潘振眉

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

該工程為某學(xué)院機(jī)電實(shí)訓(xùn)大樓和資化實(shí)訓(xùn)大樓，總建筑面積為31 130.1m2,地上建筑面積為26 977.7m2，地下建筑面積為4152.4m2。建筑高度23.95m。地下共一層設(shè)有設(shè)備用房，停車庫(kù)。地上由南北兩棟樓組成各6層。南樓為機(jī)電實(shí)訓(xùn)大樓，北樓為資化實(shí)訓(xùn)大樓。

本文重點(diǎn)研究的對(duì)象為資化實(shí)訓(xùn)大樓中實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)。資化實(shí)訓(xùn)大樓內(nèi)設(shè)有礦加工實(shí)驗(yàn)室、污水工藝實(shí)驗(yàn)室、高分子加工實(shí)驗(yàn)室、資環(huán)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室、化工(環(huán)境工程)原理實(shí)驗(yàn)室、物化實(shí)驗(yàn)室、預(yù)備室、無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)室、生物質(zhì)能實(shí)驗(yàn)室、資源循環(huán)實(shí)驗(yàn)室、發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)室等各種化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室，如圖1所示。

圖1 電實(shí)訓(xùn)大樓和資化實(shí)訓(xùn)大樓鳥瞰圖

2 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

資化樓實(shí)驗(yàn)室作為該學(xué)院學(xué)生和教師進(jìn)行化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，本設(shè)計(jì)需確保在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的教師和學(xué)生的健康安全以及保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，防止實(shí)驗(yàn)中的污染物和有毒物質(zhì)向?qū)嶒?yàn)室擴(kuò)散，其中安全有效的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)效起了至關(guān)重要的作用。

由于資化樓內(nèi)涉及各種生化類實(shí)驗(yàn)，使得大樓產(chǎn)生廢氣的種類眾多，成分復(fù)雜。經(jīng)過(guò)與該學(xué)院專業(yè)老師溝通后，了解到在教學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室廢氣產(chǎn)物主要分為無(wú)機(jī)物廢氣、有機(jī)物廢氣。根據(jù)文獻(xiàn)[1]高校實(shí)驗(yàn)室主要無(wú)機(jī)物廢氣為氯化氫、溴化氫、硝酸、硝酸、硫酸、汞蒸氣等；主要的有機(jī)物廢氣為二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、丙酮、甲醇、丙烯酸等揮發(fā)性有機(jī)物(VOCS)。由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)的使用時(shí)間不固定，實(shí)驗(yàn)室的廢氣排放具有不穩(wěn)定性，且產(chǎn)生點(diǎn)源分散的特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)需根據(jù)功能和使用頻率合理劃分實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)，最終實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)方案定為縱向系統(tǒng)，需確保排放到同一豎井的各層實(shí)驗(yàn)室有害氣體應(yīng)保證不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不燃燒、不爆炸、不結(jié)聚成塊或形成毒性更大的有害物質(zhì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)樓的通風(fēng)設(shè)計(jì)提出了高要求。該工程有42間實(shí)驗(yàn)室設(shè)有工藝通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)以上要求設(shè)置了26套通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)主管從豎井直上屋面，風(fēng)機(jī)及廢氣處理設(shè)備均安裝在屋面。

2.2 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選型

該大樓實(shí)驗(yàn)室廢氣，主要采用固通風(fēng)柜和集氣罩進(jìn)行負(fù)壓收集。通風(fēng)柜是實(shí)驗(yàn)室中重要的設(shè)備，能為實(shí)驗(yàn)人員提供一個(gè)安全的操作空間，高效地將煙霧及其他廢氣排放出去。通風(fēng)柜由外殼、內(nèi)襯、臺(tái)面、視窗、水槽、水龍頭、日光燈、插座、開(kāi)關(guān)等組成。通風(fēng)柜的類型，主要有普通型通風(fēng)柜、補(bǔ)風(fēng)型通風(fēng)柜、落地型通風(fēng)柜、桌上型通風(fēng)柜。通風(fēng)柜排風(fēng)量與柜面氣流的平均風(fēng)速(簡(jiǎn)稱面風(fēng)速)有直接關(guān)系，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是為了確保穩(wěn)定的面風(fēng)速[2]。根據(jù)《科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.3.3要求，對(duì)于不同的化學(xué)物品和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，一般推薦面風(fēng)速的范圍為:0.3～0.6m/s。

通風(fēng)柜的排風(fēng)量按下式計(jì)算：

L=3600×FVμ

L——排風(fēng)柜的通風(fēng)量m3/h；

F——操作面的操作面積；

V——操作面的平均速度，取0.3～0.5m/s；

μ——安全系數(shù)，一般取1.1～1.2。

集氣罩主要形式有萬(wàn)向排風(fēng)罩和原子罩。萬(wàn)向罩由杯型集氣罩、關(guān)節(jié)密封圈、伸縮導(dǎo)管、關(guān)節(jié)松勁旋鈕組成。萬(wàn)向罩的伸縮導(dǎo)管采用φ110mmPVC材料，固定架結(jié)合處獨(dú)有可360°旋轉(zhuǎn)裝置，以固定架為中心，活動(dòng)半徑可1600mm，近集氣罩端有封門鈕，供氣流調(diào)節(jié)之用。原子吸收罩由可伸縮不銹鋼集氣罩、帶手動(dòng)調(diào)節(jié)不銹鋼導(dǎo)風(fēng)管等組成，不銹鋼導(dǎo)風(fēng)管采用1.0mm不銹鋼制作，風(fēng)管直徑為DN200mm，在導(dǎo)風(fēng)管上配有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，開(kāi)啟度可以0到1800，可任意調(diào)節(jié)風(fēng)量。不銹鋼集氣罩采用1.0mm316不銹鋼板制作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，抽氣罩可以上下伸縮150mm，以方便實(shí)驗(yàn)操作。原子罩功率較大，萬(wàn)向排氣罩功率較小，原子罩的功率比較大，通常要用不銹鋼材料，排風(fēng)量原子罩的大。集氣罩排風(fēng)量根據(jù)罩口風(fēng)速來(lái)確定，罩口風(fēng)速一般取值：1～2m/s[1]。

集氣罩的排風(fēng)量按下式計(jì)算：

L=π×R2×V×3600×μ

L——集氣罩的通風(fēng)量 m3/h；

R——罩口半徑；

V——罩口風(fēng)速；

μ——安全系數(shù)，1.1～1.2。

各個(gè)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜的個(gè)數(shù)和通風(fēng)柜、集氣罩的形式由資化專業(yè)老師確定。經(jīng)計(jì)算本次設(shè)計(jì)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)柜主要型號(hào)有1500型通風(fēng)柜和1800型通風(fēng)柜兩個(gè)型號(hào)。其中資環(huán)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室、無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)室、物化實(shí)驗(yàn)室、有機(jī)實(shí)驗(yàn)室、分析實(shí)驗(yàn)室、高分子物理室以上實(shí)驗(yàn)設(shè)有萬(wàn)向罩，萬(wàn)向罩設(shè)計(jì)風(fēng)量為250m3/h。另外4層的ICP、ICP-MS、AAS儀器臺(tái)設(shè)有原子罩，原子罩設(shè)計(jì)風(fēng)量600m3/h。

對(duì)于單間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有較多的集氣罩和通風(fēng)柜時(shí)(圖2～圖3)，需要考慮設(shè)置補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)?？紤]通風(fēng)柜使用頻率，本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中超過(guò)3個(gè)通風(fēng)柜考慮設(shè)置補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，補(bǔ)風(fēng)系數(shù)約為50～70%(讓室內(nèi)保持一定的負(fù)壓)，補(bǔ)風(fēng)為冷熱源新風(fēng)。補(bǔ)風(fēng)機(jī)安裝在走道的盡頭，做隔音處理。其他通風(fēng)柜排風(fēng)量較小的實(shí)驗(yàn)室依靠門、窗滲透補(bǔ)風(fēng)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空調(diào)冷負(fù)荷需考慮這部的新風(fēng)滲透負(fù)荷，如圖4所示。

圖2 設(shè)有萬(wàn)向罩的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)示意圖

圖3 設(shè)有原子罩的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)示意圖

圖4 設(shè)有通風(fēng)柜實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)示意圖

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)的形式及通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制

若每個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置一個(gè)單獨(dú)排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)數(shù)量多，垂直管道過(guò)多影響建筑功能與外觀，而且風(fēng)機(jī)總體效率低，數(shù)量眾多的風(fēng)機(jī)也使得日后維護(hù)加大成本。本次設(shè)計(jì)在保證不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不燃燒、不爆炸、不結(jié)聚成塊或形成毒性更大的危險(xiǎn)物質(zhì)情況下，盡量合用實(shí)驗(yàn)的通風(fēng)系統(tǒng)，并且采用變風(fēng)量系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)室廢氣通過(guò)主排風(fēng)管經(jīng)豎井直上屋面，風(fēng)機(jī)及廢氣處理設(shè)備均安裝在屋面，風(fēng)機(jī)選用玻璃鋼變頻離心風(fēng)機(jī)(耐腐蝕)。

為了保證實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)變風(fēng)量運(yùn)行，每個(gè)通風(fēng)柜設(shè)有風(fēng)速傳感器，當(dāng)區(qū)域存在傳感器檢測(cè)到有人工作時(shí)，通風(fēng)柜門上升到工作高度，通風(fēng)面積逐漸變大，面風(fēng)速逐漸減少，控制器輸出信號(hào)到VAV風(fēng)閥(變風(fēng)量閥)，使風(fēng)閥慢慢開(kāi)大，增大排風(fēng)量，直至面風(fēng)速達(dá)到0.5m/s。當(dāng)區(qū)域存在傳感器檢測(cè)到?jīng)]人工作時(shí)，通風(fēng)柜門下降到安全高度，通風(fēng)面積逐漸變小，面風(fēng)速逐漸增大，控制器輸出信號(hào)到VAV風(fēng)閥(變風(fēng)量閥)，使風(fēng)閥慢慢關(guān)小，減少排風(fēng)量，直至面風(fēng)速達(dá)到0.3m/s，如圖5所示。同時(shí)，屋面排風(fēng)機(jī)變頻控制采用定靜壓控制方法，在排風(fēng)機(jī)排風(fēng)主管道上設(shè)置管道靜壓傳感器，變頻器調(diào)根據(jù)管道靜壓傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，維持管道靜壓，從而達(dá)到滿足實(shí)際需要風(fēng)量的目的。例如：當(dāng)通風(fēng)柜的視窗拉高,通風(fēng)柜排風(fēng)閥開(kāi)度加大，此時(shí)排風(fēng)機(jī)管道內(nèi)靜壓減少，管道靜壓傳感器監(jiān)測(cè)到壓力變化，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大排風(fēng)量,使管道內(nèi)的靜壓值回歸到初始狀態(tài)的設(shè)定值，如圖6所示。

圖5 通風(fēng)柜控制原理圖

圖6 屋面排風(fēng)變頻控制原理圖

2.4 有特殊要求的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)

資化樓五層綜合實(shí)驗(yàn)室的緩沖、更衣室、接種室設(shè)置凈化空調(diào)，組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)。室內(nèi)參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

五層綜合實(shí)驗(yàn)室采用全新風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)有兩臺(tái)風(fēng)冷直膨式空調(diào)機(jī)組，綜合實(shí)驗(yàn)室的緩沖、更衣室、接種室、組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室采用高效過(guò)濾器頂送風(fēng)。同時(shí)有機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，在各功能間低處設(shè)置排風(fēng)口，因排風(fēng)具有污染性，排風(fēng)口帶高效過(guò)濾器。

3 實(shí)驗(yàn)室廢氣排放處理

該工程實(shí)驗(yàn)室眾多實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多廢氣，根據(jù)文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)室廢氣主要污染物為無(wú)機(jī)污染物和揮發(fā)性有機(jī)物。若將不經(jīng)處理的廢氣就排放至大氣中，會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染。因此，實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)要采取凈化措施，以保障實(shí)驗(yàn)室廢氣經(jīng)處理后高空排放，滿足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-2004)排放要求。由于無(wú)機(jī)物水溶性通常較好,針對(duì)無(wú)機(jī)污染物的治理工藝主要采用濕法廢氣處理,利用水噴淋塔進(jìn)行廢氣處理，而揮發(fā)性有機(jī)物的理化性質(zhì)差別懸殊,毒理性質(zhì)、治理效果各有不同，因而治理工藝多樣化。目前廣泛應(yīng)用的技術(shù)有冷凝法、吸收法、光催化、吸附法、燃燒法等。由文獻(xiàn)[1]可知吸附法適用于大多數(shù)有機(jī)物的吸附，且具有較好的普適性，并適用于處理低濃度、間歇性排放的有機(jī)廢氣[1]。本次設(shè)計(jì)采用活性碳吸附法進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物廢氣處理?；钚蕴嘉讲捎没\型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)活性碳纖維用量少，處理風(fēng)量大且吸附率可達(dá)95%以上。濕法廢氣處理主要采用玻璃鋼酸霧凈化塔，該裝置主要由復(fù)合玻璃鋼貯液箱、加液管、玻璃鋼風(fēng)帽、不銹鋼水泵、其他配件如閥門等組合通過(guò)液體吸收法來(lái)治理腐蝕性氣體(如酸、堿性廢氣)的塔體。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)室排放的廢氣選擇不同廢氣處理方式，如無(wú)機(jī)材料實(shí)驗(yàn)室、氣相和離子色譜實(shí)驗(yàn)采用活性炭吸附法。分子生物學(xué)與基因工程實(shí)驗(yàn)室、水處理仿真實(shí)驗(yàn)室等采用玻璃鋼酸霧凈化塔，玻璃鋼酸霧凈化塔結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 酸霧凈化塔凈化結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

隨著高等教育的發(fā)展和高?？萍紕?chuàng)新能力的提升，各大高校實(shí)驗(yàn)的科研教學(xué)活動(dòng)更加頻繁，實(shí)驗(yàn)室的廢氣排放及其污染問(wèn)題日漸凸顯，2005年，國(guó)家教育部、環(huán)保部聯(lián)合下發(fā)通知[3]，嚴(yán)禁將實(shí)驗(yàn)室廢氣直接向外界排放，有效防止實(shí)驗(yàn)室廢物污染危害環(huán)境，維護(hù)環(huán)境和公共安全，保障人民身體健康，促進(jìn)建立和諧型社會(huì)。本次設(shè)計(jì)秉持該原則，在實(shí)驗(yàn)室合理設(shè)置通風(fēng)柜、萬(wàn)向罩、原子罩等通風(fēng)設(shè)施收集實(shí)驗(yàn)室廢氣，并有效處理后排入室外環(huán)境，以及設(shè)置潔凈空調(diào)等措施，確保了實(shí)驗(yàn)人員安全和健康，創(chuàng)造一個(gè)舒適的工作和學(xué)習(xí)的環(huán)境，為學(xué)院建立一個(gè)以人為本的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提供必要的條件。