楊銳明， 禚玉群

(清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京100084)

0 引言

科研樓是高校的重要基礎設施，一般為多層獨立建筑，包括實驗室、研究室、辦公室等工作間和配電室、風機房、水泵房等設備間。其中占面積最大的是實驗室，不同的實驗室完成不同的科研任務，其內部設備布置差別較大，大多數房間，尤其是進行樣品制備和化學分析的房間都需要進行強制排風換氣，而整個樓宇內不同的房間其排風任務可能完全不同?？蒲袠鞘翘厥獾慕ㄖ?，既要保證科研工作的順利進行，又要保證人員的安全與舒適。除了需遵守建筑行業(yè)標準《JGJ91-93科學實驗建筑設計規(guī)范》中關于排風換氣的規(guī)定以外，還應根據社會的發(fā)展和新設備的使用，及時把新的設計理念應用其中。

1 整體方案

排風系統的首要任務是保證實驗的安全性，提供足夠風量的可靠排風，同時還需考慮科研任務變化性大、不確定性多的特點，要求系統具有一定的變化適應性和擴展性，隨著低碳綠色生活理念的普及，運行經濟性和良好的用戶體驗也越來越成為方案設計的重要組成，早期的系統一般為定風量(Constant Air Volume，CAV)系統，雖然系統投資小，控制簡單，但用戶體驗較差，能源浪費較多，已逐步淘汰;變風量(Variable Air Volume，VAV)實驗排風系統根據排風設備的需要，使用適當的面風速/風量進行系統的設計，其安全性、節(jié)能、適應性和靈活性得到了充分的驗證，雖然初投資偏高，仍然獲得了越來越多的應用［1］。

一個科研樓從設計、施工到用戶進入少則2年，多則3～5年，設計階段應和用戶進行積極溝通，充分了解用戶需求，使用戶的需求層面和設計方的技術層面達成統一，避免“一入住就改造”的情況。

一個科研樓實驗排風系統應從全樓的角度整體考慮排風方案，避免設計多個局部系統，各自為政，相互干擾，運行經濟性也差。系統控制包括硬件設施和自動控制系統，應按3個層級遞進考慮，不同的層級需要不同的控制策略。第1層級是室內需要排風的設備，如排風柜、氣瓶柜、實驗裝置等，他們各有不同的排風方式。第2層級是指整個房間，不同的房間用途不同，安裝了不同的設備，既要考慮設備排風，也要考慮內部空間的人員換氣需求和補風方式，不能“一刀切”，需要逐一進行有針對性的設計。第3層級是樓宇的排風，包含了不同樓層多個分支風管，匯總后進入豎井，要解決他們之間阻力特性匹配，包括樓層之間高差帶來的壓差，并從全樓宇的角度解決控制邏輯等問題。

2 排風量的核定與控制方式

連續(xù)風量是指需每日24h連續(xù)排風的風量;臨時風量是指只在進行某種科研工作時才需要的排風量。總風量是連續(xù)風量和考慮了同時利用系數之后的臨時風量之和，即

式中:Lz為總風量;Llx為連續(xù)風量;Lls為臨時風量;k為同時利用系數。

2.1 第1層級:需要排風的設備

(1)排風柜。排風柜是實驗室中最常見的排風設備，多為定風量運行，使用效果不佳，耗能大。變風量排風柜是按柜面風速控制其排風量，較好地解決了這些問題。風速按室內允許的污染物濃度分級設置［2］，如表1所示，科研單位處理的污染物不固定，綜合考慮安全性和運行費用，可按中間檔選取，即:0.50 m/s的面風速，這也符合相關行業(yè)標準的規(guī)定［3］。

表1 排風柜柜口的面風速值

排風柜在工作時會人為改變面板的開度，此時柜內的卷軸行程傳感器感應到開度的變化，自動調節(jié)排風柜出口的風閥，始終保證適當的面風速。該風閥應選用壓力無關型數字式變風量文丘里閥，反應速度快，控制精度高，且不受室內壓力影響，結合全樓的排風控制系統可以實現以上功能［4］。此風量為臨時風量。

使用過的排風柜，其內表面和連接管路中會粘附冷凝或吸附下來的有毒物質，如無機酸，在常壓下會擴散到實驗室內部，造成對人員的傷害，因此，排風柜即使在不工作時，也應處于負壓狀態(tài)，可以設定其處于最小流量狀態(tài)，此流量一般為200 m3/h［5］，是連續(xù)風量。

(2)萬向排氣罩/原子吸收罩。萬向排氣罩和原子吸收罩不需24 h連續(xù)工作，是臨時風量。通常放置于待排風設備的上方，宜按照設備規(guī)定的排氣風速，計算其排氣量，可根據Dalla-Valle公式進行計算［6］:

式中:L為排風量，m3/h;X為罩口至桌面的距離，m;F為罩口面積，m2;u為排風風速，m/s。

在引出管路上安裝定風量閥，按固定排氣量進行控制。由于其所在房間內可能有其他排風設備，室內壓力不穩(wěn)定，此風閥應為壓力無關型。

(3)氣瓶柜/氣瓶間/化學試劑柜。它們都應24 h排風，是連續(xù)風量，接入總排風系統。氣瓶柜內部有可燃氣體檢測器，一旦檢測到可燃氣體濃度大于規(guī)定值，就按泄漏處理，發(fā)出聲光報警，并開啟強排，此時關閉日常排風閥，強排氣體直接由專用管道排至室外。

(4)實驗裝置。實驗裝置的特點是運行時數小，但排風量較大，且風量變化不定。一般自帶送、排風機，此類設備宜將風道接入系統干路，不要與小風量的分支管并聯。它是臨時風量的主要組成部分，在排風機選型和補風控制中需重點考慮。

2.2 第2層級:整個房間的排風

不同的房間中需要換氣的設備差異可能很大，籠統地以房間需要每小時換氣的次數進行規(guī)定具有很大的盲目性，目前對此業(yè)界也沒有統一的標準，美國的實驗室排風設計標準中沒有制定具體的排風換氣次數指標［7］，但德國標準DIN1946規(guī)定的換氣次數為每小時8次［8］。應根據房間內的設備和用途，以連續(xù)風量和臨時風量的原則進行加和得到房間的總排風量，再根據實際情況確定補新風方案，確保空氣是從走廊等清潔區(qū)向污染區(qū)單向流動。

2.3 第3層級:樓宇的排風

樓宇的排風系統常見水平布置和垂直布置兩種。

水平布置即每個樓層的風管全部引到一個風機房中，從遠端至風機房的距離較大，占用吊頂面積較多;分支復雜，風量偏差和竄風等問題較大，流量調試困難;中間各層的排風不能排至樓頂及時被吹散稀釋，有可能擴散至鄰層的辦公區(qū)域;風機安置在各層，需多臺風機，須有風機房，需對風機進行降噪處理。即使設置排風豎井，將每層的氣體排至樓頂，其豎井的面積占用也較大，空間使用效率較低。

垂直布置即排風道水平局部區(qū)域匯總后進入排風豎井，對于常見的一字型、Y字型、回字型樓宇，全樓在不同方向設計幾個垂直排風豎井。垂直設置排風系統的好處較多，首先水平匯總風道較短，有利于在吊頂內布置，占用吊頂面積較少;豎井的數量較少，利用率較高;氣體全部由布置于樓頂的排風機排走，有利于氣體的擴散稀釋，風機噪音對人員的影響小。

宜采用垂直布置方式。各層存在著數量不等的并聯支管，各層所有支管都匯總到風道豎井，是典型的并聯管網。各支管兩端的壓差必然相等，即靜阻力相等［9］。因此，在每個支管上，應設置壓力傳感器和調節(jié)風閥，以靜阻力最大支管的最遠端設備風量能滿足需要時的風壓為基準，調節(jié)其余支管的風閥，則可以滿足所有排風設備，實現各層的阻力平衡［10］。當某支管排風量發(fā)生變化時，壓力發(fā)生變化，風閥開度或風機轉速相應發(fā)生改變，保持靜壓不變，即能保證其余支管排風量基本穩(wěn)定［11］。

全樓的排風風量包括了連續(xù)風量和臨時風量，排風系統需24 h連續(xù)運行。

3 其他問題

3.1 補風系統

應根據房間的大小、用途和換氣設備的具體情況，并考慮人員的舒適性需求后，計算所需的換氣量，以此為依據設計房間的補風系統。換氣量小的房間通過百葉窗或門窗自然補風，換氣量大的房間需要有組織地補充新風。

有組織地補風宜按房間整體考慮，補風系統的啟停和風量控制應和排風系統聯動。補風量的確定有兩種方式:①余風量控制，控制系統計算此時的室內排氣量，補風量為排氣量的70%［2］，保持差值(余風量)不變，可使房間內處于微負壓。② 按負壓設定，通過壓力傳感器控制送新風量，維持房間的負壓，當為某一適當房間面積時，可以僅按某一風量排風而不補風，此時通過門窗縫隙和吊頂滲透進來的空氣可使室內負壓維持在－5 Pa左右，尤其適用于夜間換氣。但受現場實際情況影響偏差較大，需根據現場門窗情況進行調試，不適用于所有房間，換氣量大的房間仍需進行有組織的補風［12］。補新風以按余風量恒定的控制方式為佳。

補風系統提供的是新風，需結合實際情況，考慮補風量、補風地點和溫濕度控制。根據房間面積，當連續(xù)風量和臨時風量之和超過某一計算值時，在冬季和夏季的情況下，室內溫度會出現較大偏離，此溫差通過房間空調是無法及時調整的，因此需要對新風進行加溫或降溫處理后再送入。新建筑應該在敷設排風管路的同時敷設新風管路，新風管路對排風管路進行余熱回收，但投資較大。一個替代方案是不建設新風管道，只針對特殊用途房間，采用多聯機空調系統和分布式空氣源熱泵就地補新風［13］，可以大大節(jié)約投資。

3.2 排風機選型

排風機宜選擇低噪防爆風機，變頻運行，其容量的選擇應考慮如下因素。

(1)風機的負荷變化可能較大，由于其流量和轉速為線性關系，而轉速和風機軸功率是三次方關系，因此低負荷時應通過變頻降速運行，可以大大節(jié)約運行成本，而風機效率基本不變［14］，如以下公式所示:

式中:L為流量;n為轉速;N為軸功率。

(2)由于風機轉速和風壓是二次方關系［14］，即

式中:p為風壓;n為轉速。在風機運行于連續(xù)風量即最小風量時，應能提供足夠的壓頭，并校核風機壓力特性曲線處于穩(wěn)定工作區(qū)。

(3)和使用方充分溝通，科學計算臨時風量的同時利用系數，避免風機容量選擇過大，既要滿足排風需求，且在總風量下，豎井中的風速不應大于8 m/s，風道支管不應大于6.5 m/s，否則氣流的喘流噪聲會較高［7，15］。

3.3 噪 聲

《GB 50045—2005高層民用建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，學校教室內允許噪聲在50～55 dB(A)之間［7］，如超標需要加裝消聲器。

3.4 廢氣凈化處理

根據樓宇的實驗工作性質進行必要的濾塵和吸附處理，通常廢氣為酸性，可使用5%氫氧化鈉水溶液作為吸收液，并根據投資額和運行費用確定合理的液氣比［16］，有機廢氣使用活性炭進行吸附［17］。

4 結語

科研樓排風系統方案的確定是一個系統工程，好的方案設計，好的施工質量和認真細致的調試和驗收環(huán)節(jié)，才能提供良好的用戶體驗。如每一個排風柜的變風量文丘里閥，萬向罩的定風量文丘里閥，每層支路總管的節(jié)流閥和靜壓傳感器的分部調試和整個系統聯調，風機變頻工作曲線的確定等，調試工作的優(yōu)劣決定了系統的使用效果。土建風道內部是否存在漏風和未封堵的人孔，分支風道各法蘭的密合性，各風閥是否存在過大的固有漏風量等等也需進行細致的排查。