实验室通风系统设计关键环节

目前很多的实验室对其通风系统的要求只停留在有或没有的概念上,并没有真正了解其中的重要性。实验室通风系统是一项复杂的系统工程,包含了排风、新风、控制、处理等多种构成要素,不同的配置、组合、协调配合都会影响其实际效果。

正由于实验室通风系统的复杂性与特殊性,在设计过程中需重点把握一些关键环节。实验室通风系统设计应满足下列原则:

一、空调系统的负荷计算

由于实验室空调系统很少在最大空调设计负荷条件下运行,但又必须能对实验室内所发生的各种情况作出迅速的反应,因此在设计中要认真考虑由于内部负荷(工艺操作、设备、人员、照明等负荷)、外部条件(季节负荷变化及日夜负荷变化)、排风需求所引起的系统负荷变化。实验室空调系统负荷通常来自以下三个部分。

1、实验室内部的负荷

即实验人员及实验过程所散发的显著和潜热、实验设备及照明所散发的热量。因此要仔细了解实验工艺流程,获得实际运行中的设备和工艺的发热量,以及详细了解实验设备的实际使用情况,确定设备的同时使用系数,这样才能对室内热湿负荷做出较准确估算。

2、实验室围护结构的负荷

由于实验室对室内温度、相对湿度以及相对静压等均有一定的要求,因此对围护结构的热工性能、保温性能、隔气性能等有相应的要求。为了保持室内负压状态,对维护结构的气密性能也有要求。

3、新风负荷

由于实验室排风设施多并且还有采用直流式全新风方式的空调系统,新风负荷在整个系统的负荷中占据了很大的份额。国外实验室空调系统大部分采用直流式全新风系统,根据国内的实际情况从节能角度考虑,除了化学实验室、使用放射性材料的实验室、压缩气体钢瓶储存区域和其他不能使用循环空气的实验室外,一般只要满足实验室排风设备的排风量和室内卫生条件,空调系统可采用循环空气,以节省工程初期投资和运行费用。

二、送排风系统设计

要保证实验室人员的安全,除了通风柜位置和数量等问题外,核心问题是保证通风柜的面风速恒定在安全范围内,一般规定是0.5m/s±0.1m/s,这就需要通过在通风柜的调节阀处的传感器变风量控制系统,以确保通风柜排风量达到给定的面风速。

1、通风柜的配置

(1)配置文丘里阀门或地阿东碟控制通风柜排风量。文丘里阀门将机械的、压力无关的调节器与高速定位/气流控制器结合在一起满足气流控制的独特需求。这些阀门可用于定风量控制、双稳态控制或变风量控制中,都是被设计用来减小而定噪声的同时最大限度地发挥气流的性能。

压力无关操作:所有类型的阀门都包括一个立即响应的机械组件用来在风道静压变化时将气流维持在设定风量。

(2)配置门位传感器或面风速传感器,控制通风柜面风速的恒定。

(3)配置红外等区域传感器,检测实验室工作人员是否在通风柜前工作,当有人工作时,通风柜平均面风速为0.5m/s;当通风柜前没有人时,通风柜平均面风速为0.3m/s。

(4)控制器的确定,应选用相应速度快的产品,防止污染物的逸出。

2、通风柜排风量的计算

(1)所有排风设备的排风总量;

(2)保证室内温度及湿度要求所需的送风量;

(3)为保证室内卫生条件的最小通风量。

有关排风设施的排风量以及室内热负荷的确定在前面的章节中已作了叙述。根据ASHARE手册介绍,实验室最小通风量一般在6次/h~10次/h换气次数之间;美国的国家健康协会(NIH1996a,1996b)推荐实验室的最小换气次数为6次/h,动物房和处理区的最小换气次数为15次/h。目前,国外对换气次数的规定有增大的趋势。

3、空调系统送风

空调系统的送风量除应满足实验室的热舒适性外,同时还要考虑对排风的补充风量,当排风量过度大于送风量时会破坏室内的热舒适性,特别在冬季,会使室内的工作人员感到冷风吹风感,同时还会造成室内负压过大,对于湿度较大的实验室,新风的补充更需要考虑由于空气中湿度过大而产生的冷凝现象,因此实验室新风须由空调系统进行预处理。补风量应根据实际情况在设计中考虑,也可参考国外的规范或标准,德国的VDI通风规范规定,只有在能保证长期使用的实验室内有害气体浓度不会达到危险程度并且从排风柜排出的最大风量不超过9m³/h时才允许。

4、实验室对送排风系统要求

实验室送风和排风应根据实验室工艺和室内安全、卫生和环保规范要求来确定空气过滤或特殊处理的方式。常规化学实验室送风通常使用过滤效率为85%(ASHARE标准52.1)的空气过滤器;排风处理可采用稀释、过滤、洗涤、吸附等处理措施。化学实验室的排风口和新风口应有效隔离:排风口高度最小不低于屋面3m(美国工业卫生协会AIHA标准Z9.5);排风口最小风速不小于当地室外风速的1.5倍。

实验室根据ASHRAE的要求送风全部采用新风,然后100%排出室外,通风柜的排气不能在室内循环。实验室的换气次数实际大小与通风柜数量及每个通风柜换气量有关,同时最小换气次数要求为6次/h~10次/h(实验室无人时换气次数可减少为6次/h)。另外,实验室通风柜的排风不作为唯一的室内排风设施,局部可能产生危险物质的仪器上方需设置排气罩进行局部排风。

实验室送风气流组织:送风口一般布置于远离通风柜的一侧,在通风柜附近的扰动气流速度应尽可能低,以免造成气流将通风柜内气体带入室内的危险,风口形式多采用孔板式。

三、通风系统静音设计

实验室噪声要求:为了给实验人员提供一个较为安静的研究环境,应该控制房间的噪声<NC45(美国健康协会NIH),因此用来提供室内排风机应尽量放置于室外,如果因条件限制而无法放置于室外时,应对放置于室内吊顶中的排风机做好相应的降噪措施。同时对排风管道材料选择、布置以及控制阀门进行优化,减少由于风压而产生的室内噪声。

四、危险性评估

实验室空调通风系统设计之前,必须对该实验室的危险性进行综合评估,将有害物质的性质、危险等级、浓度和用量、实验操作方式等作为评估条件,由此决定队人员的保护方式。当实验过程中存在的潜在危险较低时,采用定向气流对人员的保护方式。当实验过程中存在的潜在危险较明显时,则采用限制性更强的保护措施,例如全封闭的带操作手套的密封箱等。