王錦秀

( 上海瀚廣實業(yè)有限公司，上海 200030 )

某研發(fā)大樓實驗室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計

王錦秀

( 上海瀚廣實業(yè)有限公司，上海 200030 )

介紹了該研發(fā)大樓實驗室設(shè)計參數(shù)和通風(fēng)、空調(diào)、控制設(shè)計。詳細介紹了實驗室送排風(fēng)設(shè)計、空調(diào)設(shè)計要求以及相關(guān)設(shè)備的選型，保證實驗室氣流排放合理無異味，新風(fēng)具有穩(wěn)定的溫、濕度，為實驗室工作人員提供一個健康、舒適的工作環(huán)境，為類似建筑的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計提供了參考。

實驗室；通風(fēng)空調(diào)設(shè)計；壓差控制；變風(fēng)量控制

引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，我國對科研項目的重視和加大投入，一批研究院、科研院所的教學(xué)實驗樓紛紛建成并投入使用，在這些實驗樓尤其是化學(xué)、物理和生物類實驗樓的設(shè)計中，根據(jù)實驗室使用功能的不同，污染物散發(fā)的位置和濃度不同，應(yīng)采用不同的通風(fēng)方式[1-2]。為了給實驗室操作人員提供一個健康、舒適和節(jié)能的環(huán)境，實驗室暖通設(shè)計顯得尤為重要，本文主要介紹勁牌研發(fā)大樓主要區(qū)域?qū)嶒炇宜团棚L(fēng)、空調(diào)設(shè)計以及相關(guān)設(shè)備的選型。

1 工程項目概況

該研發(fā)大樓地處湖北省黃石市黃金山國家級開發(fā)園區(qū)內(nèi)，大樓建筑層數(shù)：九層，建筑高度：46.75m，其占地面積：3237m2，總建筑面積：23317m2。其中二至七層定位為國家一流的、能同國際相接軌的實驗室科研項目。大樓實驗室每層根據(jù)實驗工藝功能要求分為四個區(qū)域，每個區(qū)域的送、排風(fēng)系統(tǒng)是獨立的，該區(qū)域的送新風(fēng)和通風(fēng)柜、萬向排氣罩等排風(fēng)均由九樓屋頂組合式空氣處理機和排風(fēng)機等設(shè)備來完成。一層有接待室、辦公廳、展示中心等，八和九層分別為公司領(lǐng)導(dǎo)辦公場所，本工程于2016年11月建成投入使用。

2 工程設(shè)計特點

本工程所有通風(fēng)柜排風(fēng)采用變風(fēng)量，實驗室排風(fēng)滿足最小換氣次數(shù)，排風(fēng)機、新風(fēng)機均采用變頻控制，新風(fēng)量跟隨排風(fēng)變化，滿足房間微負壓，保證實驗室房間安全，夏季新風(fēng)處理到室內(nèi)焓值送入室內(nèi)，冬季新風(fēng)處理到室內(nèi)等溫狀態(tài)送入室內(nèi)，空調(diào)采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機盤管承擔(dān)室內(nèi)負荷。

通風(fēng)柜排風(fēng)量的計算[3]：

L=3600F×υ×β

式中：F—操作口面積，m2；

υ—操作口平均面風(fēng)速，m/s；

β—安全系數(shù)，一般取1.05～1.1。

在本次設(shè)計中，根據(jù)國標(biāo)，取平均面風(fēng)速為0.5m/s，以1.5m通風(fēng)柜為例，當(dāng)開啟高度為0.5m時，排風(fēng)量為：

L=3600F×υ×β=3600×1.5×0.5×0.5×1.08=1458≈1500m3/h

本工程中，各設(shè)備的計算風(fēng)量如下：

1.5m標(biāo)準變風(fēng)量通風(fēng)柜排風(fēng)量：300～1500m3/h

1.8m標(biāo)準變風(fēng)量通風(fēng)柜排風(fēng)量：400～1800m3/h

400×400不銹鋼抽氣罩排風(fēng)量：400m3/h

萬向抽氣罩排風(fēng)量：150m3/h

試劑柜排風(fēng)量：100m3/h

2.1 室外設(shè)計參數(shù)

表1 室外設(shè)計參數(shù)表

空調(diào)通風(fēng)溫度(℃)風(fēng)速(m/s)大氣壓力(Pa)夏季干球溫度35.8℃濕球溫度28.3℃32.52.2100250冬季干球溫度0.7℃相對濕度76%4.52102340

2.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

場所溫度(℃)夏季冬季濕度(%)夏季冬季新風(fēng)量(m3/h·p)會議室261840～6030辦公室261840～6030實驗室26～2818～2040～60根據(jù)排風(fēng)

3 實驗室暖通設(shè)計

該實驗室項目通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計考慮安全與節(jié)能統(tǒng)一，通風(fēng)柜配置變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，保持其入口平均面風(fēng)速隨著柜門開度的變化快速反應(yīng)，大大降低整個系統(tǒng)的排風(fēng)量。房間排風(fēng)配合通風(fēng)柜排風(fēng)，保持房間相對走廊負壓，排風(fēng)機為變頻風(fēng)機，風(fēng)量變化范圍10%～100%，新風(fēng)風(fēng)機采用變頻調(diào)節(jié)，在新風(fēng)管上設(shè)變風(fēng)量閥，同時設(shè)置房間風(fēng)量控制器，風(fēng)量控制器接收排風(fēng)量信號，通過計算確定新風(fēng)量，保證房間新風(fēng)管恒定靜壓。

3.1 實驗室風(fēng)量計算

在本工程方案設(shè)計中，開放性實驗室包含所有的主要排風(fēng)設(shè)備，其通風(fēng)設(shè)計、人員舒適性要求最具代表性。為保證實驗室工作人員的健康及安全，房間換氣次數(shù)設(shè)計為6～12次/小時，排風(fēng)設(shè)備必須快速有效排出有毒氣體和顆粒。

以開放性實驗室為例，房間面積315m2，吊頂高度3m，房間換氣次數(shù)按8次/h計算，3臺1.5m標(biāo)準通風(fēng)柜，5臺1.8m標(biāo)準通風(fēng)柜，16只萬象抽氣罩，8只400×400不銹鋼抽氣罩，8臺試劑柜開發(fā)性實驗室，實驗人員密度大，考慮到通風(fēng)換氣效果，排風(fēng)設(shè)備不考慮同時使用系數(shù)，按100%使用，房間計算風(fēng)量如下：

房間換氣的排風(fēng)量：315×3×8=7560m3/h

實驗室最小排風(fēng)量：3×300+5×400+16×150+8×400+8×100=9300m3/h

實驗室最大排風(fēng)量：3×1500+5×1800+16×150+8×400+8×100=19900m3/h

由于實驗室設(shè)備最小排風(fēng)量大于滿足房間換氣的排風(fēng)量，故不需要設(shè)置輔助排風(fēng)口，整個實驗室有8臺變風(fēng)量排風(fēng)設(shè)備，故此系統(tǒng)為變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)量根據(jù)室內(nèi)總排風(fēng)量確定，為維持室內(nèi)負壓，需計算余風(fēng)量，余風(fēng)量按排風(fēng)量的10%計算補新風(fēng)并據(jù)此進行設(shè)備選型，現(xiàn)場根據(jù)調(diào)試情況適當(dāng)增減，負余風(fēng)量表示排風(fēng)量高于送風(fēng)量，余風(fēng)量從房間各種縫隙滲入。

實驗室最小新風(fēng)量：9300×0.9=8370m3/h

圖1 開放性實驗室系統(tǒng)圖

實驗室最大新風(fēng)量：19900×0.9=17910m3/h

3.2 實驗室房間壓差控制

每套通風(fēng)柜配置一套變風(fēng)量控制，包括1只變風(fēng)量排風(fēng)閥、1只滿足使用要求的液晶顯示面板、1只面風(fēng)速傳感器、1只位移傳感器。首先通過位移傳感器檢測排風(fēng)柜調(diào)節(jié)窗開度變化，控制通風(fēng)柜排風(fēng)量，保持通風(fēng)柜風(fēng)速設(shè)定值，當(dāng)調(diào)節(jié)門位置不變后，面風(fēng)速傳感器實測通風(fēng)柜的面風(fēng)速，當(dāng)通風(fēng)柜門關(guān)閉后，變風(fēng)量排風(fēng)閥要維持通風(fēng)柜的最小排風(fēng)量，滿足實際要求。并且為排氣罩、萬向抽氣罩等設(shè)備提供定風(fēng)量排風(fēng)，選用防腐壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥門并進行防腐噴涂。保證房間氣流流向和壓力的正確流向，根據(jù)需要配置房間操作面板，便于操作，并對壓力無關(guān)型送排風(fēng)變風(fēng)量風(fēng)閥進行相應(yīng)的設(shè)備選型。

為了控制房間微負壓，每個變風(fēng)量房間配置一只房間風(fēng)量控制器，風(fēng)量控制器接收各個排風(fēng)設(shè)備的信號，實時計算房間內(nèi)所有通風(fēng)柜及排氣罩排風(fēng)量總和，然后將信號傳遞給新風(fēng)變風(fēng)量閥，通過控制新風(fēng)變風(fēng)量閥的開度，調(diào)節(jié)房間補入新風(fēng)量，以保證房間滲透風(fēng)量恒定，保證房間微負壓，整個房間的系統(tǒng)流程圖如圖1所示，定風(fēng)量排風(fēng)恒定，控制器通過接收排風(fēng)變風(fēng)量閥的信號，調(diào)整新風(fēng)閥開度，進而調(diào)整房間新風(fēng)量，滿足房間負壓要求。

3.3 排風(fēng)設(shè)備選型

排風(fēng)機選用滿足最大排風(fēng)量的變頻風(fēng)機，一用一備，并考慮一定的余量，采用定靜壓控制方法，根據(jù)風(fēng)機功率特性，當(dāng)風(fēng)量增大或減小時，風(fēng)機管道靜壓相應(yīng)減小或增大，因此在風(fēng)機排風(fēng)主管道上設(shè)置管道靜壓傳感器，通過控制器和變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，維持管道靜壓，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)在原靜壓狀態(tài)運行，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量減少時同時可達到變頻節(jié)能目的。

從實驗室排出的空氣在排入大氣前要做凈化處理，對于較大排風(fēng)量的常規(guī)實驗室，設(shè)計選用了干式化學(xué)過濾器，根據(jù)排風(fēng)量，對干式化學(xué)過濾器設(shè)備進行選型，通過處理后，保證排放的空氣滿足環(huán)保測評要求。

對于組合式空氣處理機組設(shè)備，根據(jù)室內(nèi)外計算參數(shù)，及相應(yīng)的新風(fēng)量算出所需的新風(fēng)冷熱負荷，然后進行設(shè)備選型，由于新風(fēng)跟隨排風(fēng)變化，為變風(fēng)量，故新風(fēng)機也相應(yīng)的變頻，通過定靜壓變頻的方式，變頻器接收控制器的信號，進而改變風(fēng)機的頻率，使總風(fēng)量增大或減少，大大的節(jié)省能耗。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)流程圖

3.4 實驗室空調(diào)設(shè)計

實驗室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)充分滿足實驗室溫濕度、潔凈度、噪聲等要求，并能有效地排除實驗過程中所產(chǎn)生的對健康有危害的污染物質(zhì)[5-6]。只有在充分考慮空調(diào)系統(tǒng)和送排風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，才能保證實驗人員身心健康，創(chuàng)造安全舒適的實驗環(huán)境。

本次方案設(shè)計實驗室空調(diào)采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)直接送入室內(nèi)，主要用于向?qū)嶒炇覂?nèi)補新風(fēng)，對抗由于實驗室的大量排風(fēng)產(chǎn)生的負壓，保證實驗室的排風(fēng)設(shè)備工作正常并維持室內(nèi)呈微負壓狀態(tài)；空調(diào)采用獨立的空調(diào)系統(tǒng)，為四面出風(fēng)嵌入式風(fēng)機盤管，根據(jù)房間負荷的計算，考慮圍護結(jié)構(gòu)的類型、房間面積以及室內(nèi)設(shè)備散發(fā)熱量，根據(jù)ASHARE手冊，按照180W/m2的指標(biāo)，計算選出相應(yīng)的風(fēng)機盤管型號[7]。

根據(jù)開放性實驗室面積，計算得到房間冷負荷為315×0.18=56.7kW，根據(jù)選型樣冊，選用8臺FP-136型號風(fēng)機盤管，單臺制冷量為7.2kW，制熱量為10.8kW。留有一定的余量，為今后再增加設(shè)備儀器所散發(fā)的熱負荷提供足夠的冷量，而不需要對已有空調(diào)做重大調(diào)整。風(fēng)機盤管根據(jù)房間布局均衡布置，回水管上均設(shè)有電動兩通閥，同時配套提供液晶控制面板，控制面板安裝在便于操作、能反映控制區(qū)溫度的位置?？照{(diào)冷熱水管、風(fēng)機盤管凝結(jié)水管和空調(diào)冷凍水管考慮相應(yīng)的保溫。

根據(jù)所有實驗室空氣處理機組、辦公區(qū)空氣處理機組及所有風(fēng)機盤管的冷量之和，考慮設(shè)備同時使用系數(shù)70%，選擇滿足冷量的合適的冷水機組，冷水機組置于制冷站間，機組夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為40℃/45℃，冷卻塔置于屋頂，水泵及分集水器等設(shè)備安裝于制冷站間，各末端設(shè)備在各個樓層，整個空調(diào)系統(tǒng)的流程圖見圖2。

空調(diào)主機為室內(nèi)風(fēng)機盤管及空氣處理機提供冷熱源，并且設(shè)備置于大樓附近的制冷站間，節(jié)省了大量空間。

3.5 能耗分析

整棟研發(fā)大樓1.5m標(biāo)準變風(fēng)量通風(fēng)柜共80臺，1.8m標(biāo)準變風(fēng)量通風(fēng)柜共121臺，280只萬向抽氣罩，45只400×400不銹鋼抽氣罩，22臺試劑柜。

3.5.1 變風(fēng)量系統(tǒng)

對于變風(fēng)量系統(tǒng)由于各個系統(tǒng)的相對分離使用[8-9]，可考慮通風(fēng)柜峰值同時使用系數(shù)0.7，不僅可減少風(fēng)機設(shè)備投入，亦可節(jié)省風(fēng)管及結(jié)構(gòu)上的空間要求。

Vmax=(1500×80+1800×121)×0.7+(300×80+400×121)×0.3+150×280+400×45+100×22=320380m3/h

Vmin=300×80+400×121+150×280+400×45+100×22=134600m3/h

房間送風(fēng)量按排風(fēng)量的90%計算：

V送max=320380×0.9=288342m3/h

V送min=124600×0.9=112140m3/h

3.5.2 定風(fēng)量系統(tǒng)：

V排=1500×80+1800×121+150×280+400×45+100×22=400000m3/h

V送=400000×0.9=360000m3/h

3.5.3 排風(fēng)能耗

采用變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)機可根據(jù)峰值使用情況選擇，相對定風(fēng)量系統(tǒng)，風(fēng)機功率將有所下降，此部分能耗節(jié)省相對空調(diào)系統(tǒng)能耗相比可以忽略不計。

3.5.4 新風(fēng)能耗

變風(fēng)量系統(tǒng)可根據(jù)使用情況將不操作的通風(fēng)柜調(diào)節(jié)窗拉下，以最小風(fēng)量運行，原則上實驗室操作人員在無通風(fēng)柜操作時均可將通風(fēng)柜調(diào)節(jié)窗拉下，平均任意時刻有40%通風(fēng)柜處于有人操作狀態(tài)，因此運行時平均送排風(fēng)量如下

V排平均=(1500×80+1800×121)×0.4+(300×80+400×121)×0.6+150×280+400×45+100×22=240760m3/h

V送平均=240760×0.9=216684m3/h

節(jié)能比例=216684/360000×100%=60.2%

因此采用變風(fēng)量系統(tǒng)能耗估計為定風(fēng)量系統(tǒng)的60.2%，如規(guī)范實驗室操作，變風(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能空間將高于該計算估值。

4 結(jié)束語

該工程于2016年11月建成并投入使用，經(jīng)檢測，通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、通風(fēng)柜面風(fēng)速、房間壓差、室內(nèi)溫濕度等參數(shù)均符合設(shè)計參數(shù)值，達到了當(dāng)初預(yù)期的節(jié)能、工作環(huán)境安全的目標(biāo)，使用單位對該設(shè)計比較滿意。

綜合以上，實驗室的通風(fēng)設(shè)計首先應(yīng)確保實驗室內(nèi)部的通風(fēng)系統(tǒng)能將實驗過程中產(chǎn)生的有害氣體有效的排出，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)實驗室使用功能的不同、污染物散發(fā)的位置和濃度不同，合理的采用不同的通風(fēng)方式，變風(fēng)量系統(tǒng)相對定風(fēng)量系統(tǒng)可以大大的節(jié)省能耗，系統(tǒng)不僅具有可觀的投資回報收益，同時對確保實驗室安全具有重大作用，在設(shè)計時要注意降低系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證較低的系統(tǒng)投入和能源消耗，提高運行效果。

[1] 中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].2012

[2] 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程.JGJ 343-2014[S]

[3] 俞志亨.建筑節(jié)能中暖通空調(diào)的一般技術(shù)措施[J].華東科技，2014，(01):44-46

[4] 通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范 GB50243-2002[S]

[5] 江嘉春.暖通空調(diào)設(shè)計方案常見問題及對策[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(02):23-25

[6] 李娟，尹奎超.北京某高校實驗樓通風(fēng)空調(diào)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2015(9):38-41

[7] 陸耀慶.供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計手冊[M].第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008

[8] 李伯軍.國家海洋生態(tài)環(huán)境綜合實驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].公用工程設(shè)計，2010，(09):69-71

[9] 戴鏡煒.化學(xué)實驗室空調(diào)定風(fēng)量變風(fēng)量系統(tǒng)的設(shè)計[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2007，(05):33-35

Ventilation and Air Conditioning Design of a Research and Development Laboratory Building

WANG Jinxiu

( Shanghai Hanguang Industry Co.,LTD.，Shanghai 200030 )

The laboratory building design parameters and ventilation，air conditioning，control design are introduced.The exhaust air，fresh air，the air conditioning and the selection of the exhaust equipment are introduced in detail.To ensure that the air flow in the laboratory without any peculiar smell，fresh air with a stable temperature，humidity，laboratory staff to provide a healthy and comfortable working environment，in order to improve work efficiency.Which provide a similar construction reference for HVAC system design.

Laboratory;Ventilation and air conditioning design;Differential pressure control;Variable air volume control

2017-1-13

王錦秀(1988-)，女，碩士研究生，主要從事暖通空調(diào)設(shè)計方向。Enail：wangjinxiu1009@126.com

ISSN1005-9180(2017)02-048-05

TU831 文獻標(biāo)示碼：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.010