入口,并應避開送風口及外窗氣流的干擾”和第8.3.3條“實驗室排風柜應布置在不受氣流擾動的位置”、HG/T 20711—2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[2](以下簡稱《規(guī)范》2)中第5.4.3條“排風柜應布置于遠離人或物體頻繁經(jīng)過或移動的位置,且應避開從門窗流入的氣流”,這些規(guī)定的目的都是為了防止外界對排風柜氣流造成干擾,保證人員及環(huán)境的安全,但無相關(guān)數(shù)值規(guī)定,缺乏具體要求,對實際項目的操作沒有實質(zhì)性指導。

澳大利亞標準AS/NZS 2243.8:2014[3]對通用實驗區(qū)實驗臺、排風柜或?qū)嶒瀮x器設(shè)備等均有明確的工藝布置間距要求,且對土建的關(guān)鍵部位如門、窗等洞口距離排風柜的間距均給出了相關(guān)推薦值,如圖1所示。

該圖集采納并借鑒了澳大利亞標準AS/NZS 2243.8:2014,在實驗室工藝布置平面圖示例中劃出了排風柜操作柜門前的陰影“防干擾區(qū)”,供設(shè)計師在作實驗室工藝布置時參考,相關(guān)布置圖見圖2。

圖2 實驗室工藝布置平面圖示例

在此需要重點提示的是:

① “防干擾區(qū)”不得作為排風柜工作時的通道使用。當排風柜處于工作狀態(tài)時,非實驗操作人員應避免從“防干擾區(qū)”通過。

② 排風柜不得設(shè)置在實驗室門窗可能產(chǎn)生對流氣流的通道上。

③ 應保證排風柜距實驗室門窗等洞口間距的最小值。

2.2.2化學實驗室通風系統(tǒng)

1) 化學實驗室通風系統(tǒng)的選用。

化學實驗室通風系統(tǒng)有局部通風和全面通風兩部分內(nèi)容。除特殊要求必須獨立設(shè)置通風系統(tǒng)外,可根據(jù)排放物質(zhì)種類、安全性、運行操作、運行時間、設(shè)備數(shù)量、平面布置、室內(nèi)環(huán)境一致性等因素適當合并通風系統(tǒng)。

2) 同時使用系數(shù)的合理設(shè)定。

在化學實驗室通風設(shè)計中,通常采用一對多系統(tǒng)(即1臺排風機服務多臺末端排風設(shè)備或房間),選擇風機時會考慮同時使用系數(shù)。有關(guān)同時使用系數(shù)的取值,編制團隊查閱相關(guān)資料,在現(xiàn)行標準和規(guī)范中均未找到明確的數(shù)值規(guī)定。與一些設(shè)計院的專家交流時了解到,業(yè)內(nèi)設(shè)計師通常按照經(jīng)驗值0.7來選定。最終在確保實驗室安全、正常使用的前提下,該圖集給出合用系統(tǒng)同時使用系數(shù)的建議值為0.6～0.8。

3) 重點關(guān)注實驗室送風散流器的設(shè)置位置。

將排風柜放置在離送風口很近的位置時,可能會在排風柜柜門處產(chǎn)生交叉氣流或溫度梯度,造成亂流和可能的外逸。與圖2相同,現(xiàn)行標準對實驗室的送風口布置并未作出明確規(guī)定,僅《規(guī)范》2第5.4.4條規(guī)定“送風風口宜遠離通風柜前實驗區(qū),空氣流速不應干擾通風柜的排風氣流”。

國外的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明,在離實驗室排風柜至少1.5 m(5 ft)的地方設(shè)置適當大小的送風散流器,可以減少排風柜因交叉氣流和送風溫度變化而產(chǎn)生的湍流。該圖集第16頁的示意圖摘自加拿大標準MD 15128-2013 《Laboratory fume hoods: guidelines for building owners, design professional, and maintenance personnel》[4],如圖3所示。MD 15128-2013中將排風柜正面和側(cè)面大約1.5 m(5 ft)的距離定義為1個區(qū)域(無擴散區(qū),簡稱NDZ),提示設(shè)計師應避免在該區(qū)域放置送風散流器,除非散流器的送風不影響排風柜的性能,并且應避免在實驗室排風柜附近安裝出風速度較高的散流器。

圖3 實驗室送風散流器設(shè)置要求示意圖

如圖3所示,在無擴散區(qū)周圍確定了3個區(qū)域,擴散區(qū)1和擴散區(qū)2是設(shè)置送風散流器的首選位置。在排風柜柜門前的擴散區(qū)3設(shè)置散流器時應謹慎。

《規(guī)范》2第5.4.4條規(guī)定,干擾氣流流速不宜大于排風柜操作面風速的1/2,最好是1/5,即不受超過0.1 m/s的橫向氣流干擾。為了避免送風口的空氣流速對排風柜排風氣流的干擾,建議選用條縫型送風口、旋流式送風口、徑向或半球形孔板送風口。

需要注意的是,該圖集第8頁中所列的薄壁臺式、落地式、低臺式、補風型、自凈型排風柜,當2臺及以上排風柜并排布置時,柜與柜之間應留有不小于100 mm的間距。該要求是為了避免排風柜使用時彼此間的氣流干擾。

2.2.3局部排風設(shè)備及其他設(shè)備的選用

1) 國內(nèi)局部排風設(shè)備的現(xiàn)狀。

① 產(chǎn)品標準滯后。

國內(nèi)目前有關(guān)排風柜的產(chǎn)品標準有3個,分別為JB/T 6412—1999《排風柜》[5](以下簡稱《規(guī)范》3)、JG/T 222—2007《實驗室變風量排風柜》[6]、JG/T 385—2012《無風管自凈型排風柜》[7]。最新的產(chǎn)品標準距今也已有10年之久。尤其是《規(guī)范》3,年代過于久遠,其中對產(chǎn)品的外觀尺寸沒有具體要求,導致市場流通的接風管的排風柜產(chǎn)品實屬標準框架下的“非標產(chǎn)品”,更新時互換性差。

② 產(chǎn)品種類繁多,五花八門。

根據(jù)《規(guī)范》3可知,排風柜僅包含標準型、補風型、臺式和雙面式4種。但現(xiàn)有市場上流通的排風柜種類繁多,遠超出標準涵蓋的內(nèi)容。

③ 暫無產(chǎn)品相關(guān)的驗收檢測標準。

目前排風柜的生產(chǎn)企業(yè)只能向用戶出具制造檢測報告。由于國內(nèi)標準體系不完善,排風柜現(xiàn)場安裝完成后,對排風柜和通風系統(tǒng)的安裝測試無據(jù)可依。

2) 局部排風設(shè)備的選用說明。

對收集到的12家企業(yè)資料進行整理后發(fā)現(xiàn),各企業(yè)的命名存在很大差異。如垂直可視窗可落至地面高度的排風柜,有的企業(yè)命名為步入式,有的企業(yè)命名為走入式。再如柜壁相對較薄的排風柜,有的企業(yè)命名為節(jié)能型排風柜,有的企業(yè)命名為歐式排風柜。

在圖集編制過程中,首先對排風柜的種類進行分類和命名,將步入式和走入式統(tǒng)一命名為落地式,將節(jié)能型和歐式統(tǒng)一命名為薄壁型。其次,該圖集對收集到的各家企業(yè)產(chǎn)品資料分類整理,以量大面寬、通用性高的提取原則,形成各局部排風設(shè)備的外形尺寸表。最后采取合并同類項的方法,對參編企業(yè)的眾多產(chǎn)品進行梳理、匯總,給出同類型“多元”的性能參數(shù)表(即部分參數(shù)給出范圍值),供設(shè)計師參考。

該圖集中接風管的排風柜的排風量基于以下參數(shù)確定:

① 豎直型柜門開啟高度為457 mm或500 mm。

② 通用型排風柜的操作口設(shè)計面風速為0.5 m/s,高性能排風柜的操作口設(shè)計面風速為0.3 m/s。

③ 對于豎直型柜門開啟高度不是457 mm或500 mm的排風柜,或是采用水平型可視窗的排風柜,其性能參數(shù)應以實際選用企業(yè)的資料為準。

3) 其他設(shè)備的選用說明。

化學實驗室的通風設(shè)計不僅要保證室內(nèi)的環(huán)境安全,對于室外環(huán)境的保護同樣不容忽視。化學實驗室在實驗過程中產(chǎn)生的主要有害氣體可分為有機氣體和無機氣體,針對不同的氣體成分,該圖集的廢氣凈化裝置分為吸附法和吸收法2種方式。實際工程中應根據(jù)化學實驗室產(chǎn)生的廢氣成分、濃度大小及有無惡臭來選用不同的組合式廢氣凈化裝置。需要一再強調(diào)的是,無論采用哪種廢氣凈化裝置,最終排至大氣中的氣體,其污染物排放濃度及排放速率均要符合國家、地方及行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)污染物排放標準的要求。

此外,圖集中也給出圓錐形風帽和沖高風機的內(nèi)容,需要說明的是,兩者的使用前提均是其污染物的排放濃度等符合國家、地方及行業(yè)現(xiàn)行排放標準的要求。

2.3 節(jié)能環(huán)保的相關(guān)考慮

化學實驗室在運行中會產(chǎn)生有毒有害氣體,處理不當會造成人員身體損害和環(huán)境污染,因此化學實驗室的通風系統(tǒng)有高換氣次數(shù)、全新風運行、一定的房間壓差等要求,從而造成化學實驗室的通風和空調(diào)能耗遠大于一般建筑。

該圖集在解決實驗室環(huán)境安全之余,也在節(jié)能方面有以下幾點考慮:

1) 在“典型通風系統(tǒng)”部分,該圖集主推節(jié)能效果顯著的變風量控制系統(tǒng)。但考慮到仍有規(guī)模較小、通風末端集中啟停的工程,圖集的典型通風系統(tǒng)1仍給出定風量控制系統(tǒng)以滿足業(yè)內(nèi)需求。

2) 無風管自凈型排風柜雖然在使用中有一定的局限性,但只要在使用前通過安全評估適用性判定,其系統(tǒng)、控制簡單,初投資、運行費用較低的優(yōu)勢仍很明顯。因此,典型通風系統(tǒng)也增加了此種類型的系統(tǒng)。

3) 由于補風型排風柜是將一部分新鮮空氣直接補到排風柜內(nèi)部,易造成有毒有害氣體泄漏。因此,該圖集只推薦變風量控制系統(tǒng)而不推薦補風型定風量系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

國標圖集22K523《化學實驗室通風系統(tǒng)設(shè)計與安裝》從圖集立項到送審稿評審、送印,經(jīng)過多次編制組工作會及專家審查會,歷經(jīng)了近2年的時間,目前已由中國標準出版社正式出版。圖集作為工程建設(shè)的參考,可以從技術(shù)上規(guī)范、引導化學實驗室通風系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計,推動行業(yè)朝著良性有序的方向發(fā)展,為化學實驗室室內(nèi)環(huán)境的改善提供有力的技術(shù)幫助。望業(yè)界同仁能夠給予更多的關(guān)注,并提出寶貴的意見和建議。

4 致謝

圖集的編制工作得到了各界人士的關(guān)注,在技術(shù)條件審查會及送審圖審查會階段得到了眾多專家和同行的反饋意見,編制過程中也得到了同濟大學劉東團隊和同濟大學建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司楊木和團隊的鼎力支持,在此表示感謝!