張雁翔

文章編號：2095-6835（2016）13-0103-02

摘 要：不管是專業(yè)的科研人員，還是步入理科學(xué)堂的學(xué)生，實驗室并不是一個陌生的地方，然而，在實驗過程當(dāng)中可能會出現(xiàn)一些有害的氣體，因此，如何保障我們實驗室內(nèi)的實驗人員不受到這些有害氣體的傷害，一直是我們排風(fēng)柜研究人員的首要問題。其根本原理就是對風(fēng)速進(jìn)行控制，從而控制空氣當(dāng)中的污染收集與排放。主要闡述國內(nèi)常見的幾種類型的排風(fēng)柜和其工作原理，并提出一些設(shè)計優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：實驗室；變風(fēng)量排風(fēng)柜；罩面風(fēng)速；控制策略

中圖分類號：TU834.6+35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.103

我們都知道，想要控制污染氣體不侵害實驗人員，就需要控制排風(fēng)柜罩面的風(fēng)速。但是在實際中，我們實驗室內(nèi)存在很多會干擾排風(fēng)柜罩面風(fēng)速的干擾氣流，這些氣流產(chǎn)生的原因非常多，最常見的原因有：門窗的開關(guān)、人員的走動、室內(nèi)送風(fēng)系統(tǒng)等。雖然我們的排風(fēng)柜目前已經(jīng)能控制大部分污染氣體，但是因為一些其他干擾原因的存在，其控制效果還是受到制約。那么，如何才能提高排風(fēng)柜對污染氣體的控制性能？下面將逐一進(jìn)行分析。

1 控制變風(fēng)量排風(fēng)柜罩面風(fēng)速的意義

我們實驗室的空調(diào)系統(tǒng)造價一般是普通建筑空調(diào)系統(tǒng)的造價的3～6倍，運營費用也相對高出許多。目前，為了保證實驗有害氣體能收集完全并合理排放，我們一般都采用新風(fēng)系統(tǒng)。但是，其造價非常高昂，而變風(fēng)量的排風(fēng)系統(tǒng)是我們降低空調(diào)系統(tǒng)造價與使用費用的一個有效途徑。

以往的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的排風(fēng)柜的排風(fēng)量是定量的，其運行消耗也是定量的，一般其風(fēng)量統(tǒng)一定為最大排風(fēng)量，拉門大小改變并不會改變其排風(fēng)量大小。而變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)能根據(jù)其拉門是改變而改變罩面風(fēng)速。比如說，其最小風(fēng)速為0.5 m/s，那么當(dāng)拉門打開1/4時，其罩面風(fēng)速就增加到2 m/s。當(dāng)整個拉門完全打開，其罩面風(fēng)速能夠立刻增加到10 m/s。但是，過高的罩面風(fēng)速可能會導(dǎo)致我們試驗臺的上方氣流劇烈變化，然后還是可能會導(dǎo)致污染氣體在柜內(nèi)某一處聚集，還可能吹滅我們實驗火焰，破壞實驗的效果。但是罩面風(fēng)速如果不夠，污染氣體不能即使排除，又會導(dǎo)致我們的實驗人員有吸入有害氣體危險。所以，我們排風(fēng)系統(tǒng)一定要根據(jù)試驗臺上的具體實驗進(jìn)行來調(diào)節(jié)，考慮試驗臺的實驗實況、室內(nèi)壓力等情況。隨風(fēng)柜拉門大小變化而變化罩面風(fēng)速，并保持在一定范圍能大大地減少我們的實驗室排風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗。變風(fēng)量的排風(fēng)系統(tǒng)比定量的排風(fēng)系統(tǒng)能節(jié)能20%左右，比如說需要換氣6～60ACH的一個實驗室。如果采用變風(fēng)量的通風(fēng)系統(tǒng)，能節(jié)約非常可觀的能源。所以，我們的現(xiàn)代實驗室應(yīng)該普遍采用變風(fēng)量的排氣系統(tǒng)。

2 變風(fēng)量排風(fēng)柜罩面風(fēng)速控制原理

根據(jù)實驗室的實驗性質(zhì)來選擇不同規(guī)格的排風(fēng)柜。目前，普遍采用的英國標(biāo)準(zhǔn)（BS7258）中明確規(guī)定了不同性質(zhì)實驗需要的罩面風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)推薦表如表1所示。

表1 英國標(biāo)準(zhǔn)（BS7258）常規(guī)推薦表

罩面風(fēng)速/（m/s） 排風(fēng)柜的使用實驗類型

Min0.7 帶有放射性物質(zhì)的實驗操作

Min0.5 常規(guī)實驗操作

Min0.2 化學(xué)物品儲存操作

從表1可以看出，化學(xué)物品儲存的實驗對于罩面風(fēng)速要求最低，最小為0.2 m/s。如果罩面風(fēng)速過大，可能會導(dǎo)致化學(xué)物品的性質(zhì)發(fā)生變化，不便于儲存操作。常規(guī)的實驗操作的最小罩面風(fēng)速為0.5 m/s。這個要求定量風(fēng)柜能完成。帶有放射性物質(zhì)的實驗操作對于罩面風(fēng)速的要求比較高，最小達(dá)到0.7m/s。以上實驗類型的排風(fēng)柜都是專門定制出來的。這種定量排風(fēng)柜使用，造成實驗室的分類過多，實驗室的利用率降低。而使用變量風(fēng)速控制的排風(fēng)系統(tǒng)，則能滿足不同性質(zhì)的實驗操作需求。改變拉門的大小，就可以調(diào)節(jié)其罩面風(fēng)速。將排風(fēng)柜換氣范圍內(nèi)的有害氣體逃逸可能性降到最低，保證實驗臺上人員的呼吸安全。

3 實驗室內(nèi)氣流控制介紹

經(jīng)過了40年的實驗室的氣流控制技術(shù)不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)從原始的定風(fēng)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成變風(fēng)量、雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)階段已經(jīng)不斷完善發(fā)展成了自適應(yīng)性控制系統(tǒng)。這保障了實驗室人員的安全，并且更加節(jié)能，系統(tǒng)控制更加穩(wěn)定性。

3.1 定風(fēng)量控制（CV）

1940年CV誕生，這個系統(tǒng)的送風(fēng)量是固定的，不會隨著通風(fēng)柜窗開度調(diào)節(jié)而變化。系統(tǒng)特性：控制非常簡單，安全性能很差，適應(yīng)性不強，且能耗驚人，不能滿足復(fù)雜實驗的要求。定風(fēng)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.2 雙穩(wěn)態(tài)控制（Two-State）

定風(fēng)量控制系統(tǒng)無法滿足實驗的排風(fēng)需求，其安全性和能耗缺陷受到人們的重視，雙穩(wěn)態(tài)控制也就應(yīng)運而生了。這個系統(tǒng)相對定風(fēng)控制有了一定的改進(jìn)，可以在高風(fēng)、低風(fēng)量之間進(jìn)行選擇，比如一些排風(fēng)量需求小的實驗，或在實驗室夜間休眠期選擇低風(fēng)量檔位運行，降低了排風(fēng)系統(tǒng)的能耗，但是與定風(fēng)量系統(tǒng)相似，這個系統(tǒng)抗干擾能力差，適應(yīng)性不強。雙穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

3.3 變風(fēng)量控制（VAV）

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了變風(fēng)量控制系統(tǒng)。這種風(fēng)速控制法一般是在排風(fēng)柜的排風(fēng)口設(shè)置一個風(fēng)速檢測儀器（比如熱球風(fēng)速檢測儀、熱線風(fēng)速檢測儀）來對風(fēng)量進(jìn)行檢測。將檢測出來的罩面風(fēng)速值傳入排風(fēng)系統(tǒng)的控制器內(nèi)，根據(jù)要求的風(fēng)速進(jìn)行控制排風(fēng)門的大小或排風(fēng)馬達(dá)的功率。其優(yōu)點是適應(yīng)性強、能耗低，缺點是對閥門的控制精度和反應(yīng)速度的要求高。

3.4 自適應(yīng)控制（UBC）

通過在拉門上安裝磁鐵距離檢測器或可變電阻器來確定排風(fēng)柜拉門的高度。排風(fēng)量根據(jù)我們實際拉門高度通過計算得出。排風(fēng)柜的罩面風(fēng)速普遍采用下式計算：

v= Q/A= Q/bh. （1）

3.5 通風(fēng)柜氣流控制

HCS的通風(fēng)柜氣流控制采用位移傳感+精確風(fēng)量控制閥的控制系統(tǒng)。只要在排風(fēng)口邊緣安裝一個罩面風(fēng)速測量器即可。但是，這個檢測的風(fēng)速一般是排風(fēng)口處的風(fēng)速，有時會出現(xiàn)檢測的罩面風(fēng)速與試驗臺上的風(fēng)速不同。所以，采用直接風(fēng)速測量控制法還是存在一些不足之處，對于風(fēng)速高標(biāo)準(zhǔn)的實驗室不推薦使用。

4 結(jié)束語

隨著人們的實驗安全意識的不斷提高和科技的不斷發(fā)展，人們對于一些特殊性質(zhì)的化學(xué)品的深入研究，要求我們現(xiàn)代實驗室對于通風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)的控制性能不斷提高。罩面風(fēng)速是我們必須重點關(guān)注和研究的，因為這直接關(guān)系到一個實驗室能否安全進(jìn)行實驗，并影響整個實驗的經(jīng)濟支出。以往，我們只通過檢測罩面風(fēng)速大小來判斷一個排風(fēng)柜的性能好壞，但這種方法是不科學(xué)的，因為不同性質(zhì)的實驗對于罩面風(fēng)速的需求也是不同，高風(fēng)速對于化學(xué)品儲存操作就很大的坡滑行。所以，我們需要因地制宜，根據(jù)實際需求來調(diào)整罩面風(fēng)速。比如說，我們一個標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代實驗室需要先檢測實驗人員的呼吸濃度，從而評判這個排風(fēng)柜質(zhì)量的好壞。所以，應(yīng)該普遍推廣變風(fēng)量排風(fēng)柜，并深入研究其性質(zhì)，使得我們的變風(fēng)控制技術(shù)水平更高，能更好地保護(hù)我們實驗室實驗人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)

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[2]張占蓮，萬建武.實驗室氣流組織對污染物控制的影響[J].制冷與空調(diào)，2014（12）：80-84.

〔編輯：胡雪飛〕