实验室逐渐趋向大型化、集结化、综合化,对实验室通风空调系统提出了更高要求。为了满足市场需求,通风空调系统的设备和相关技术也在迅速的发展完善。对于实验室通风空调系统的设计要求不外乎以下5点:

(1)安全性;(2)经济性;(3)实用性:(4)灵活性;(5)舒适性。

目前,排风柜、万向罩作为通风系统中最关键,其性能将直接影响到实验室人员的身体健康甚至生命安全;实验室综合性能要依靠整个通风空调系统的良好配合来保障。特别是全年空调实验室,高能耗与局部高速低温气流(draught)引起人们高度重视。勘探开发研究院实验中心实验室集成项目正面临这样的问题,对于目前品种繁多的排风柜以及多样的通风空调系统控制策略,项目经理部根据实际工程需要设计选用实验室的通风及控制系统。

实验室通风柜是实验室操作人员最重要的防护屏障,应选用气流组织较好的实验室通风柜。同样的通风柜排风量,柜内气流组织差的通风柜,通风柜调节门进风口面风速不均匀,易泄漏有害气体;柜内有涡流区,造成柜内有害气体浓度积聚,排风效果不好,对操作人员安全造成威胁。设计较好的实验室通风柜,在操作过程中,应保证通风柜调节门从关闭到最大开启度的过程中,调节门进风面风速始终保持在0.5m/s±20%,并且面风速均匀。实验表明,面风速过小,<0.3m/s,操作人员扰动易造成通风柜内有害气体外溢,对操作人员造成危害。通风柜调节门进风面风速过大,>0.8m/s,也易造成柜内有害气体外溢。通风柜内排风气流应均匀,减少涡流,避免有害气体浓度积聚,及时排出有害气体。通风柜的形式、规格很多,还有一些满足特殊要求的通风柜,如防爆型等。可根据实验室具体要求选用。

实验室通风柜通常配监控器。监控器主要功能包括:

(1)通风柜调节门进风面风速实时显示。

(2)通风柜前有人操作、无人操作模式控制(无人操作时降低风量,按60%风量运行)。也可采用区域存在传感器,自动探测通风柜前有无操作人员。

(3)紧急情况按钮(有试剂泄漏等紧急情况时,加大通风柜排风量)。

实验室通风柜内气流组织由通风柜设备结构实现,通风柜排风支管安装变风量阀,应保证通风柜排量与通风柜运行状态相适应,有人操作时,通风柜调节门进风面风速始终为0.5m/s±20%。无人操作时为0.3m/s。在通风柜调节门关闭时,应保证通风柜保持适当的最小排风量,一般为额定风量的20%,通风柜下部有试剂柜时,试剂柜排风量约75m3/h。实验室内万向排风罩排风汇总管装定风量阀,保证万向排风罩排风量。为保证实验室排风效果及维持室内温、湿度,应设置实验室最小排风换气次数,白天有人操作时8~10次/h,夜间无人操作时4~6次/h;若实验室各通风柜及万向排风罩最小排风量不能满足实验室最小换气次数要求时,应在实验室增设室内排风口,在排风支管装变风量阀,保证实验室达到最低排风换气次数要求。为避免实验室气流渗出实验室,造成交叉污染。应控制实验室相对走廊或办公区为负压。在实验室送风支管装变风量阀,控制实验室送风量与实验室各排风量差值始终为定值,维持实验室压差恒定。实验室气流控制图见图1、图2。

图1实验室气流控制图下载原图

图2实验室送、排风量表下载原图

在实验室布置时,应尽可能减少送风气流、人员对通风柜调节门进风口扰动。实验室送风量较大,实验室送风口可采用孔板静压箱送风口,扩大送风口面积,控制送风孔板出口风速,通风柜调节门前送风风速宜<0.25m/s。通风柜前操作通道应足够宽敞,保证操作人员走动时,距通风柜面板0.6m以上,避免人员走动影响通风柜气流。通风柜调节门应远离实验室门,避免开门对通风柜气流影响。

实验室送、排风系统一般带多个实验室。实验室送、排风系统最大风量的确定,应根据所带实验室数量及实验室运行模式,考虑适当的通风柜运行同时系数。实验室送、排风系统风量即要满足实验室最大运行风量要求,也不要盲目扩大风量,甚至取通风柜同时运行系数为1,造成空调通风系统及相关冷热源设备选型过大,增加初投资;国外资料显示,实验室通风柜每天有人员操作的时间平均少于1h。

实验室通风柜的额定排风量可根据通风柜调节门的最大开门面积,按面风速0.5m/s计算获得,也可依据通风柜样本。通风柜调节门关闭时最小排风量可按额定风量20%确定。实验室万向排风罩排风量根据不同规格选取,一般75万向排风罩排风量为200m3/h。实验室排风系统排风机宜采取调频控制,保持排风系统干管最远点静压恒定。使排风机风量与系统排风量相一致。减少排风机耗电量,维持排风系统风管压力恒定,提高排风管风量控制阀精度。同时,实验室送风系统空调机组送风机也宜采取调频控制,送风量应与实验室排风系统排风量相一致。因实验室为全新风系统,送风空调系统能耗非常高。在满足实验室补风要求前提下,尽可能减少送风量,节能实验室空调能耗。实验室空调通风系统图见图3。

要实现实验室理想的气流组织,送、排风系统风量控制阀及控制系统是关键,其占实验室空调通风系统投资比重也比较大。用于实验室送、排风系统的变风量、定风量控制阀类型有阀、文丘里阀等,品牌很多,控制系统工作原理各不相同,风量阀反应速度、控制精度、风量可调节比、可靠性、初投资、维护费用差别较大。这里以数字式文丘里风量控制阀为例,说明风量控制阀选型要求。(1)反应速度快,系统的响应时间<1s,达到最终控制要求风量值或系统稳定<1s。风量控制精度高,风量控制精度<±5%的指令信号。在通风柜调节门启闭过程中,始终能保持柜门面风速0.5m/s±20%。(2)风量可调节比高,阀门精确的调节比为10∶1。高调节比,系统可利用的参差系数大,可适用于大的排风系统及通风柜数量较多的房间。特别是对通风柜数量较多的房间,通风柜的排风阀调节比大,可降低通风柜最低运行风量,有效降低通风柜的低风量运行能耗。增大排风系统,可减少排风系统数量,减少送、排风管道、建筑管井数量,减少送、排风系统管道占用建筑空间。(3)控制方式采用位移传感器控制,且在150~750Pa阀前后压差范围内,与压力无关,阀内气囊可自动平衡阀前后压差变化影响。控制简单可靠,阀前后不需预留气流稳流管段,安装方便。没有风速传感器等部件,不需定期清洗校验传感器。控制阀压力无关性,可保证系统接入通风柜数量不受影响,且系统稳定性好。(4)每台风量控制阀自带控制器,可相互联网。

图3实验室空调通风系统图下载原图

每台通风柜排风支管装1台Phoenix变风量数字式文丘里控制阀,根据通风柜监视器反馈的通风柜调节门开启高度,及运行状态(有人或无人),控制通风柜的排风量。在实验室各万向排风罩排风汇总管上安装1台定风量数字式文丘里控制阀,造价较数字式变风量文丘里控制阀低,保证实验室万向排风罩排风量。实验室排风口排风管装1台慢变风量数字式文丘里控制阀,造价较变风量阀低。在实验室通风柜、万向排风罩排风量低于实验室设定最低排风换气次数时,打开实验室排风口,保证实验室最低排风换气次数。在实验室送风支管上安装1台变风量数字式文丘里控制阀,根据实验室各排风阀风量,控制实验室送风量,保证实验室送风量与排风量差值恒定,维持实验室压差恒定。

实验室空调通风系统,通常为直流风。送风空调机将室外风处理到送风状态点,送入实验室内,补充实验室排风,维持实验室内温、湿度,因为实验室送风量很大,特别是有多台通风柜的实验室,空调机处理送风温、湿度的能耗很高,占实验室能耗和运行电费的比重很大。实验室空调送风系统节能的主要手段是在保证实验室安全的前提下,尽量减少排风量,相应减少空调送风量。

实验室通风柜,大部分时间为无人操作或调节门关闭状态,采用高性能的送、排风风量控制阀,根据实验室各通风柜运行状态不同,始终以最小风量满足通风柜排风要求,送风量也始终保持最小值,在保证实验室安全的前提下,节省实验室送风空调系统能耗。即使工程中选用高性能送、排风控制阀费用有所增加,但综合考虑实验室运行电费的降低,空调通风系统及相关冷热源等设备的费用减少,在实验室寿命周期内,空调通风系统综合费用还是大幅减少。据资料显示,实验室每减少1m3/hr空调送风量,每年减少运行电费10~12元。

对于强酸碱等有腐蚀性气体挥发的实验室排风系统风管应采用pp管或塑料管等耐腐蚀风管。实验室通风柜排风支管风量控制阀,万向排风罩排风管风量控制阀应选用有防腐涂层的防腐型阀。排风机应采用玻璃钢或涂防腐涂层的防腐型风机。实验室排风应在屋面上向高空排放。如有必要,实验室排风应经吸收塔处理后排放。多层实验室送、排风系统宜按竖向划分,减少水平送、排风管,减少送、排风管占用建筑空间。实验室建筑层高宜≥4.80m,预留通风柜顶排风竖管安装风量控制阀空间。