化学实验室排风柜通风系统

实验室设计背景 
　　 由于本项目排风柜数量非常多，因此选择合适的实验室设计方案尤为重要。作为进行化学测试和实验的场所，实验室因其在保护实验人员健康安全以及保证实验顺利进行方面所起的重要作用而广受关注，其中排风柜又是实现这些功能的关键设备。设计实验室通风空调系统的首要原则是建筑内人员的安全，而在维持一个安全舒适的室内环境的同时，如何减少能耗对于排风柜密集程度较大的实验是一个很大的课题。 
　　 过去三十年内，在排风柜设备选型、系统设计及控制方面有过广泛的讨论，技术也日趋成熟，主要体现在变风量通风空调系统(VAV)与排风柜的有效结合以及相应控制技术的提高。 
　　 相对于其它领域，实验室运用VAV技术起步相对较晚，究其原因主要是因为在对排风柜采用变风量系统的同时，对房间压力和温度进行有效控制显得相当困难。下面就排风柜及VAV系统的应用与控制分别论述。 
　　 
　　实验室通风设计的几种常见理念比较分析 
　　 在本项目选定通风设计方案之前，做了一些常见理念的比较和研究。排风柜的选择、设计及气流控制是实验室通风空调系统设计的关键。在设计理念方面，由于对安全和节能等原因的要求越来越高。理念也逐渐发生变化 
　　单独式排风转向集中式排风 
　　 所谓单独式排风就是每一个排风柜都带有一个风机，风机可以采用变速的，安装于屋顶或者远离实验区域的风机房内。因为在这种排风系统中，单股气流不会和其他气流相互影响，排风机关闭也只影响到一个排风柜，所以非常适用于那种排风柜不多的小型实验机构。由于本项目有170台通风柜，规模比较大，如果选择这种方案显然有很大的弊端。此种系统以增加费用以及占据地面空间为代价，垂直管道过多影响建筑功能与外观，而且风机总体效率低，数量众多也使得日常维护成为一个不容忽视的问题。同时，排风中能量回收较为困难。集中式排风的优点渐渐显露。它采用多个排风柜共用一个风机及排风管的方法，尽管由于化学品的混合可能会有潜在的危险，一个风机发生故障也可能会影响到好几个排风柜，但这些问题已经可以有效得以避免。同时，这种系统可以较好地对污染物进行稀释，能耗低，热回收方便，更为重要的一点是，它相对于独立式排风系统，具有极好的灵活性，有利于将来实验设备的移动或者添加，在本项目中得到应用。 
　　补风型排风柜 
　　 补风型排风柜在过去一度受到青睐，主要基于两方面的考虑：首先是安全性，因为它用送风冲刷呼吸区并带走污染物；其次是节能性，因为补风(最高可达70％)不必处理即可送至柜前，从而省去了大量空调能耗。但实验及研究表明，补风型排风柜在这两个方面都无法达到人们预期效果。首先，补风型排风柜引入了大量补风基本上很少和室内空气混合而直接被吸走，这就使得房间内其它空间区域可能存在的污染物只能通过少量的送风进行稀释，这本身减少了安全性，而且柜前补风会严重影响柜面处的气流，扰动加剧，很可能导致有害物溢出。而由于采用柜内排风，通过柜面的风量减少导致风速下降，后果更为严重，一般不建议采用。其次，最初的节能是考虑不对新风处理这一前提而提出的。但文献【1】指出为了确保温度的一致性和操作者的舒适性，补风温度和房间温度差值应小于3℃，这一要求使其节能性不复存在。另外，一般的补风型排风柜都会在操作者头部、肩部引起吹风感，使人感到不适，而且补风在冷表面上还会出现结冷凝水的情况。 
　　定风量排风柜 
　　 对于定风量(CAV)型的排风柜，其排风量近似恒定，即排风量不随排风柜拉门位置，柜前有、无人员操作改变。其缺点在于操作门拉下以后，速度在面积较小的情形下会达到很大，这种难以控制的高速气流会造成气流短路，贴附底面直接抽走，污染物在某个角落发生积聚，一方面没有有效地对柜内污染物稀释，另一方面，直接造成能量浪费。改进后的旁通型排风柜通过设置旁通百叶，尽管理论上可以保持一定的风量和风速，但是实际上这种只是相对意义上的恒定。由于实验室采用的全新风，所以新风处理能耗相当大，而在确保安全、舒适的工作环境的前提下，尽可能减少排风量毫无疑问是节能的最佳途径。因此变风量排风柜应运而生。 
　　变风量系统 
　　 变风量(VAV)系统控制作为本项目的最终选择，有着明显的优势和先进性。下面就VAV系统的一些显著的特点和优势进行分析。 
　　 一个理想的实验室气流流向应该是从送风口送出的气流通过与室内空气的混合带走室内热湿负荷，最后通过排风柜抽走，但是事实上在各种因素的作用下这很难实现。通常认为，排风柜性能是和柜面气流的平均风速(简称面风速)有直接关系。VAV系统设计的出发点就是为了确保稳定的面风速。JG/T222-2007标准中规定0.5m／s为安全操作的理想面风速。 
　　 变风量排风柜性能参数详见下表 　　
　　排风 
　　 实验室排风主要来源于排风柜的排风。在VAV中，排风柜排风量通常可以通过两种方式确定，即监测排风柜门位置或者监测面风速的大小。因为监测柜门位置可以达到较为精确的水平，因此前者原则上可以通过调整排风量确保恒定面风速，但是它没有考虑到其它类似于人员站在柜前等同样会影响面风速的因素。 
　　 面风速控制环路示意图详见下图 
　 在排风柜排风中还要注意以下几个问题： 
　　 (1) 每个排风柜必须有最小排风量， 以确保在柜门拉至最小时，对柜内气体可以进行足够的稀释，防止柜内有害气体浓度过高，以致再次开启柜门时发生危险。国内一般标准为200m3／h。 
　　 (2) 屋顶排放速度：出口速度保证有效排放高度，并且可以防止雨水进入。如果速度过小，可以采用屋顶旁通或者改变管径的方式保证一定的排放速度。一般认为，15m／s的排放速度可以满足要求。除了排风柜排风外，实验室排风还包括工艺排风和室内辅助排风，三者之和即是实验室总排风量。 
 (3) 屋顶排放高度：要求高出屋顶高度3米。 
　　 (4) 屋顶排放浓度：要求经过中效及活性炭过滤后进行排放。满足大气排放标准。如遇酸性气体，则需要考虑化学过滤器装置在排风箱中。如气体有爆炸危险性，则排风机要考虑对应的防爆等级进行选型。 
　　送风 
　　 在实验室通风空调系统中，送风量的确定很大程度上不是由室内负荷决定的，而是由排风量决定。如前所述，通过负压控制确保安全是实验室通风空调的首要任务。目前广泛采用的就是设置压差传感器，保持设定压差，这种控制方式对传感器的精度要求相当高，在实际运行中很难保证任何时刻的压差恒定。必须指出，并非传感器精度和灵敏性越高，控制效果就越好。因为实际过程中往往会有各种瞬时外界因素干扰气流，影响室内静压，如果过于灵敏，反而会出现与期望值相反的结果。另外，新风吸入口的选择也须十分谨慎，首要原则就是尽可能远离排风口，其次新风口位置也不能太低，由于地面活动如一定范围内的汽车尾气浓度和灰尘颗粒浓度较高，不仅影响实验室内的空气品质和实验室安全，也缩短了过滤器的使用寿命。 
　　房间压差的控制 
　　 压力控制主要有两种方法：直接压差控制法和余风量控制法。直接压差控制法即通过压差传感器测量室内与参照区域的压差，与设定的压差进行比较后，控制器根据偏差调节送风量（或排风量）进行控制，从而达到要求的压差。此种压力控制法为反馈控制。系统响应时间长，控制精度低。另外一种为余风量控制法。实验室的送风量与排风量之间保持一定的风量差（称为余风量），必然会导致实验室内外产生一定的压差。当室内总送风量大于室内排风总量时，空气通过房间的围护结构缝隙排出，与相邻房间建立起正压，避免环境中的污染进入室内。反之，当房间送风总量小于排风总量时，空气通过相邻房间或者室外进入室内，室内形成负压，此类负压系统是为了保证环境的安全，保证未经过处理的污染物不会流向室外，余风量控制法的有点事压差控制准确，系统波动小，平衡相对迅速。下图所示为直接压差控制阀的示意图 
　　
　　影响因素 
　　参差性 
　　 有人认为VAV系统复杂，控制维护费用昂贵，在实验室未必值得推广。但是实际上VAV除了可以通过控制面风速提供CAV无法确保的安全性外，还可以在考虑参差性的基础上大大缩减系统规模，减少设备容量，提高运行效率。参差性是由各时刻每个柜门的位置决定的，它与操作者工作量、研究目的以及操作习惯有关。随着实验室规模的不断扩大，精确预计参差性不仅对初投资十分重要，同时也直接影响了通风系统的稳定性。美国学者John．0．Vadey在对美国西部某实验室中56个排风柜的使用情况进行了一个月的观察和记录，结果表明一个月中每一天的使用时间并没有太多规律，但是从每天各时段的使用情况却可以找出一定的规律， 比如John．0．Vadey得出的结论是早上九点和下午一点左右是两个使用高峰期。 
　　送风气流 
　　 在所有影响排风柜的外部因素中，送风气流是最为重要的一个方面。它主要体现在送风气流到达排风柜柜面处的速度大小，而影响这一数值的包括送风速度、送风口布置和形式。一般认为，这一数值以不大于设定面风速的20％为宜。而送风口一般布置于离排风柜较远的另一侧，其形式多采用孔板式。 
　　围护结构 
　　 实验室的特殊功能以及相应的极为严格的压力控制使围护结构的密封性能比传热性能更为重要。实验室的门窗数量必须加以限制以提供一个相对不易渗漏的结构。无窗、密封性好的墙体以及尽可能少的门可使得压力控制和相关污染物控制更加容易实现。 
　　柜门移动 
　　 柜门的移动速度确实会对柜的性能产生影响，即对柜门处气流产生扰动，移动越快，扰动越大；设定面风速越高，扰动影响就越小。柜门移动速度还和控制器反应时间有关。VAV控制器所需的反应时间根据柜门移动的速度而定，反应时间较短的VAV控制器因为在柜门开启时可以迅速做出风量调整，从而使风速下降不至于过大，柜门移动的影响也可减小。在不进行操作的时候，实验人员应该将柜门拉至最下方，一方面增加安全性，同时也可以节省能耗。 详见下图： 
　　
　　房间门的开启以及人员走动 
　　 在门打开时进人房间的气流会和送风气流一样影响排风柜的性能，特别是在实验室送风量很小的场合，人员在柜前的走动所诱导的气流同样如此。如果柜内有剧毒或者强刺激性气体，那么即使作用时间很短，危害也是相当的大。 
　　几种典型模式下的控制 
　　有人时控制模式和无人时控制模式 
　　 通常为节省大量能量，就要采取有人／无人两种模式运行。当柜前没有操作人员时，面风速可以下降(如由0．5m／s降至0．3m／s)，但是风速降低必须充分基于安全性考虑。房间每平米不得少于25m3/h的排风量。有人或者无人模式的确定有很多方式，以前较多采用的是手动控制和利用实验室内照明的自动控制，但是后者对于某些光感实验就不太适用， 目前本项目用得的是利用红外遥感监测技术。 
　　紧急情况控制模式 
　　 排风柜排风管道不允许安装防火阀，一旦发生火灾，控制模式应该让排风柜的排风系统一直处于工作状态， 以排出有害气体，而且风速可以超过有关标准。 
　　夜间通风控制模式 
　　 化学实验室一般来讲晚间是不进行实验的，因此控制模式只要保持最小排风量，确保对排风柜内物品可能排放的有害气体稀释就可以了，当然走廊、实验室、排风柜之间的压差还是需要保持的。因此我们在设计方案中考虑夜间模式换气量减半。 
　　结论 
　　 随着我国实验室的现代化、大型化的发展趋势，实验室的设计思路与排风柜的型式发生了很大变化。由于实验室可能含有有毒物、有害微生物、辐射物以及其它危险，应当特别强调整个空调系统设计应该为实验者提供一个安全、舒适的工作环境，而且应该与所有建筑设计系统的功能一致协调，必须能有效的进行控制维护和监测。综上所述，VAV系统能在保证人员安全的前提下，其初投资、维护运行等方面都比传统CAV更有优势，在节能方面更是CAV无法比拟的。因此在类似的项目案例中应该推广VAV系统。