張 喆

（北京石油化工工程有限公司，北京 100020）

0 引言

在有人操作期間，典型的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)以最大風量運行，在無人操作期間系統(tǒng)以最小風量運行，投資少、運行費用高，在大型實驗室難以使用。典型的變風量系統(tǒng)是在每個通風柜排風支管上設(shè)置壓力無關(guān)型變風量排風閥，根據(jù)通風柜柜門的開啟高度，自動調(diào)節(jié)通風柜的排風量，保持通風柜的面風速不變；系統(tǒng)中1 個或幾個通風柜排風量的變化，不會引起其他通風柜面風速的變化，從而保障了操作的安全性。這是目前最節(jié)省運行費用的方法，發(fā)展、推廣速度很快，但投資費用很高。

在某石化企業(yè)新建中心化驗室，共2 層，建筑面積約1920 ㎡，共設(shè)有40 臺通風柜和40 臺萬向排氣罩，由于投資限制，無法采用典型的變風量通風系統(tǒng)，而采用典型的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)將導(dǎo)致很高的運行費用。

在不采用典型的通風柜變風量通風系統(tǒng)的情況下，還要滿足健康安全的要求，降低通風系統(tǒng)能耗，設(shè)計的系統(tǒng)必須要解決3 個主要問題：一是如何實現(xiàn)一個通風柜門的開關(guān)基本不會影響同系統(tǒng)中其他通風柜的面風速；二是如何實現(xiàn)隨著通風柜門的開關(guān)，風機轉(zhuǎn)速能隨之變化以降低系統(tǒng)的能耗；三是在排風系統(tǒng)風量變化時，維持實驗室相對走廊和辦公區(qū)域的負壓?？紤]該廠的化驗室操作管理相對嚴格，該文創(chuàng)新地設(shè)計了一種通風柜雙穩(wěn)態(tài)、系統(tǒng)變風量的通風系統(tǒng)，基本解決了上述3 個問題，解決了投資和運行費用之間的矛盾。

該文結(jié)合該中心化驗室的具體情況，對設(shè)計方案包括上述3 個問題的解決方案進行介紹。

1 排風系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 排風靜壓箱方案

根據(jù)陸耀慶主編的《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，排風系統(tǒng)中風管的壓力損失如下。

式中：ΔP為風管的揚程壓力損失，單位Pa；ΔP 為風管的局部壓力損失，單位Pa。

其中沿程壓力損失：

式中：為摩擦阻力系數(shù)；d為風管當量直徑，單位m；為風速，單位m/s；為空氣密度，單位kg/m3。

其中局部壓力損失如下。

式中：為局部阻力系數(shù)；為風管內(nèi)該壓力損失發(fā)生出的空氣流速，單位m/s；為空氣密度，單位kg/m3。

從公式（1）～（3）中可以看出，在通風柜、風管已確定，風閥開度不變時，、、、都不變，某段風管的阻力僅風速的平方成正比。如果在同一排風系統(tǒng)中，一組通風柜的某段風管的阻力在其中某臺通風柜排風量發(fā)生變化時維持不變則就可以解決前述的第1 個問題，即實現(xiàn)1 個通風柜門的開關(guān)，基本不會影響同系統(tǒng)中其他通風柜的面風速。

該文提出將1 組鄰近的通風柜用1 個靜壓箱連接起來，只要維持靜壓箱內(nèi)的靜壓恒定，那么同組通風柜中任一風閥動作，由于靜壓箱的靜壓不變，就不會影響其他風閥開度不變的通風柜的風量，即其他通風柜的面風速維持不變。在靜壓箱上選擇1 處不易受進出靜壓箱氣流擾動的位置設(shè)置壓力傳感器，用變頻風機控制靜壓箱該處，靜壓恒定不變。

靜壓箱的壓力設(shè)定值需要在系統(tǒng)安裝完畢后，通過測量、調(diào)試確定。靜壓箱壓力設(shè)定值的確定原則是，當柜門開啟到最大安全高度處時，通風柜的平均面風速在0.5m/s 左右；同時同一組通風柜中任何1 個通風柜門的開、關(guān)所引起的靜壓箱壓力變化，應(yīng)能引起排風機變頻器的動作。

1.2 通風柜排風閥方案

在通風柜柜門的最小開度處設(shè)置限位開關(guān)，在通風柜的排風支管上設(shè)置電動風量調(diào)節(jié)蝶閥（以下簡稱電動風閥），電動風閥與限位開關(guān)聯(lián)鎖：當柜門接觸到限位開關(guān)時，電動風閥關(guān)至最小開度的位置；當柜門脫離限位開關(guān)時，電動風閥開至最大開度的位置。

根據(jù)HG/T 20711-2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》5.2.15 第2 款“通風柜風量控制相應(yīng)時間不應(yīng)大于3s”的要求，電動風閥配置快速執(zhí)行機構(gòu)，要求從通風柜門限位動開關(guān)動作到電動蝶閥的啟、閉結(jié)到位結(jié)束時間不超過2s。同時，在設(shè)計說明中要求用戶在編制分析化驗室操作手冊時，要求通風柜操作者在離開通風柜時應(yīng)將柜門關(guān)閉到限位開關(guān)處，在開啟時將柜門開啟到接近最大安全高度處。

通風柜調(diào)節(jié)風閥動作時會引起通風柜風量變化，靜壓箱的靜壓會相應(yīng)偏離設(shè)定值，風閥開度變小，靜壓箱靜壓上升；風閥開度增大，靜壓箱靜壓下降。這時靜壓箱壓力聯(lián)動排風機變頻動作，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，使靜壓箱的靜壓值回到設(shè)定值。如此解決了前述的第2 個問題，即實現(xiàn)了隨著通風柜門的開關(guān)，風機轉(zhuǎn)速能隨之變化以降低系統(tǒng)的能耗。

HG/T 20711-2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》5.2.1 條規(guī)定：“1.處于工作狀態(tài)的有污染物產(chǎn)生的實驗室、化驗室，最小換氣次數(shù)不易低于6 次/h；2.處于非工作狀態(tài)的實驗室、化驗室，最小換氣次數(shù)不低于4 次/h?！庇捎谠摴こ讨行幕炇胰爝\行，因此，每個房間最小全面通風換氣次數(shù)取6 次/h。

HG/T 20711-2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》5.4.5 條規(guī)定：“通風柜操作口的面風速應(yīng)根據(jù)有害物種類、實驗室操作特點等工藝要求確定，宜采用0.4～0.6m/s?！?該工程的通風柜面風速取0.5m/s。

根據(jù)各房間的最小換氣次數(shù)和房間面積、凈高度，便可計算出當該房間所有通風柜門處于關(guān)閉狀態(tài)時每個通風柜的最小排風量；再根據(jù)通風柜面風速為0.5m/s 要求和通風柜的寬度，便可得到通風柜的限位開關(guān)的設(shè)置高度。

電動風閥啟閉狀態(tài)時的開度設(shè)定要求：在靜壓箱的設(shè)定壓力下，通風柜門在最大安全開啟高度處，當位于最大開度時，通風柜的平均面風速應(yīng)維持在0.5m/s 左右；通風柜門在限位開關(guān)位置處，當為最小開度時，通風柜的平均面風速仍應(yīng)維持在0.5m/s 左右。

由于靜壓箱的靜壓保持恒定，與它相連的通風柜排風支管上的電動風閥的每個開度，在通風柜柜門處于開大和關(guān)小狀態(tài)下，面風速均可得到有效保證，由此保障了通風柜操作人員工作時的安全。

1.3 通風柜排風系統(tǒng)方案

通風系統(tǒng)數(shù)量越少，每套系統(tǒng)中的通風柜數(shù)量越多，同時使用系數(shù)降低，系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模變小，投資變少。經(jīng)過與上游分析化驗專業(yè)人員充分的溝通討論，將每個分析化驗的房間的面積盡可能做大，通風柜盡可能成組布置且每組通風柜數(shù)量盡可能多。最終將40 臺通風柜設(shè)置成6 組，相應(yīng)設(shè)計了7 套通風柜排風系統(tǒng)，最小的1 套有5 臺通風柜，最大的1 套有12 臺通風柜。經(jīng)過調(diào)研并與業(yè)主操作人員確認，5～7臺通風柜同時使用系數(shù)取70%，8 臺及以上的通風柜同時使用系數(shù)取60%。

1.4 萬向排氣罩排風系統(tǒng)方案

該中心化驗室工程還有40 套萬向排氣罩。參考JG/T222-2007《實驗室變風量通風柜》，通風柜的阻力≤70Pa，而萬向排氣罩的設(shè)計阻力高達500Pa。如果將萬向排氣罩并入通風柜系統(tǒng)，則將導(dǎo)致通風柜排風系統(tǒng)的風機壓頭大幅提高，從而增加運行能耗。因此，須為這些萬向排氣罩獨立設(shè)置1 套排風系統(tǒng)。

每個萬向排氣罩帶有1 個手動調(diào)節(jié)閥。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，分析化驗人員實際上很少有人會去操作該手動調(diào)節(jié)閥。因此，萬向排氣罩排風按照同時使用系數(shù)100%設(shè)計該系統(tǒng)的排風量。

考慮到萬向排氣罩有被調(diào)節(jié)的可能，按照如果使用時打開閥門，不用時關(guān)閉或者關(guān)小的要求寫入操作手冊，則實際執(zhí)行的概率會變大，因此該系統(tǒng)也設(shè)置了變頻風機，在排風總管上設(shè)壓力傳感器，用該測點的靜壓控制風機的變頻。為了保障安全，該靜壓設(shè)定值為所有萬向排氣罩調(diào)節(jié)閥全部開啟狀態(tài)下該測點的靜壓值。

1.5 排風系統(tǒng)的其他方案

該工程中的加熱室、藥品儲存間、留樣間等設(shè)置獨立的排風系統(tǒng)，其中藥品儲存間、留樣間的排風系統(tǒng)24h 不間斷運行，并設(shè)置備用風機。

通風柜和萬向排氣罩排風系統(tǒng)的風機露天設(shè)置在中心化驗樓的屋面上，不設(shè)備用風機，但排風機全部采用直聯(lián)連接，以保證風機運行的可靠性。其排風口采用無風帽排氣筒高空排放。排氣筒的高度為3m，位于蓋樓的空氣動力陰影區(qū)外；排氣筒排風口的最小排風風速取4m/s，大于當?shù)厥彝馄骄L速的1.5 倍。排風口垂直向上排放，不設(shè)任何擋雨風帽。為了減少阻力，同時保證最小系統(tǒng)排風量下的排風口風速不低于4m/s，并減少雨水的進入，排風筒僅在排風口處漸變成一段較小口徑的排氣直管，外套口徑稍大的一段有一定長度的直管，這樣雨水就可以沿著外筒內(nèi)壁從外筒與內(nèi)筒之間的縫隙流下而不會進入內(nèi)筒。同時，在排氣筒的最底部設(shè)排水孔，萬一有雨水進入排氣筒，雨水也會在重力和排氣壓力的作用下及時排出。

2 補風系統(tǒng)設(shè)計方案

該工程設(shè)置了1 套補風系統(tǒng)，采用1 臺新風處理機組將經(jīng)過過濾和溫、濕度處理過的新風送入所需要的房間和走廊。送風機為變頻風機，最大補風量取最大排風量的90%。

由于該工程的排風系統(tǒng)所采取的自控方式較為簡單，電動風閥只是普通的閥門配快速執(zhí)行機構(gòu)，風閥的執(zhí)行機構(gòu)為開關(guān)量輸入控制，投資費用可以有效降低但導(dǎo)致自控系統(tǒng)無法知曉各排風系統(tǒng)的排風量，也就不能直接采取排風量來控制送風量。通風柜門啟閉時，會引起室內(nèi)排風量產(chǎn)生較大變化。如果補風系統(tǒng)設(shè)計未考慮排風系統(tǒng)風量變化的情況，就會導(dǎo)致實驗室出現(xiàn)正壓的情況，使污染空氣滲出試驗區(qū)。為保障操作人員的職業(yè)健康安全，實驗室一直保持負壓，辦公區(qū)一直保持正壓確保分析化驗室的污染空氣不至擴散到其他房間，該工程的送風系統(tǒng)設(shè)置如下所述。

給會議室、辦公室、資料室等潔凈區(qū)域送新風的管道設(shè)計在送風系統(tǒng)末端，并設(shè)置通定風量閥。在此定風量閥前的送風管上設(shè)置壓力傳感器，用于控制送風機的轉(zhuǎn)速，維持該測點處風管壓力的恒定，來保證辦公區(qū)域的房間維持基本恒定的正壓。

如果新風全部送入走廊，再從走廊進入各分析化驗室，相較走廊，能有效保證分析化驗室處于永遠負壓。但因為送風量較大而走廊面積有限，會導(dǎo)致走廊的換氣次數(shù)非常多，吹風感較為強烈?？紤]到該工程通風柜有40 個，每班定員卻不到10 名的情況，通風柜門同時啟閉，尤其是同1 組通風柜的柜門同時啟閉的數(shù)量很少，發(fā)生概率很低，因此只將部分新風定風量送入走廊。走廊的送風量為6 個通風柜的最大排風量，加上衛(wèi)生間、加熱室、藥品儲存間等房間的排風風量，以及建筑物外門關(guān)閉時的滲透風量。這樣可以基本維持走廊相對實驗室永遠處于正壓，防止分析化驗室的污染空氣進入走廊。

每個化驗室的送風管道上設(shè)置電動風閥，用走廊和化驗室之間的壓差控制電動風閥的開度。走廊和每個化驗室之間的隔墻上設(shè)置余壓閥。走廊和化驗室之間的設(shè)計壓差為15Pa。余壓閥的設(shè)計風量是一個通風柜的最大排風量，為1650m3/h。

對只設(shè)有軸流排風機的房間，其與走廊的連通門下設(shè)置百葉窗進行補風。

通過上述補風系統(tǒng)設(shè)計方案，解決了前述的第3 個問題，實現(xiàn)了在排風系統(tǒng)風量變化時，維持實驗室相對走廊和辦公區(qū)域的負壓。

3 通風系統(tǒng)調(diào)試

3.1 通風柜排風系統(tǒng)調(diào)試

該方案的控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)工廠初始標定，只能現(xiàn)場經(jīng)測量、調(diào)試確定。編制的每套通風柜排風系統(tǒng)的調(diào)試方案如下。

第一步，靜壓箱靜壓值的設(shè)定：同一系統(tǒng)內(nèi)的所有通風柜柜門開啟到最大安全開啟高度處，電動風閥全開，測量每個通風柜的面風速，通過調(diào)整電機頻率，使每臺通風柜的面風速不低于0.5m/s。測量此時靜壓箱的壓力，將此壓力值作為對應(yīng)系統(tǒng)變頻風機調(diào)頻的設(shè)定值。

第二步，電動風閥最大開度的設(shè)定：將風機與靜壓箱壓力傳感器聯(lián)鎖，維持靜壓箱在第一步中所設(shè)定的壓力值不變，同一系統(tǒng)內(nèi)的所有通風柜柜門開啟到最大安全開啟高度處，調(diào)整電動風閥的開度，同時測量通風柜的面風速，當通風柜的平均面風速為（0.5±0.15）m/s 時，將這時該通風柜對應(yīng)的電動風閥的開度確定為最大開度設(shè)定值。

第三步，電動風閥最小開度的設(shè)定：繼續(xù)將風機與靜壓箱壓力傳感器聯(lián)鎖，維持靜壓箱在第一步中所設(shè)定的壓力值不變，將所有通風柜柜門都關(guān)至限位開關(guān)處，調(diào)整電動風閥的開度，同時測量通風柜的面風速，當通風柜的平均面風速為（0.5±0.15）m/s 時，將這時該通風柜對應(yīng)的電動風閥的開度確定為最小開度設(shè)定值。

第四步，檢測不同通風柜使用數(shù)量下的通風柜面風速：繼續(xù)將風機與靜壓箱壓力傳感器聯(lián)鎖，維持靜壓箱在第一步中所設(shè)定的壓力值不變，將所有通風柜柜門都關(guān)至限位開關(guān)處，開啟其中1 個通風柜柜門至最大安全開啟高度處，測量各通風柜的面風速，當各通風柜的平均面風速≥（0.5±0.15）m/s 時即為通過；再開啟2 個通風柜柜門至最大安全開啟高度處進行測量，以此類推。如果出現(xiàn)某一通風柜的平均面風速≤（0.5±0.15）m/s 時，則將該通風柜對應(yīng)的電動風閥開度調(diào)大，直至該通風柜的平均面風速≥（0.5±0.15）m/s。

3.2 萬向排氣罩排風系統(tǒng)調(diào)試

將所有萬向排氣罩延伸至工作狀態(tài)，并將所有排氣罩的調(diào)節(jié)閥開啟到最大開度，測量排氣罩口的風速，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，使所有排氣罩口的平均面風速≥（0.6±0.15）m/s，測量這時該系統(tǒng)排風總管上測點的靜壓，該值即為控制該系統(tǒng)風機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。

3.3 補風系統(tǒng)調(diào)試

將所有分析化驗房間與走廊的壓差設(shè)定為-5Pa；所有排風系統(tǒng)調(diào)試好后，將其開到最大風量運行，將送風機轉(zhuǎn)速調(diào)整到設(shè)計最大轉(zhuǎn)速，測量這時在辦公區(qū)域定風量閥前的送風管上的靜壓，將該測量值作為控制送風機轉(zhuǎn)速的壓力設(shè)定值。

將分析化驗房間的房門關(guān)閉，通過開啟、關(guān)閉通風柜門，檢查該房間的壓差變化情況，確認送風管上的送風電動閥開、關(guān)正確。

3.4 調(diào)試、運行結(jié)果

該工程經(jīng)過調(diào)試后移交用戶，用戶對通風系統(tǒng)所達到的使用效果比較滿意，順利通過了工程驗收。有其他石化兄弟企業(yè)來參觀考察后，也對該中心化驗室的通風方案表現(xiàn)出較大興趣，希望在自己企業(yè)的中心化驗室中繼續(xù)采用該方案。

4 結(jié)語

該工程所設(shè)計的通風柜雙穩(wěn)態(tài)、系統(tǒng)變風量的通風系統(tǒng)，與典型的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)相比，投資增加不多，但由于可以根據(jù)通風柜門的開啟數(shù)量自動調(diào)節(jié)排風系統(tǒng)的風量，使系統(tǒng)在滿足安全性的條件下以較低排風量運行，節(jié)省了系統(tǒng)的運行費用（經(jīng)計算，每年可以節(jié)省運行費用接近100 萬）。與典型的變風量系統(tǒng)相比，通風柜面風速控制精度和節(jié)省運行費用方面并不突出，但由于無須使用特殊而昂貴的壓力無關(guān)型變風量排風閥，大幅節(jié)省了投資費用。（壓力無關(guān)型變風量自控部分的基礎(chǔ)設(shè)計概算為300 多萬，而最終該工程所設(shè)計的通風柜雙穩(wěn)態(tài)通風系統(tǒng)的自控部分供應(yīng)商的中標價不到70 萬）；而且，由于通風柜電動風閥是定開度的，不像壓力無關(guān)型變風量排風閥會隨壓力變化而調(diào)整，因此系統(tǒng)震蕩很小。

該設(shè)計方案受通風柜布置限制很大，對操作行為要求較高，因此僅適用于操作管理水平較高、通風柜布置相對集中、規(guī)模不是很大的實驗室，而且現(xiàn)場調(diào)試的工作量比較大，在使用上受到一定的限制。