曹志剛 馬晨鈺 楊 毅 糜 娜

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

0 引言

高校實驗室是進行學(xué)生培養(yǎng)、實驗教學(xué)、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(xué)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(yīng)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(fù)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(xué)實驗室?guī)順O大的安全隱患?；馂?zāi)、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(xué)實驗室的安全事故約占80%。從危險化學(xué)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(xué)實驗室的安全監(jiān)管尤為重要。有效的實驗室通風(fēng)系統(tǒng)作為預(yù)防和減少實驗室安全事故的措施之一,應(yīng)引起暖通設(shè)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(xué)化工實驗室的通風(fēng)系統(tǒng)采用直流式系統(tǒng),其空調(diào)負(fù)荷遠(yuǎn)大于甲類辦公室負(fù)荷[4],實驗室的單位建筑面積能耗甚至達(dá)到辦公建筑的 5～10倍[5]。

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

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及指南

根據(jù)實驗室功能,高校實驗室分為教學(xué)類與科研類實驗室。教學(xué)類實驗室主要以輔助教學(xué)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(xué)化工實驗室的相關(guān)規(guī)范較少。JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]作為實驗室設(shè)計的基礎(chǔ)性規(guī)范,除了滿足一般建筑的防火、無障礙等統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(xué)實驗室區(qū)、科學(xué)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(shè)施等提出要求。

與JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》相比,國家圖集22K523《化學(xué)實驗室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與安裝》[8]更多關(guān)注到化學(xué)實驗室的通風(fēng)設(shè)計,給出了4種典型通風(fēng)系統(tǒng)(定風(fēng)量控制排風(fēng)柜+定風(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量控制排風(fēng)柜+變風(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量控制補風(fēng)型排風(fēng)柜+變風(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)、無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜+房間全面通風(fēng)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(fēng)設(shè)備、風(fēng)閥與其他設(shè)備的選用與安裝說明。但該圖集沒有涉及實驗室補風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)熱濕處理方式和要求。

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

對于實驗廢棄化學(xué)品,GB/T 31190—2014《實驗室廢棄化學(xué)品收集技術(shù)規(guī)范》[12]提出了實驗室廢棄化學(xué)品的產(chǎn)生者對實驗室廢棄化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)》[13]對于大氣污染物,包括實驗產(chǎn)生的廢氣提出了相應(yīng)處理要求。

自化學(xué)研究開展初期,實驗室中就采用了通風(fēng)。最早托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)利用壁爐的自然通風(fēng)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(xué)排氣罩;1923年英國利茨大學(xué)安裝了第一臺管道排風(fēng)柜,使用了最早的現(xiàn)代意義上的排風(fēng)柜之一。目前世界上最流行的排風(fēng)柜性能測試標(biāo)準(zhǔn)主要是由美國標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會制定的BS/EN 14175-3:2019[15],它們均對實驗室排風(fēng)柜性能測試方法提出了具體標(biāo)準(zhǔn)。劉斯瑋等人對比了這2個標(biāo)準(zhǔn)與我國標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6412—1999《排風(fēng)柜》中的測試方法[16]。

美國應(yīng)用的實驗室通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會制定的ANSI/AIHAZ9.5-2012《實驗室通風(fēng)》[17]。ASHRAE編制的《實驗室設(shè)計指南》[18]詳細(xì)描述了實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與運行。

2 實驗室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計原則綜述

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

實驗室通風(fēng)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(fēng)空調(diào)的工程案例,總結(jié)了實驗室通風(fēng)工程設(shè)計的基本原則,分析了實驗室新技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計方法的沖突,指出了以定風(fēng)量排風(fēng)柜為例的傳統(tǒng)實驗室通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題,介紹并認(rèn)可了基于壓力無關(guān)型文丘里變風(fēng)量閥的變風(fēng)量排風(fēng)柜的應(yīng)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(yīng)用[19]。

在實驗室的通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)方面,根據(jù)實驗室通風(fēng)設(shè)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(fēng)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(shè)計特征與典型應(yīng)用[20];趙俠等人對比了國內(nèi)外實驗室設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的通風(fēng)設(shè)計參數(shù),包括新風(fēng)量、排風(fēng)柜面風(fēng)速、排風(fēng)柜排風(fēng)量[21];張萍[22]、劉珂等人[23]比較了國內(nèi)外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中對實驗室換氣次數(shù)的要求。但由于國內(nèi)外實驗室設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中實驗室分類、排風(fēng)柜使用場所分類不同,無法直接對比幾項設(shè)計參數(shù)的嚴(yán)格程度。

另外,在排風(fēng)柜設(shè)計參數(shù)方面,Neuman等人提出了實驗室通風(fēng)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(fēng)柜的實際排風(fēng)量與最大可實現(xiàn)排風(fēng)量的比值,使用系數(shù)為實驗人員在通風(fēng)柜前實驗的時間占總上班時間的比值[24]。而實際工程設(shè)計中更多應(yīng)用的是同時使用系數(shù)概念。22K523《化學(xué)實驗室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與安裝》提出全面通風(fēng)系統(tǒng)的同時使用系數(shù)應(yīng)根據(jù)建設(shè)方的要求選取,當(dāng)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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》提出同時使用系數(shù)一般取0.6～0.7[25]。文獻(xiàn)調(diào)研及工程經(jīng)驗顯示,實際工程中高校的化學(xué)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(fēng)柜數(shù)量、實驗項目取0.5～0.8[26-28]。

在實驗室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計方面,工程中通常存在排風(fēng)量無法達(dá)標(biāo)、排風(fēng)系統(tǒng)不平衡、室內(nèi)負(fù)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例,分析了實驗室內(nèi)濕度過大、送風(fēng)口結(jié)露、房間負(fù)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(xué)工廠大型研究中心實驗室的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計案例,其排風(fēng)柜存在面風(fēng)速不足的問題就是因為集中排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不平衡及復(fù)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(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)進行設(shè)計會出現(xiàn)后期運營上的許多問題。設(shè)計過程中應(yīng)該強調(diào)補風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)的配合設(shè)計,應(yīng)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(fēng)系統(tǒng)引起的新風(fēng)負(fù)荷占實驗室空調(diào)總負(fù)荷的40%～90%[31]。左鑫針對實驗室空調(diào)通風(fēng)能耗,提出了一些節(jié)能設(shè)計方法,包括根據(jù)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定排風(fēng)量與新風(fēng)量、根據(jù)實驗室建筑性質(zhì)配置不同冷熱源方案、應(yīng)用變風(fēng)量排風(fēng)與新風(fēng)補風(fēng)、采用排風(fēng)柜自循環(huán)過濾系統(tǒng)[4]。闕炎振等人基于排風(fēng)柜的差異性系數(shù)與使用系數(shù),對某有機化學(xué)研究所實驗室進行了調(diào)查統(tǒng)計,比較分析了排風(fēng)柜拉門下拉至50%、面風(fēng)速一定的情況下定風(fēng)量與變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)機能耗,結(jié)果表明變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)機能耗可減少87.1%[31]。趙俠等人對比了不同排風(fēng)換氣次數(shù)下不同通風(fēng)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(fēng)方案下的風(fēng)系統(tǒng)能耗,未考慮室內(nèi)環(huán)境的控制與補風(fēng)空氣處理,而新風(fēng)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(dāng)也會導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境控制問題。

3 實驗室排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

由于化學(xué)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(fēng)系統(tǒng)為集中排風(fēng)、集中處理。另外,由于高校實驗室的實驗復(fù)雜性及相比于化工廠的不可控性,一般不采用自凈式排風(fēng)柜。根據(jù)排風(fēng)量變化特性,排風(fēng)系統(tǒng)分為定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)和變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)。

3.1 定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)研考察,建設(shè)時間較早的高校實驗室采用定風(fēng)量排風(fēng)及自然補風(fēng)系統(tǒng)較為常見。排風(fēng)柜采用定風(fēng)量排風(fēng)柜,排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)閥均為手動調(diào)節(jié)閥,風(fēng)量整定完成后不作調(diào)節(jié)。排風(fēng)系統(tǒng)啟動后定風(fēng)量運行,補風(fēng)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(fēng)柜開啟時室內(nèi)溫濕度不作保障,相應(yīng)通風(fēng)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(fēng)取代外窗自然滲透的新風(fēng)。

當(dāng)實驗室排風(fēng)柜等通風(fēng)設(shè)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(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)較為合理。為避免柜門關(guān)小帶來的面風(fēng)速過大的問題,定風(fēng)量排風(fēng)柜選型建議采用旁通型(見圖1),其柜門上方設(shè)置旁通百葉,柜門降低時旁通排風(fēng)量增大,以保證總排風(fēng)量穩(wěn)定。

圖1 旁通型定風(fēng)量排風(fēng)柜

3.2 變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)

高?；瘜W(xué)實驗室通常排風(fēng)柜布置密集,通風(fēng)強度大,新建實驗室排風(fēng)系統(tǒng)一般采用變風(fēng)量系統(tǒng)。實驗室中排風(fēng)設(shè)備主要包括排風(fēng)柜與藥品柜。變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)配置中,排風(fēng)柜采用變風(fēng)量排風(fēng)柜,排風(fēng)管上的變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥保證排風(fēng)柜門啟閉時面風(fēng)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(fēng)速信號或柜門位移信號控制。其他需保持穩(wěn)定排風(fēng)量的排風(fēng)設(shè)施如藥品柜等的排風(fēng)管可采用壓力無關(guān)定風(fēng)量閥,維持排風(fēng)量恒定。

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

排風(fēng)柜風(fēng)量控制一般是利用安裝在排風(fēng)柜中的風(fēng)速傳感器測得風(fēng)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(fēng)量來改變風(fēng)閥開度。風(fēng)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(yīng)迅速,蝶閥在系統(tǒng)成本及安裝方面有優(yōu)勢。

排風(fēng)機可采用定靜壓法或總風(fēng)量法實現(xiàn)變頻控制。定靜壓法是在排風(fēng)干管上設(shè)置靜壓傳感器,通過控制器和變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速,維持管道靜壓,使風(fēng)機能根據(jù)各排風(fēng)柜風(fēng)量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量,達(dá)到減小風(fēng)機能耗的目的。通風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)壓的測定,除了正確使用測壓儀器外,還應(yīng)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(yīng)盡量選擇在氣流平穩(wěn)的直管段上。當(dāng)測壓點設(shè)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(yīng)大于2倍管道直徑;當(dāng)測壓點設(shè)在上述部件后面時,距這些部件的距離應(yīng)大于4～5倍管道直徑。

總風(fēng)量控制方法中,風(fēng)機控制器根據(jù)各房間控制器反饋的需求排風(fēng)量直接計算出要求的風(fēng)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(fēng)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(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)除上述正常工作模式外,尚應(yīng)具備切換至夜間最小排風(fēng)量工況及緊急排風(fēng)工況的功能。其中在緊急排風(fēng)工況下,當(dāng)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(fēng)工況,實驗室內(nèi)所有的排風(fēng)柜切換到全開狀態(tài),同時設(shè)置在室內(nèi)的緊急排風(fēng)口聯(lián)動開啟,排風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 實驗室補風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

實驗室補風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)包括補風(fēng)量及補風(fēng)處理的空氣狀態(tài)參數(shù)。

補風(fēng)量受建筑室內(nèi)風(fēng)平衡影響,一般化學(xué)實驗室需保持微負(fù)壓。JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]指出,設(shè)置機械送排風(fēng)的實驗室建筑應(yīng)進行風(fēng)平衡及熱平衡的分析計算,在排風(fēng)量較大時應(yīng)設(shè)置機械補風(fēng)系統(tǒng),間歇使用的排風(fēng)系統(tǒng)且排風(fēng)量(換氣次數(shù))不大于2 h-1時,可設(shè)置有組織的自然進風(fēng)。房間負(fù)壓控制及補風(fēng)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(shè)計過程中主要根據(jù)房間門窗滲透量來確定補風(fēng)量。

實驗室內(nèi)溫濕度條件應(yīng)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)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(fēng)柜通常布置密集、通風(fēng)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(fēng)管線及風(fēng)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(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量控制

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

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

集中式補風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量控制一般采用定靜壓法或總風(fēng)量法。定靜壓法通過補風(fēng)干管壓力信號對補風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機進行變頻調(diào)節(jié);總風(fēng)量法則利用所有補風(fēng)控制閥所反饋的補風(fēng)量累加值來調(diào)節(jié)補風(fēng)總風(fēng)量。當(dāng)集中式補風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)的實驗室較多、系統(tǒng)總風(fēng)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(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)以實驗室為單位,分散布置各補風(fēng)裝置,每個實驗室獨立補風(fēng),補風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的控制方式主要為2種:利用房間風(fēng)量控制器累加實驗室內(nèi)排風(fēng)量來控制新風(fēng)機組風(fēng)量,以維持實驗室內(nèi)的風(fēng)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(fēng)機組風(fēng)量。

分散式變風(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)相比于集中式系統(tǒng),補風(fēng)系統(tǒng)獨立,通過單個實驗室風(fēng)機變頻的方式實現(xiàn)風(fēng)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(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施,降低補風(fēng)初投資。但同時補風(fēng)量通過風(fēng)機變頻控制實現(xiàn),其控制精度及響應(yīng)時間不能與排風(fēng)柜風(fēng)量調(diào)節(jié)閥相匹配,短時間內(nèi)可能出現(xiàn)實驗室負(fù)壓過大或產(chǎn)生正壓的狀況。與集中補風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)一般要求層高不小于4.8 m,分散式補風(fēng)系統(tǒng)要求不小于4.2 m),同時也節(jié)省了新風(fēng)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(fēng)量補風(fēng)系統(tǒng)直接就地吊裝于實驗室吊頂內(nèi),對新風(fēng)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(shè)置消聲器、加裝隔聲罩等措施加以改善。

4.3 實驗室補風(fēng)的空氣處理過程

在一般空調(diào)設(shè)計場所的全空氣系統(tǒng)中,送風(fēng)量通常是根據(jù)空調(diào)機組處理的空氣送風(fēng)狀態(tài)點及室內(nèi)熱濕平衡進行確定,同時復(fù)核新風(fēng)量滿足人員最小新風(fēng)量的要求。但高校化學(xué)實驗室中補風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量則是根據(jù)風(fēng)量平衡進行確定,由于風(fēng)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(fēng)的空氣處理過程及承擔(dān)的負(fù)荷包括以下4種情況:

1) 補風(fēng)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(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷,空調(diào)末端獨立承擔(dān)室內(nèi)所有熱濕負(fù)荷。

2) 補風(fēng)通過冷卻除濕后經(jīng)再熱處理到送風(fēng)點,并承擔(dān)室內(nèi)所有熱濕負(fù)荷。

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

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

前2種補風(fēng)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(yīng)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(fēng)溫度過低,導(dǎo)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(fēng)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(fēng)處理方式時,需充分考慮室內(nèi)濕度過高帶來的影響和風(fēng)險。

5 結(jié)束語

高等院校的化學(xué)實驗室承擔(dān)著教學(xué)與科研雙重任務(wù),在保證滿足使用需求的前提下,結(jié)合學(xué)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(fēng)及控制系統(tǒng),是高校實驗室通風(fēng)設(shè)計的重要任務(wù)。

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)與指南及當(dāng)前我國高校實驗室的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀,對未來實驗室暖通空調(diào)設(shè)計的發(fā)展方向提出以下建議:

1) 在實驗室通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用中,傳統(tǒng)的補風(fēng)空氣處理過程會導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境條件不達(dá)標(biāo)或能耗大等問題,亟需在實驗室應(yīng)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(fēng)量排風(fēng)柜的應(yīng)用較多,控制復(fù)雜,對運行過程中的排風(fēng)、補風(fēng)、空調(diào)的控制提出了較高的要求,在設(shè)計及運營階段需明確并強化通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、室內(nèi)溫濕度控制能力。