曹志剛 馬晨鈺 楊 毅 糜 娜

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

高校實驗室是進行學生培養(yǎng)、實驗教學、開展科研課題的重要場所。隨著國家對高?？蒲兄匾暢潭鹊牟粩嗉訌?實驗室在高校培養(yǎng)人才、取得科研成果中起著越來越重要的作用。頻繁的高校實驗活動也產(chǎn)生了一些問題,其中安全與能效是目前高校實驗室所面臨的兩大難題[1]。

與化學化工的工業(yè)化生產(chǎn)車間相比,高校的科研類實驗室會根據(jù)研究人員的研究課題發(fā)生相應功能上的更改,且同一實驗室中也可能有不同課題人員同時進行不同實驗。實驗室功能的復雜性、實驗過程的不確定性及實驗室空間布置的集成性,給高?；瘜W實驗室?guī)順O大的安全隱患?；馂?、爆炸是實驗室安全事故的主要類型,占85%～95%[2-3],其中發(fā)生在化學實驗室的安全事故約占80%。從危險化學品種類看,氣體引起的事故傷亡人數(shù)占總傷亡人數(shù)的90%[2]。因此高?；瘜W實驗室的安全監(jiān)管尤為重要。有效的實驗室通風系統(tǒng)作為預防和減少實驗室安全事故的措施之一,應引起暖通設計師的高度重視。

為有效控制室內(nèi)污染物、滿足人員安全要求,絕大多數(shù)化學化工實驗室的通風系統(tǒng)采用直流式系統(tǒng),其空調(diào)負荷遠大于甲類辦公室負荷[4],實驗室的單位建筑面積能耗甚至達到辦公建筑的 5～10倍[5]。

本文調(diào)研了現(xiàn)有高?；瘜W實驗室的設計、研究及應用案例,對具有代表性的國內(nèi)外相關(guān)標準、規(guī)范與指南進行分析,介紹實驗室通風系統(tǒng)的設計原則,并對高?；瘜W化工實驗室的排風系統(tǒng)及補風系統(tǒng)進行歸納總結(jié),提出不同系統(tǒng)的適用場景及設計應用要點,為我國高校化學實驗室的通風設計提供參考。

1 國內(nèi)外標準、規(guī)范及指南

根據(jù)實驗室功能,高校實驗室分為教學類與科研類實驗室。教學類實驗室主要以輔助教學實驗課程為目的,實驗過程相對穩(wěn)定;科研類實驗室主要為研究生、高校老師提供實驗平臺,實驗內(nèi)容包括檢測、制備、檢測分析等。

目前針對我國高校化學化工實驗室的相關(guān)規(guī)范較少。JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[6]作為實驗室設計的基礎性規(guī)范,除了滿足一般建筑的防火、無障礙等統(tǒng)一設計標準外,對科研通用實驗區(qū)、科研專用實驗區(qū)、科研辦公區(qū)、科研展示區(qū)、科研教學實驗室區(qū)、科學試驗區(qū)等空間分區(qū)作出相關(guān)規(guī)定,其中科研專用實驗區(qū)對潔凈實驗室、生物安全實驗室、實驗動物設施等提出要求。

與JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》相比,國家圖集22K523《化學實驗室通風系統(tǒng)設計與安裝》[8]更多關(guān)注到化學實驗室的通風設計,給出了4種典型通風系統(tǒng)(定風量控制排風柜+定風量補風系統(tǒng)、變風量控制排風柜+變風量補風系統(tǒng)、變風量控制補風型排風柜+變風量補風系統(tǒng)、無風管自凈型排風柜+房間全面通風系統(tǒng))的系統(tǒng)流程、控制原理及調(diào)節(jié)策略說明,提供了局部排風設備、風閥與其他設備的選用與安裝說明。但該圖集沒有涉及實驗室補風系統(tǒng)的新風熱濕處理方式和要求。

對于化學化工實驗室的關(guān)鍵設備排風柜,行業(yè)推薦性標準JG/T 222—2007《實驗室變風量排風柜》[9]規(guī)定了排風柜的相關(guān)術(shù)語定義、排風柜的型號及規(guī)格、技術(shù)要求及測試方法。對變風量排風柜提出了響應時間、控制濃度、面風速等參數(shù)要求。另外還有行業(yè)推薦性標準JB/T 6412—1999《排風柜》[10]和JG/T 385—2012《無風管自凈型排風柜》[11]。

對于實驗廢棄化學品,GB/T 31190—2014《實驗室廢棄化學品收集技術(shù)規(guī)范》[12]提出了實驗室廢棄化學品的產(chǎn)生者對實驗室廢棄化學品進行分類、收集、貯存、日常管理的要求。GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》[13]對于大氣污染物,包括實驗產(chǎn)生的廢氣提出了相應處理要求。

自化學研究開展初期,實驗室中就采用了通風。最早托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)利用壁爐的自然通風和煙道排出實驗廢氣;1790年約瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestly)創(chuàng)建了第一個實驗室化學排氣罩;1923年英國利茨大學安裝了第一臺管道排風柜,使用了最早的現(xiàn)代意義上的排風柜之一。目前世界上最流行的排風柜性能測試標準主要是由美國標準協(xié)會與美國供暖、制冷空調(diào)工程師協(xié)會共同制定的ANSI/ASHRAE Standard 110-2016[14]和歐盟及英國國家標準協(xié)會制定的BS/EN 14175-3:2019[15],它們均對實驗室排風柜性能測試方法提出了具體標準。劉斯瑋等人對比了這2個標準與我國標準JB/T 6412—1999《排風柜》中的測試方法[16]。

美國應用的實驗室通風標準是美國國家標準與工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會制定的ANSI/AIHAZ9.5-2012《實驗室通風》[17]。ASHRAE編制的《實驗室設計指南》[18]詳細描述了實驗室通風空調(diào)系統(tǒng)的設計與運行。

2 實驗室通風系統(tǒng)設計原則綜述

本文主要針對高?；瘜W化工實驗室,對其通風系統(tǒng)的設計原則進行梳理綜述。

實驗室通風系統(tǒng)經(jīng)歷了技術(shù)上的革新。周祖毅根據(jù)大量實驗室通風空調(diào)的工程案例,總結(jié)了實驗室通風工程設計的基本原則,分析了實驗室新技術(shù)與傳統(tǒng)設計方法的沖突,指出了以定風量排風柜為例的傳統(tǒng)實驗室通風系統(tǒng)存在的問題,介紹并認可了基于壓力無關(guān)型文丘里變風量閥的變風量排風柜的應用,并提出系統(tǒng)典型模式與自動控制原理,推動了實驗室新技術(shù)的應用[19]。

在實驗室的通風設計標準方面,根據(jù)實驗室通風設計等級分類要求,ASHRAE將實驗室按照有害物質(zhì)量與潛在揮發(fā)量的風險等級劃分為LVDL-0～4共5個等級,并提出實驗室控制策略、設計特征與典型應用[20];趙俠等人對比了國內(nèi)外實驗室設計標準中的通風設計參數(shù),包括新風量、排風柜面風速、排風柜排風量[21];張萍[22]、劉珂等人[23]比較了國內(nèi)外設計標準中對實驗室換氣次數(shù)的要求。但由于國內(nèi)外實驗室設計標準中實驗室分類、排風柜使用場所分類不同,無法直接對比幾項設計參數(shù)的嚴格程度。

另外,在排風柜設計參數(shù)方面,Neuman等人提出了實驗室通風柜的差異性系數(shù)與使用系數(shù)2個概念,其中差異性系數(shù)為排風柜的實際排風量與最大可實現(xiàn)排風量的比值,使用系數(shù)為實驗人員在通風柜前實驗的時間占總上班時間的比值[24]。而實際工程設計中更多應用的是同時使用系數(shù)概念。22K523《化學實驗室通風系統(tǒng)設計與安裝》提出全面通風系統(tǒng)的同時使用系數(shù)應根據(jù)建設方的要求選取,當無要求時,在確保實驗室安全、正常使用的前提下,取合用系統(tǒng)的同時使用系數(shù)為0.6～0.8[8]。HG/T 20698—2009《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》提出同時使用系數(shù)一般取0.6～0.7[25]。文獻調(diào)研及工程經(jīng)驗顯示,實際工程中高校的化學化工實驗室同時使用系數(shù)會根據(jù)實驗室覆蓋層數(shù)、排風柜數(shù)量、實驗項目取0.5～0.8[26-28]。

在實驗室通風系統(tǒng)的設計方面,工程中通常存在排風量無法達標、排風系統(tǒng)不平衡、室內(nèi)負壓過大、室內(nèi)溫濕度無法控制等問題。朱軼勛等人以面積為420 m2的一化工廠實驗樓的通風空調(diào)系統(tǒng)為例,分析了實驗室內(nèi)濕度過大、送風口結(jié)露、房間負壓過大、室內(nèi)冷熱不均問題的原因及解決方案[29]。林忠平等人介紹了某跨國化學工廠大型研究中心實驗室的空調(diào)通風系統(tǒng)設計案例,其排風柜存在面風速不足的問題就是因為集中排風系統(tǒng)風量不平衡及復雜控制系統(tǒng)未正常工作[30]。按一般舒適性空調(diào)的要求對化學實驗室通風空調(diào)進行設計會出現(xiàn)后期運營上的許多問題。設計過程中應該強調(diào)補風系統(tǒng)與排風系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)與通風系統(tǒng)的配合設計,應重視滲入室內(nèi)的空氣對室內(nèi)濕度的影響及濕度控制方法,強調(diào)控制系統(tǒng)的有效性。

實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗大,調(diào)研顯示由通風系統(tǒng)引起的新風負荷占實驗室空調(diào)總負荷的40%～90%[31]。左鑫針對實驗室空調(diào)通風能耗,提出了一些節(jié)能設計方法,包括根據(jù)適當?shù)脑O計標準確定排風量與新風量、根據(jù)實驗室建筑性質(zhì)配置不同冷熱源方案、應用變風量排風與新風補風、采用排風柜自循環(huán)過濾系統(tǒng)[4]。闕炎振等人基于排風柜的差異性系數(shù)與使用系數(shù),對某有機化學研究所實驗室進行了調(diào)查統(tǒng)計,比較分析了排風柜拉門下拉至50%、面風速一定的情況下定風量與變風量系統(tǒng)的風機能耗,結(jié)果表明變風量系統(tǒng)的風機能耗可減少87.1%[31]。趙俠等人對比了不同排風換氣次數(shù)下不同通風方案的初投資、運行能耗、改造靈活度[21]。目前考慮實驗室能耗主要集中在不同通風方案下的風系統(tǒng)能耗,未考慮室內(nèi)環(huán)境的控制與補風空氣處理,而新風系統(tǒng)的處理過程極大地影響著系統(tǒng)能耗,一旦處理不當也會導致室內(nèi)環(huán)境控制問題。

3 實驗室排風系統(tǒng)設計

由于化學實驗室的廢氣需要經(jīng)過集中處理后才能排放,因此除特殊危險實驗室外,通常排風系統(tǒng)為集中排風、集中處理。另外,由于高校實驗室的實驗復雜性及相比于化工廠的不可控性,一般不采用自凈式排風柜。根據(jù)排風量變化特性,排風系統(tǒng)分為定風量排風系統(tǒng)和變風量排風系統(tǒng)。

3.1 定風量排風系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)研考察,建設時間較早的高校實驗室采用定風量排風及自然補風系統(tǒng)較為常見。排風柜采用定風量排風柜,排風系統(tǒng)風閥均為手動調(diào)節(jié)閥,風量整定完成后不作調(diào)節(jié)。排風系統(tǒng)啟動后定風量運行,補風由室外或走廊補充進入。這種情況下采用這種做法的實驗室對室內(nèi)環(huán)境要求較低,排風柜開啟時室內(nèi)溫濕度不作保障,相應通風空調(diào)系統(tǒng)的投資與能耗也最低。部分實驗室為改善室內(nèi)溫濕度條件,利用空調(diào)新風取代外窗自然滲透的新風。

當實驗室排風柜等通風設施數(shù)量較少、折算換氣次數(shù)小于或接近實驗室最小換氣次數(shù)時,采用定風量通風系統(tǒng)較為合理。為避免柜門關(guān)小帶來的面風速過大的問題,定風量排風柜選型建議采用旁通型(見圖1),其柜門上方設置旁通百葉,柜門降低時旁通排風量增大,以保證總排風量穩(wěn)定。

圖1 旁通型定風量排風柜

3.2 變風量排風系統(tǒng)

高?；瘜W實驗室通常排風柜布置密集,通風強度大,新建實驗室排風系統(tǒng)一般采用變風量系統(tǒng)。實驗室中排風設備主要包括排風柜與藥品柜。變風量通風系統(tǒng)配置中,排風柜采用變風量排風柜,排風管上的變風量調(diào)節(jié)閥保證排風柜門啟閉時面風速滿足控制要求。調(diào)節(jié)閥采用壓力無關(guān)文丘里閥或電動蝶閥,閥門開度通過面風速信號或柜門位移信號控制。其他需保持穩(wěn)定排風量的排風設施如藥品柜等的排風管可采用壓力無關(guān)定風量閥,維持排風量恒定。

變風量排風系統(tǒng)設計時應考慮保證最小排風量。當室內(nèi)通風設施最小排風量之和大于等于實驗室要求的最小排風量時,此風量即為實驗室的實際最小排風量;當室內(nèi)通風設施最小排風量之和小于實驗室要求的最小排風量時,排風柜設限位器限定最小關(guān)閉高度(增大排風柜的最小風量),使室內(nèi)的排風總量滿足最小換氣次數(shù)的要求,也可設置獨立排風口(該排風口設置變風量調(diào)節(jié)閥,排風柜風量減小時增大排風量),保證最小換氣次數(shù)滿足要求。

排風柜風量控制一般是利用安裝在排風柜中的風速傳感器測得風速,直接由位移傳感器測得柜門開度并傳輸?shù)娇刂破?根據(jù)計算出的風量來改變風閥開度。風量調(diào)節(jié)閥目前以文丘里調(diào)節(jié)閥或?qū)嶒炇覍Ｓ秒妱拥y為主。文丘里閥反應迅速,蝶閥在系統(tǒng)成本及安裝方面有優(yōu)勢。

排風機可采用定靜壓法或總風量法實現(xiàn)變頻控制。定靜壓法是在排風干管上設置靜壓傳感器,通過控制器和變頻器調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,維持管道靜壓,使風機能根據(jù)各排風柜風量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)風量,達到減小風機能耗的目的。通風管道內(nèi)風壓的測定,除了正確使用測壓儀器外,還應合理選擇測量斷面,減少氣流擾動對測量結(jié)果的影響,因此測壓點應盡量選擇在氣流平穩(wěn)的直管段上。當測壓點設在彎頭、三通等異形部件前面(相對氣流流動方向)時,距這些部件的距離應大于2倍管道直徑;當測壓點設在上述部件后面時,距這些部件的距離應大于4～5倍管道直徑。

總風量控制方法中,風機控制器根據(jù)各房間控制器反饋的需求排風量直接計算出要求的風機轉(zhuǎn)速,與定靜壓控制相比,避免了使用壓力測量裝置,減少了一個風機的閉環(huán)控制環(huán)節(jié),控制性能上具有快速、穩(wěn)定的特點,并且降低了后期調(diào)試的難度。

變風量排風系統(tǒng)除上述正常工作模式外,尚應具備切換至夜間最小排風量工況及緊急排風工況的功能。其中在緊急排風工況下,當系統(tǒng)檢測到實驗室內(nèi)發(fā)生有害氣體泄漏等情況時,自動或手動啟動緊急排風工況,實驗室內(nèi)所有的排風柜切換到全開狀態(tài),同時設置在室內(nèi)的緊急排風口聯(lián)動開啟,排風機啟動工頻運行模式,以保證實驗區(qū)域的安全。

4 實驗室補風系統(tǒng)設計

4.1 實驗室補風系統(tǒng)設計參數(shù)

實驗室補風系統(tǒng)設計參數(shù)包括補風量及補風處理的空氣狀態(tài)參數(shù)。

補風量受建筑室內(nèi)風平衡影響,一般化學實驗室需保持微負壓。JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[6]指出,設置機械送排風的實驗室建筑應進行風平衡及熱平衡的分析計算,在排風量較大時應設置機械補風系統(tǒng),間歇使用的排風系統(tǒng)且排風量(換氣次數(shù))不大于2 h-1時,可設置有組織的自然進風。房間負壓控制及補風量的確定受房間門窗密閉性、人員進出頻率等多種因素影響。設計過程中主要根據(jù)房間門窗滲透量來確定補風量。

實驗室內(nèi)溫濕度條件應優(yōu)先滿足實驗工藝要求,無特殊要求時,JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[6]指出,在供冷工況下控制室內(nèi)溫度為26～28 ℃,相對濕度不大于65%;供熱工況下室內(nèi)溫度為18～20 ℃。這一要求也同時能滿足GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[32]中Ⅱ級熱舒適度的條件要求。但對于高校實驗室,排風柜通常布置密集、通風強度大,如果完全滿足上述室內(nèi)溫濕度條件,不僅空調(diào)能耗巨大,空調(diào)補風管線及風口等也難以布置,可以考慮對室內(nèi)溫濕度降低相關(guān)要求。

4.2 變風量補風系統(tǒng)風量控制

實驗室集中式補風完全由集中式新風系統(tǒng)提供,新風經(jīng)空調(diào)機組集中處理后送入室內(nèi),每間實驗室送風支管上設置變風量閥,根據(jù)室內(nèi)排風量或室內(nèi)外壓差值調(diào)節(jié)送風量。集中式變風量補風系統(tǒng)的風量控制包括各實驗室的補風量控制與補風系統(tǒng)總風量控制。

實驗室風量控制一般采用余風量法或余壓控制法,余風量法利用排風閥所反饋的排風量減去保持實驗室負壓所需風量差作為補風量目標值來控制補風變風量閥,而余壓控制法則直接以實驗室相對走道間的負壓值作為控制目標控制補風變風量閥。

集中式補風系統(tǒng)的風量控制一般采用定靜壓法或總風量法。定靜壓法通過補風干管壓力信號對補風系統(tǒng)風機進行變頻調(diào)節(jié);總風量法則利用所有補風控制閥所反饋的補風量累加值來調(diào)節(jié)補風總風量。當集中式補風系統(tǒng)承擔的實驗室較多、系統(tǒng)總風量較大時,單個實驗室末端調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響較小,系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性較好。

分散式變風量補風系統(tǒng)以實驗室為單位,分散布置各補風裝置,每個實驗室獨立補風,補風系統(tǒng)風量的控制方式主要為2種:利用房間風量控制器累加實驗室內(nèi)排風量來控制新風機組風量,以維持實驗室內(nèi)的風量平衡;通過房間壓差傳感器直接測量房間與走廊的壓差,調(diào)整控制新風機組風量。

分散式變風量補風系統(tǒng)相比于集中式系統(tǒng),補風系統(tǒng)獨立,通過單個實驗室風機變頻的方式實現(xiàn)風量調(diào)節(jié),控制系統(tǒng)相對簡單,可以節(jié)省文丘里閥或電動蝶閥等風量調(diào)節(jié)設施,降低補風初投資。但同時補風量通過風機變頻控制實現(xiàn),其控制精度及響應時間不能與排風柜風量調(diào)節(jié)閥相匹配,短時間內(nèi)可能出現(xiàn)實驗室負壓過大或產(chǎn)生正壓的狀況。與集中補風系統(tǒng)相比,系統(tǒng)管道占用空間減小,可以降低對建筑層高的要求(集中補風系統(tǒng)一般要求層高不小于4.8 m,分散式補風系統(tǒng)要求不小于4.2 m),同時也節(jié)省了新風機房占用的建筑面積,控制系統(tǒng)也相對簡單。此外,由于分散式變風量補風系統(tǒng)直接就地吊裝于實驗室吊頂內(nèi),對新風機組的噪聲及振動影響較大。在檢修空間允許的情況下,建議采用設置消聲器、加裝隔聲罩等措施加以改善。

4.3 實驗室補風的空氣處理過程

在一般空調(diào)設計場所的全空氣系統(tǒng)中,送風量通常是根據(jù)空調(diào)機組處理的空氣送風狀態(tài)點及室內(nèi)熱濕平衡進行確定,同時復核新風量滿足人員最小新風量的要求。但高?；瘜W實驗室中補風系統(tǒng)的風量則是根據(jù)風量平衡進行確定,由于風量較大常常無法同時實現(xiàn)室內(nèi)的熱濕平衡。

通常實驗室夏季補風的空氣處理過程及承擔的負荷包括以下4種情況:

1) 補風通過冷卻除濕到室內(nèi)等濕點后經(jīng)再熱處理到室內(nèi)狀態(tài)點的理想情況。補風不承擔室內(nèi)熱濕負荷,空調(diào)末端獨立承擔室內(nèi)所有熱濕負荷。

2) 補風通過冷卻除濕后經(jīng)再熱處理到送風點,并承擔室內(nèi)所有熱濕負荷。

3) 補風通過冷卻除濕處理到室內(nèi)等焓點。補風進入房間時為低溫高濕新風,不承擔室內(nèi)熱負荷,但帶來新風濕負荷,空調(diào)末端承擔室內(nèi)所有熱濕負荷及新風濕負荷。

4) 補風通過冷卻除濕處理到室內(nèi)等溫點。補風進入房間時為等溫高濕新風,不承擔負荷的同時帶來新風熱濕負荷,由空調(diào)末端承擔室內(nèi)所有熱濕負荷及新風熱濕負荷。

前2種補風空氣處理過程能實現(xiàn)較好的室內(nèi)溫濕度控制,但由于存在冷熱抵消過程,能耗巨大,實際項目中應用較少。部分工程由于其運行能耗巨大,實際運行時未啟用再熱裝置,會造成補風溫度過低,導致室內(nèi)溫度過低。

由于空調(diào)末端的熱濕處理能力有限,第3種、特別是第4種處理過程容易帶來室內(nèi)結(jié)露的問題。

由于實驗室補風量大,熱濕處理過程的合理確定對實驗室運行能耗有極大的影響,建議根據(jù)項目所在地的氣象條件、能源環(huán)境,同時結(jié)合實驗室使用要求及運行經(jīng)費條件,通過經(jīng)濟技術(shù)比較后確定。對于室內(nèi)環(huán)境要求較高及夏季濕熱地區(qū)的實驗室,采用上述第3、4種補風處理方式時,需充分考慮室內(nèi)濕度過高帶來的影響和風險。

5 結(jié)束語

高等院校的化學實驗室承擔著教學與科研雙重任務,在保證滿足使用需求的前提下,結(jié)合學校實驗室的使用特點和要求,充分減少運行能耗、降低運行費用,合理選擇通風及控制系統(tǒng),是高校實驗室通風設計的重要任務。

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、標準與指南及當前我國高校實驗室的通風系統(tǒng)設計應用現(xiàn)狀,對未來實驗室暖通空調(diào)設計的發(fā)展方向提出以下建議:

1) 在實驗室通風系統(tǒng)的應用中,傳統(tǒng)的補風空氣處理過程會導致室內(nèi)環(huán)境條件不達標或能耗大等問題,亟需在實驗室應用場合提出新的實用且節(jié)能的空氣處理過程。

2) 高校實驗室中變風量排風柜的應用較多,控制復雜,對運行過程中的排風、補風、空調(diào)的控制提出了較高的要求,在設計及運營階段需明確并強化通風空調(diào)系統(tǒng)、室內(nèi)溫濕度控制能力。