各种类型的实验室和分析化验室作为产品保证质量和可持续发展的重要场所, 大量出现在各个领域, 分析实验的操作种类越来越繁杂, 建筑规模越来越大。技术水平的提升, 引起对实验室的环境安全的更多关注, 小到一个实验室, 大到研发中心楼, 内设几十台通风柜已经屡见不鲜。一个高标准的实验室, 不仅要求通过通风系统来控制在实验过程中产生的大量有害物质如气体、蒸汽、粉尘和悬浮颗粒等的扩散, 还对室内的温度、湿度、压差、空气洁净度、噪音及震动等均有要求。设计所需的条件如房间状态参数、试验设备散热量、气流流型、污染物控制、噪音级别、震动控制以及许多用户的特殊要求, 需要设计人员与用户之间进行多次充分沟通后方能展开设计。而通风量作为通风系统的核心数据, 不仅仅是满足上述要求的基础, 还是经济指标的基础数据。确定合理的通风量, 是保障生产条件, 环境安全, 节能经济的关键。

国外和国内标准对实验室均有全面通风的换气次数要求, 并对易产生有毒有害或刺激性气味的实验过程要求设置局部排风。当操作人员进行此类操作时, 以局部排风系统运行为主, 将有害气体控制在一定范围内并迅速排出, 包括通风柜排风和排风罩排风;当进行一般工作时, 以全面排风系统运行为主, 排除化学药品存放时散发出的异味。全面通风与局部通风系统相辅相成, 共同保证实验室的换气次数要求, 维持房间良好的空气环境。

国内标准对化验室的换气次数规定比较单一和明确。《化工采暖通风与空气调节设计规范》HGT 20698-2009规定“化验室应保持相对负压, 房间的最小换气量一般在6~8次/h。”;《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》DL-T 5035-2004规定“产生有毒、有异味等有害气体的化验室和试验室应设置通风柜及机械排风装置。换气次数不宜少于每小时6次。”;《石油化工中心化验室设计规范》SH/T3103-2009规定“产生有毒有害气体的分析房间换气次数不应小于7次/小时”。《化工工艺设计手册》中对物理实验室和一般化学实验室的换气次数分别作了规定。结合实际工程案例, 设计中通常实验室的换气次数要求大于6次。

国外对于实验室的换气次数, 不同国家和地区, 甚至于同一个国家和地区但不是一个体系的规定也各不相同。美国的标准中, 按照物理实验室和化学实验室、操作状态和值班状态、有人状态和无人状态等分类, 进行了相应的规定。比如NFPA45中, 规定实验室的最小换气次数无人操作时应不小于4次, 有人操作时应不小于6次;2013版的Ashrae62.1将污染物浓度控制决定新风风量的观点引入到规定中, 不再硬性规定风量和换气系数等要求。Ashrae62.1中这个观点必将逐步应用到实验室的通风设计中。综合上述的各种规定, 实验室的工作状态和污染物的浓度控制决定通风量, 也同样决定节能运行的优劣。

分析国内外的相关规定, 使我们对实验室的换气次数有了多方位的考虑。在确保污染物浓度控制在许可范围内的情况下, 结合生产操作等因素尽可能降低实验室的通风量, 取得一个合理的平衡点, 无论在项目初投资还是运行成本上都可以大量节省。

通风柜和排气罩是实验室的主要局部排风设备。通风柜排风主要适用于有气味和有害气体散发的化学实验, 在工作口上造成一定的吸入风速, 以便有组织地将有害气体排至室外。恒定的吸入速度可使通风柜内包容空间的有害物质的逃逸减小到最低程度, 从而使通风柜前的操作人员的安全健康得到最大的保证。各国对通风柜的吸入风速规定也不相同, 英国标准 (BS7258) 通风柜设计和规定推荐使用表1的吸入风速。而Ashrae规定指出实验室通风柜吸入风速应根据通风柜内进行试验的药品或试剂的毒性以及潜在危险来确定, 采用的最为广泛的通风柜吸入风速为0.5m/s, 允许波动范围为0.1m/s。

目前有资料分析, 对于一款适用于大多数化学实验室的通风柜, 其吸入风速在0.4-0.5m/s时, 多数操作可以有效且低风险地运作;将吸入风速提高至0.5-0.6m/s时, 污染物外溢的控制效果变化不大, 但是运行成本却显著提高, 此风速范围可以适用于一些特殊实验操作以稍微改善对污染物的控制效果。当风速提高到0.6-0.75m/s时, 对污染物的控制效果有所提高但是没有本质的改善, 能耗却会因此而大大提高, 所以, 一般不推荐使用。当吸入风速提高到>0.75m/s时, 可能会在通风柜内引起紊流从而导致柜内毒害气体溢出。

所以, 通风柜选取的吸入风速不是越大越好, 而是应该选择合适的数值。当我们需要通过高吸入风速控制污染物外溢时, 也需要同样选择与吸入风速相匹配的通风柜, 方能达到预期的控制效果。

对于某些较大实验设备或无法在通风柜中进行的实验操作, 可在其上部或侧面采用结构简单, 制作方便的排风罩。罩口截面和形状可灵活的与有害物的扩散形状相匹配, 并且在不影响工艺操作的情况下, 尽量靠近有害物散发点。

通常情况下, 操作人员在不进行实验时都会习惯性的将排风系统关闭, 使得房间内其它空间区域内的污染物逐渐扩散, 或通风柜关闭不严造成通风柜内残余的有害物外泄, 进而污染房间空气, 这些均要求房间额外设计全面排风系统与局部排风系统配合使用。

在实验室的通风空调设计中, 送风量的确定很大程度上不是由室内负荷决定的, 而是由排风量决定的。确保实验室内部的风量平衡及与走廊之间一定的压差是现代实验室的基本要求, 这就需要与排风系统相匹配的送风系统。送风量应满足实验室全部局部排风量、全面排风量和维持房间压力的需求。操作人员的实验操作并不是全天不间断的, 使得局部排风系统间断运行, 如何能够在尽量节能且操作安全的前提下使送风量与排风量平衡成为问题的焦点。

系统排风量的确定, 不能简单的将全面通风量和所有局部排风量叠加。需要局部排风的实验设备的同时使用系统对风量的大小很关键。同时, 房间的换气次数是由局部排风和全面排风共同保证的, 综合这两方面就可以计算出合理的风量范围, 系统最终的风量范围应综合考虑了同时使用系数和换气次数确定的。如果风量范围幅度较大, 则应采用变风量通风系统。如果幅度不大, 则采用定风量系统也能达到同样的效果。所以通风柜是否为变风量型同系统风量是有关系的。

系统的送风量, 应能满足各种实验设备使用工况引起的风量变化。送风量范围:考虑所有局部排风设备均处于无人操作状态时所需的最小风量和换气次数、房间负压等要求, 确定的最小送风量;考虑同时使用系数后的局部排风量和换气次数、房间负压等, 确定的最大送风量。定风量送风与变风量送风系统的确定, 取决于风量的范围。

实验室的设计应该与建筑设计系统的功能一致协调, 但由于室内污染物需要通风空调系统整体为实验者提供一个安全舒适的工作环境, 选取合理的系统风量和定风量与变风量通风系统形式的选择形式, 并配合现代的控制技术, 才能满足实验室功能与系统节能要求。