某有機化學實驗室項目通風空調系統設計

吳玲紅

(華東建筑設計研究院有限公司,上海)

0 引言

隨著科學技術的不斷發展,越來越多的科研機構、高等院校和生產企業通過科學實驗來提升科學技術能力和發展生產力,各類實驗室在科學研究中的重要性越來越大。

實驗室是用于從事科學研究和實驗工作的場所,按照學科可以分為生物、化學、物理等實驗室。化學實驗室在進行化學實驗時會產生有毒有味氣體,這些氣體會給實驗環境造成污染,給實驗人員造成危害,所以通風系統在實驗室項目設計中很重要。有機化學實驗室根據功能可以分為合成實驗室、分析儀器實驗室等,不同功能的實驗室通風量、室內溫濕度等要求不同,應采用合理的通風空調系統。

本文結合實際工程,介紹了合成實驗室和分析儀器實驗室的通風空調設計,并對這2個不同功能實驗室的通風空調系統進行了分析和比較,希望給實驗室項目的通風空調系統設計提供一些參考。

1 工程概況

該工程位于上海,其標準有機化學實驗大樓共9層,除1層為門廳、機房、會議等功能用房,2～9層均為實驗室功能樓層。每個實驗室樓層中,有9間合成實驗室、3間分析儀器實驗室。每間合成實驗室面積約為70 m2,每間分析儀器實驗室面積約為40 m2。實驗室標準層平面圖見圖1。

圖1 實驗室標準層平面圖

該項目建設階段并不能確定實驗室具體使用者,故實驗室工藝根據統一要求進行設置,滿足未來不同科研機構的入駐使用要求。

合成實驗室及其辦公室組成1個實驗組,辦公室為進行實驗的科研人員辦公的房間。合成實驗室內以設置排風柜為主,排風柜數量較多,房間通風量大,儀器設備不多,室內溫濕度要求不高。

分析儀器實驗室中排風柜數量不多,房間通風量不大,但房間內有較多的儀器設備,對溫濕度有一定的要求,并有一定的儀器設備發熱量。

不同功能的實驗室內部配置的實驗設備不同,對室內環境的要求也不同,通風空調系統的設計采用了不同的考慮。合成實驗室夏季室內設計參數為干球溫度28 ℃、相對濕度65%,室內負荷不大,室內溫濕度要求不高,新風經冷熱等處理后送入房間,房間內不另設空調末端;分析儀器實驗室夏季室內設計參數為干球溫度24 ℃、相對濕度60%,室內儀器設備負荷較大,新風經冷熱等處理后送入房間,房間內需另設空調末端。

2 實驗室通風量的確定

有機化學實驗室排風量根據實驗室內的排風柜、藥品柜、肘狀排風罩等設備的排風量要求確定,同時應滿足實驗室換氣次數要求。實驗過程一般有污染物產生,要求房間為負壓,新風量根據排風量及房間負壓要求計算確定。

2.1 排風量的確定

該項目合成實驗室和分析儀器實驗室配置的通風設備及排風量見表1。

表1 實驗室設備及風量

根據實驗室相關規范和標準,有污染物產生的實驗室換氣次數不應小于6 h-1[1]9。實驗室通風系統夜間按最小風量運行,合成實驗室最小排風量大于滿足換氣次數要求的排風量,不另設房間排風口,每間房間總排風量為10 280 m3/h。分析儀器實驗室另設置房間排風口,按換氣次數計算風量為720 m3/h,每間房間總排風量為2 180 m3/h。可以看出,不同功能實驗室的排風量差異較大。

2.2 新風量的確定

有機化學實驗室內均考慮有放散污染物質,因此房間需保持相對于相鄰走道或房間5～15 Pa的負壓值[1]6。新風送風量經風平衡計算得出,式(1)為風平衡計算公式。

Gs=Gp-Gr

(1)

式中Gs為新風送風量,m3/h;Gr為通過門窗縫隙流入的風量,m3/h;Gp為機械排風量,m3/h。

該項目計算中實驗室壓力為-10 Pa,相鄰的辦公室壓力為5 Pa,考慮到風壓作用,室外壓力取5 Pa。通過門窗縫隙流入風量包括內門和外窗兩部分,需計算確定。

通過門窗縫隙流入的風量與門窗的特性有關,各種參考文獻中有多種計算方式,該項目通過比較,參考潔凈廠房通風空調常用的方式,按縫隙法進行計算。

1) 通過內門流入的風量Gr1：

(2)

式中CD為排放系數,一般取0.4～0.6;A為縫隙面積,m2;Δp為縫隙處壓差,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3。

計算條件及結果見表2。

2) 通過外墻窗縫流入的風量Gr2與幕墻性能有關,參考GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》

表2 內門流入風量計算條件及結果

中表7(圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量)的數據,在壓差15 Pa的條件下,單層固定密閉鋼窗單位長度滲透風量為1.3 m3/(m·h),單層可開啟式密閉鋼窗單位長度滲透風量為6.0 m3/(m·h)。

該項目合成實驗室和分析儀器實驗室外墻條件相同,固定窗的窗縫長度為19.2 m,可開啟外窗的窗縫長度為12.8 m。經計算,每間實驗室Gr2為102 m3/h。

3) 根據上述計算,每間合成實驗室新風送風量為9 815 m3/h,約為排風量的95%;每間分析儀器實驗室新風送風量為1 715 m3/h,約為排風量的80%。

因不同實驗室排風量差異較大,而滲透風量與門窗性能和參數有關,相對變化較小,若該項目的2個實驗室的內門和外窗參數一致,流出風量相同,則新風量的確定不能簡單取經驗系數,尤其是對于排風量較大的實驗室,應通過計算確定。若新風量偏小,會使實驗室內負壓加大,增加與辦公室之間的門縫流入的空氣量,引起對辦公室室內環境的不利影響。

2.3 通風系統設計和系統風量的確定

合成實驗室和分析實儀器驗室設計要求不同,風量差異較大,室內溫濕度要求不同,故分別設置新排風系統。

該項目新風系統和排風系統按樓層設置,9間合成實驗室合用1套新排風系統,3間分析儀器實驗室合用1套新排風系統,新風機組設置在該層空調機房,排風機設置在大樓屋頂(見圖1)。

合成實驗室通風系統負責的實驗室數量比較多,且每間實驗室排風柜數量多,系統連接的排風柜數量較多(共連接了36臺1.5 m寬排風柜和18臺3.0 m寬排風柜),風量很大,計算系統風量時有必要考慮同時使用系數。在確保實驗室安全、正常使用的前提下,一般合用系統的同時使用系數為0.6～0.8[2]。結合使用方提供的已建成的規模相近的實驗樓使用情況和該項目系統連接排風柜數量等情況,經論證分析,系統同時使用系數取0.65。經計算,排風系統風量為60 100 m3/h,新風系統風量為57 400 m3/h。

分析儀器實驗室排風設備較少,每樓層實驗室數量也較少,故系統風量不考慮同時使用系數。經計算,排風系統風量為6 540 m3/h,新風系統風量為5 145 m3/h。

實驗用排風柜在實際使用中,存在不同時使用的情況,對于連接排風柜數量較多的合用系統,系統風量計算時應考慮一定的同時使用系數。選取合理的同時使用系數確定排風系統和新風系統的風量,在確保系統正常運行的前提下,可相對減小冷熱負荷,降低冷熱源設備的配置和造價,并與確定空調機房面積、風井尺寸、樓層凈高等土建條件相關。

2.4 通風系統匯總

綜合上述計算,合成實驗室和分析儀器實驗室通風量匯總見表3。

表3 實驗室通風量匯總

2.5 其他考慮

根據建筑平面布置條件及使用方類似項目的運維經驗,該項目每個樓層的合成實驗室合用1套排風及新風系統。每個排風系統風量較大、連接排風柜數量較多。為提高系統可靠性,排風系統采用2臺排風機并聯運行,單臺風機風量為計算風量的50%,當1臺風機故障時,系統仍能運行,保證部分實驗室排風柜可以正常工作,確保實驗安全。

每個樓層的合成實驗室合用1套通風系統,簡化了系統管線、節省了樓層空調機房面積及屋頂通風和過濾設備的安裝面積等,節省了初投資,但系統運行和控制的復雜性也相應增加,因此除了加強控制系統的優化設計之外,后續計劃在實施、調試及運行過程中,配合調試單位和使用方,對排風柜的使用情況及通風系統運行控制情況要進行測試,并作好相關總結。

3 新風空調負荷

由于實驗室新風系統風量很大,有機化學實驗室新風負荷占空調總負荷的比例很大,新風負荷計算中進出風參數如何確定也值得研究,既要滿足使用要求,又要適當考慮節能性。

1) 室內狀態點。

合成實驗室內除了排風柜,無儀器設備,室內溫濕度要求不高,新風經處理后送入房間,房間內不另設空調,新風處理至房間等比焓點。

分析儀器實驗室有較多的儀器設備,室內設備負荷較大,除新風處理后送入房間外,另設置多聯式空調系統,處理室內余熱。由于儀器設備對室內溫濕度有一定要求,故新風處理到室內等含濕量點,除濕后再送入房間。

2) 室外狀態點。

根據文獻[1],對于實驗室室外計算參數,當計算冬季通風耗熱量時,采用冬季供暖室外計算溫度;當計算夏季通風系統冷卻量時,宜采用夏季通風室外計算溫度,但對于室內要求較嚴格的工程,可以采用夏季空調室外計算溫度。

該項目設計初期出于節能和節省初投資的考慮,采用通風溫度計算空調冷負荷。但是采用通風溫度進行計算,保證率相對較低,根據業主和使用方反饋的已建成實驗室的使用情況,普遍反映高溫天氣實測實驗室溫度偏高,實驗室內部存在結露等問題。故該項目計算中采用了夏季空調室外計算溫度。

3) 新風空調負荷。

合成實驗室和分析儀器實驗室新風冷負荷見表4。

表4 實驗室新風冷負荷

實驗室新風冷負荷指標很大,該項目總冷量是常規項目的2～3倍。從表4可以看出,合成實驗室和分析儀器實驗室處理過程不同,單位風量冷負荷的差異比較大。對于要求比較低的實驗組,可以處理到室內等比焓點;對于要求較高的分析儀器實驗室,處理到室內等含濕量點,新風除濕后再被送入房間。

不同要求的實驗室采用不同的送風參數,能較好地滿足室內要求,也能適當減小冷負荷,降低初投資,節省運行費用。

4 通風系統控制

合成實驗室通風系統為變風量系統。實驗室變風量控制系統主要由變風量控制閥、定風量閥、控制器、風機變頻器、主風管內壓力傳感器等組成,新風系統與排風系統聯動控制,變風量運行工況和最小風量工況下,均須保證房間負壓要求。

以該項目合成實驗室通風系統為例,排風系統控制主要內容和邏輯為：連接每個排風柜的排風管上均設置變風量控制閥,通過柜門上的位移傳感器或風速傳感器、紅外探測器等檢測儀器,控制變風量控制閥的開度;連接藥品柜的排風管上設置定風量控制閥,24 h開啟;排風主風管上設置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制排風機變頻運轉。新風系統控制主要內容和邏輯為：接至每個房間的新風管上設置變風量控制閥,該控制閥開度通過房間排風量進行控制;新風送風主風管上設置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制新風機組風機變頻運轉。

合成實驗室通風系統控制原理如圖2所示。

為使排風柜面風速穩定并達到排風量要求,每個排風柜均設置位移傳感器或風速傳感器。風速傳感器對排風柜入口處的氣流穩定性要求比較高,若有氣流干擾會導致測量偏差。對于排風柜設置密度較高的實驗室,排風量和相應補風量都很大,很難完全避免氣流干擾,因此推薦采用位移傳感器。位移傳感器實測排風柜拉窗的開啟高度,控制器根據此開啟高度和柜門寬度及設定面風速計算排風量,以此來控制變風量控制閥的開度。同時采用紅外探測器,檢測排風柜前是否有人員存在,當排風柜前有人時將面風速設為0.5 m/s,排風柜前沒人時將面風速設為0.3 m/s,這樣既安全、又節能。

圖2 合成實驗室通風系統控制原理示意圖

另外,為使排風系統達到良好的控制效果,排風柜變風量控制閥應能快速響應,并快速穩定地控制排風柜入口面風速,且變風量閥為壓力無關型,保證系統多個排風柜同時運行時,各自獨立調節,無相互干擾。實驗室控制系統應對排風柜或實驗室內任何送、排風量的變化都能在響應時間內達到新的風量平衡,從而保證實驗室內負壓穩定。

分析儀器實驗室排風柜數量不多,一般不采用變風量系統,排風機和新風空調箱風機變頻,夜間低速運行,保證最低通風換氣量要求。

5 結論

有機化學實驗室通風量應結合工藝設備排風量要求計算來確定,不同功能的有機化學實驗室通風量差異較大;新風量應根據排風量和室內負壓情況進行計算,不同功能實驗室的新排風比例差別較大。對于連接通風柜數量較多、風量較大的通風系統,應考慮一定的同時使用系數。

不同功能實驗室的通風量差異大且室內溫濕度要求不同,系統應分開設置,且新風系統應合理選取空氣處理點,既滿足室內環境要求,也能減小冷負荷,節省初投資及運行費用。

不同功能實驗室控制要求不同,合成實驗室通風系統為變風量系統,新排風系統聯動,除了控制策略,控制系統的快速響應是保證實驗室房間負壓穩定的要素。

本文討論的實驗室為該項目2種標準配置的實驗室,還有很多不同配置的實驗室,其通風空調系統應結合具體的工藝要求進行設計。

另外,實驗室通風空調是一個系統工程,還有很多需要關注的內容,如實驗室內的氣流組織、設備發熱量、排風廢氣處理及排風系統設備材料防腐等,這些都是與實驗室通風空調系統相關的重要因素。