吳玲紅
(華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上海)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的科研機(jī)構(gòu)、高等院校和生產(chǎn)企業(yè)通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)來提升科學(xué)技術(shù)能力和發(fā)展生產(chǎn)力,各類實(shí)驗(yàn)室在科學(xué)研究中的重要性越來越大。
實(shí)驗(yàn)室是用于從事科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)工作的場所,按照學(xué)科可以分為生物、化學(xué)、物理等實(shí)驗(yàn)室。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時會產(chǎn)生有毒有味氣體,這些氣體會給實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成污染,給實(shí)驗(yàn)人員造成危害,所以通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目設(shè)計中很重要。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)功能可以分為合成實(shí)驗(yàn)室、分析儀器實(shí)驗(yàn)室等,不同功能的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量、室內(nèi)溫濕度等要求不同,應(yīng)采用合理的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。
本文結(jié)合實(shí)際工程,介紹了合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計,并對這2個不同功能實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和比較,希望給實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供一些參考。
該工程位于上海,其標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓共9層,除1層為門廳、機(jī)房、會議等功能用房,2~9層均為實(shí)驗(yàn)室功能樓層。每個實(shí)驗(yàn)室樓層中,有9間合成實(shí)驗(yàn)室、3間分析儀器實(shí)驗(yàn)室。每間合成實(shí)驗(yàn)室面積約為70 m2,每間分析儀器實(shí)驗(yàn)室面積約為40 m2。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖1。
圖1 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)層平面圖
該項(xiàng)目建設(shè)階段并不能確定實(shí)驗(yàn)室具體使用者,故實(shí)驗(yàn)室工藝根據(jù)統(tǒng)一要求進(jìn)行設(shè)置,滿足未來不同科研機(jī)構(gòu)的入駐使用要求。
合成實(shí)驗(yàn)室及其辦公室組成1個實(shí)驗(yàn)組,辦公室為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科研人員辦公的房間。合成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以設(shè)置排風(fēng)柜為主,排風(fēng)柜數(shù)量較多,房間通風(fēng)量大,儀器設(shè)備不多,室內(nèi)溫濕度要求不高。
分析儀器實(shí)驗(yàn)室中排風(fēng)柜數(shù)量不多,房間通風(fēng)量不大,但房間內(nèi)有較多的儀器設(shè)備,對溫濕度有一定的要求,并有一定的儀器設(shè)備發(fā)熱量。
不同功能的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部配置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同,對室內(nèi)環(huán)境的要求也不同,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計采用了不同的考慮。合成實(shí)驗(yàn)室夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度28 ℃、相對濕度65%,室內(nèi)負(fù)荷不大,室內(nèi)溫濕度要求不高,新風(fēng)經(jīng)冷熱等處理后送入房間,房間內(nèi)不另設(shè)空調(diào)末端;分析儀器實(shí)驗(yàn)室夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度24 ℃、相對濕度60%,室內(nèi)儀器設(shè)備負(fù)荷較大,新風(fēng)經(jīng)冷熱等處理后送入房間,房間內(nèi)需另設(shè)空調(diào)末端。
有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的排風(fēng)柜、藥品柜、肘狀排風(fēng)罩等設(shè)備的排風(fēng)量要求確定,同時應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)要求。實(shí)驗(yàn)過程一般有污染物產(chǎn)生,要求房間為負(fù)壓,新風(fēng)量根據(jù)排風(fēng)量及房間負(fù)壓要求計算確定。
該項(xiàng)目合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室配置的通風(fēng)設(shè)備及排風(fēng)量見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及風(fēng)量
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),有污染物產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)不應(yīng)小于6 h-1[1]9。實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)夜間按最小風(fēng)量運(yùn)行,合成實(shí)驗(yàn)室最小排風(fēng)量大于滿足換氣次數(shù)要求的排風(fēng)量,不另設(shè)房間排風(fēng)口,每間房間總排風(fēng)量為10 280 m3/h。分析儀器實(shí)驗(yàn)室另設(shè)置房間排風(fēng)口,按換氣次數(shù)計算風(fēng)量為720 m3/h,每間房間總排風(fēng)量為2 180 m3/h??梢钥闯?不同功能實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)量差異較大。
有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均考慮有放散污染物質(zhì),因此房間需保持相對于相鄰走道或房間5~15 Pa的負(fù)壓值[1]6。新風(fēng)送風(fēng)量經(jīng)風(fēng)平衡計算得出,式(1)為風(fēng)平衡計算公式。
Gs=Gp-Gr
(1)
式中Gs為新風(fēng)送風(fēng)量,m3/h;Gr為通過門窗縫隙流入的風(fēng)量,m3/h;Gp為機(jī)械排風(fēng)量,m3/h。
該項(xiàng)目計算中實(shí)驗(yàn)室壓力為-10 Pa,相鄰的辦公室壓力為5 Pa,考慮到風(fēng)壓作用,室外壓力取5 Pa。通過門窗縫隙流入風(fēng)量包括內(nèi)門和外窗兩部分,需計算確定。
通過門窗縫隙流入的風(fēng)量與門窗的特性有關(guān),各種參考文獻(xiàn)中有多種計算方式,該項(xiàng)目通過比較,參考潔凈廠房通風(fēng)空調(diào)常用的方式,按縫隙法進(jìn)行計算。
1) 通過內(nèi)門流入的風(fēng)量Gr1:
(2)
式中CD為排放系數(shù),一般取0.4~0.6;A為縫隙面積,m2;Δp為縫隙處壓差,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3。
計算條件及結(jié)果見表2。
2) 通過外墻窗縫流入的風(fēng)量Gr2與幕墻性能有關(guān),參考GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》
表2 內(nèi)門流入風(fēng)量計算條件及結(jié)果
中表7(圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位長度縫隙的滲漏風(fēng)量)的數(shù)據(jù),在壓差15 Pa的條件下,單層固定密閉鋼窗單位長度滲透風(fēng)量為1.3 m3/(m·h),單層可開啟式密閉鋼窗單位長度滲透風(fēng)量為6.0 m3/(m·h)。
該項(xiàng)目合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室外墻條件相同,固定窗的窗縫長度為19.2 m,可開啟外窗的窗縫長度為12.8 m。經(jīng)計算,每間實(shí)驗(yàn)室Gr2為102 m3/h。
3) 根據(jù)上述計算,每間合成實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)送風(fēng)量為9 815 m3/h,約為排風(fēng)量的95%;每間分析儀器實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)送風(fēng)量為1 715 m3/h,約為排風(fēng)量的80%。
因不同實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量差異較大,而滲透風(fēng)量與門窗性能和參數(shù)有關(guān),相對變化較小,若該項(xiàng)目的2個實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)門和外窗參數(shù)一致,流出風(fēng)量相同,則新風(fēng)量的確定不能簡單取經(jīng)驗(yàn)系數(shù),尤其是對于排風(fēng)量較大的實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)通過計算確定。若新風(fēng)量偏小,會使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)負(fù)壓加大,增加與辦公室之間的門縫流入的空氣量,引起對辦公室室內(nèi)環(huán)境的不利影響。
合成實(shí)驗(yàn)室和分析實(shí)儀器驗(yàn)室設(shè)計要求不同,風(fēng)量差異較大,室內(nèi)溫濕度要求不同,故分別設(shè)置新排風(fēng)系統(tǒng)。
該項(xiàng)目新風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)按樓層設(shè)置,9間合成實(shí)驗(yàn)室合用1套新排風(fēng)系統(tǒng),3間分析儀器實(shí)驗(yàn)室合用1套新排風(fēng)系統(tǒng),新風(fēng)機(jī)組設(shè)置在該層空調(diào)機(jī)房,排風(fēng)機(jī)設(shè)置在大樓屋頂(見圖1)。
合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)量比較多,且每間實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜數(shù)量多,系統(tǒng)連接的排風(fēng)柜數(shù)量較多(共連接了36臺1.5 m寬排風(fēng)柜和18臺3.0 m寬排風(fēng)柜),風(fēng)量很大,計算系統(tǒng)風(fēng)量時有必要考慮同時使用系數(shù)。在確保實(shí)驗(yàn)室安全、正常使用的前提下,一般合用系統(tǒng)的同時使用系數(shù)為0.6~0.8[2]。結(jié)合使用方提供的已建成的規(guī)模相近的實(shí)驗(yàn)樓使用情況和該項(xiàng)目系統(tǒng)連接排風(fēng)柜數(shù)量等情況,經(jīng)論證分析,系統(tǒng)同時使用系數(shù)取0.65。經(jīng)計算,排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量為60 100 m3/h,新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量為57 400 m3/h。
分析儀器實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)設(shè)備較少,每樓層實(shí)驗(yàn)室數(shù)量也較少,故系統(tǒng)風(fēng)量不考慮同時使用系數(shù)。經(jīng)計算,排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量為6 540 m3/h,新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量為5 145 m3/h。
實(shí)驗(yàn)用排風(fēng)柜在實(shí)際使用中,存在不同時使用的情況,對于連接排風(fēng)柜數(shù)量較多的合用系統(tǒng),系統(tǒng)風(fēng)量計算時應(yīng)考慮一定的同時使用系數(shù)。選取合理的同時使用系數(shù)確定排風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量,在確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下,可相對減小冷熱負(fù)荷,降低冷熱源設(shè)備的配置和造價,并與確定空調(diào)機(jī)房面積、風(fēng)井尺寸、樓層凈高等土建條件相關(guān)。
綜合上述計算,合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量匯總見表3。
表3 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量匯總
根據(jù)建筑平面布置條件及使用方類似項(xiàng)目的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),該項(xiàng)目每個樓層的合成實(shí)驗(yàn)室合用1套排風(fēng)及新風(fēng)系統(tǒng)。每個排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量較大、連接排風(fēng)柜數(shù)量較多。為提高系統(tǒng)可靠性,排風(fēng)系統(tǒng)采用2臺排風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,單臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量為計算風(fēng)量的50%,當(dāng)1臺風(fēng)機(jī)故障時,系統(tǒng)仍能運(yùn)行,保證部分實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜可以正常工作,確保實(shí)驗(yàn)安全。
每個樓層的合成實(shí)驗(yàn)室合用1套通風(fēng)系統(tǒng),簡化了系統(tǒng)管線、節(jié)省了樓層空調(diào)機(jī)房面積及屋頂通風(fēng)和過濾設(shè)備的安裝面積等,節(jié)省了初投資,但系統(tǒng)運(yùn)行和控制的復(fù)雜性也相應(yīng)增加,因此除了加強(qiáng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計之外,后續(xù)計劃在實(shí)施、調(diào)試及運(yùn)行過程中,配合調(diào)試單位和使用方,對排風(fēng)柜的使用情況及通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行控制情況要進(jìn)行測試,并作好相關(guān)總結(jié)。
由于實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量很大,有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)負(fù)荷占空調(diào)總負(fù)荷的比例很大,新風(fēng)負(fù)荷計算中進(jìn)出風(fēng)參數(shù)如何確定也值得研究,既要滿足使用要求,又要適當(dāng)考慮節(jié)能性。
1) 室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)。
合成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)除了排風(fēng)柜,無儀器設(shè)備,室內(nèi)溫濕度要求不高,新風(fēng)經(jīng)處理后送入房間,房間內(nèi)不另設(shè)空調(diào),新風(fēng)處理至房間等比焓點(diǎn)。
分析儀器實(shí)驗(yàn)室有較多的儀器設(shè)備,室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷較大,除新風(fēng)處理后送入房間外,另設(shè)置多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng),處理室內(nèi)余熱。由于儀器設(shè)備對室內(nèi)溫濕度有一定要求,故新風(fēng)處理到室內(nèi)等含濕量點(diǎn),除濕后再送入房間。
2) 室外狀態(tài)點(diǎn)。
根據(jù)文獻(xiàn)[1],對于實(shí)驗(yàn)室室外計算參數(shù),當(dāng)計算冬季通風(fēng)耗熱量時,采用冬季供暖室外計算溫度;當(dāng)計算夏季通風(fēng)系統(tǒng)冷卻量時,宜采用夏季通風(fēng)室外計算溫度,但對于室內(nèi)要求較嚴(yán)格的工程,可以采用夏季空調(diào)室外計算溫度。
該項(xiàng)目設(shè)計初期出于節(jié)能和節(jié)省初投資的考慮,采用通風(fēng)溫度計算空調(diào)冷負(fù)荷。但是采用通風(fēng)溫度進(jìn)行計算,保證率相對較低,根據(jù)業(yè)主和使用方反饋的已建成實(shí)驗(yàn)室的使用情況,普遍反映高溫天氣實(shí)測實(shí)驗(yàn)室溫度偏高,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部存在結(jié)露等問題。故該項(xiàng)目計算中采用了夏季空調(diào)室外計算溫度。
3) 新風(fēng)空調(diào)負(fù)荷。
合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)冷負(fù)荷見表4。
表4 實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)冷負(fù)荷
實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)很大,該項(xiàng)目總冷量是常規(guī)項(xiàng)目的2~3倍。從表4可以看出,合成實(shí)驗(yàn)室和分析儀器實(shí)驗(yàn)室處理過程不同,單位風(fēng)量冷負(fù)荷的差異比較大。對于要求比較低的實(shí)驗(yàn)組,可以處理到室內(nèi)等比焓點(diǎn);對于要求較高的分析儀器實(shí)驗(yàn)室,處理到室內(nèi)等含濕量點(diǎn),新風(fēng)除濕后再被送入房間。
不同要求的實(shí)驗(yàn)室采用不同的送風(fēng)參數(shù),能較好地滿足室內(nèi)要求,也能適當(dāng)減小冷負(fù)荷,降低初投資,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)為變風(fēng)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量控制系統(tǒng)主要由變風(fēng)量控制閥、定風(fēng)量閥、控制器、風(fēng)機(jī)變頻器、主風(fēng)管內(nèi)壓力傳感器等組成,新風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動控制,變風(fēng)量運(yùn)行工況和最小風(fēng)量工況下,均須保證房間負(fù)壓要求。
以該項(xiàng)目合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)為例,排風(fēng)系統(tǒng)控制主要內(nèi)容和邏輯為:連接每個排風(fēng)柜的排風(fēng)管上均設(shè)置變風(fēng)量控制閥,通過柜門上的位移傳感器或風(fēng)速傳感器、紅外探測器等檢測儀器,控制變風(fēng)量控制閥的開度;連接藥品柜的排風(fēng)管上設(shè)置定風(fēng)量控制閥,24 h開啟;排風(fēng)主風(fēng)管上設(shè)置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。新風(fēng)系統(tǒng)控制主要內(nèi)容和邏輯為:接至每個房間的新風(fēng)管上設(shè)置變風(fēng)量控制閥,該控制閥開度通過房間排風(fēng)量進(jìn)行控制;新風(fēng)送風(fēng)主風(fēng)管上設(shè)置壓力傳感器,通過壓力傳感器控制新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。
合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)控制原理如圖2所示。
為使排風(fēng)柜面風(fēng)速穩(wěn)定并達(dá)到排風(fēng)量要求,每個排風(fēng)柜均設(shè)置位移傳感器或風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器對排風(fēng)柜入口處的氣流穩(wěn)定性要求比較高,若有氣流干擾會導(dǎo)致測量偏差。對于排風(fēng)柜設(shè)置密度較高的實(shí)驗(yàn)室,排風(fēng)量和相應(yīng)補(bǔ)風(fēng)量都很大,很難完全避免氣流干擾,因此推薦采用位移傳感器。位移傳感器實(shí)測排風(fēng)柜拉窗的開啟高度,控制器根據(jù)此開啟高度和柜門寬度及設(shè)定面風(fēng)速計算排風(fēng)量,以此來控制變風(fēng)量控制閥的開度。同時采用紅外探測器,檢測排風(fēng)柜前是否有人員存在,當(dāng)排風(fēng)柜前有人時將面風(fēng)速設(shè)為0.5 m/s,排風(fēng)柜前沒人時將面風(fēng)速設(shè)為0.3 m/s,這樣既安全、又節(jié)能。
圖2 合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)控制原理示意圖
另外,為使排風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到良好的控制效果,排風(fēng)柜變風(fēng)量控制閥應(yīng)能快速響應(yīng),并快速穩(wěn)定地控制排風(fēng)柜入口面風(fēng)速,且變風(fēng)量閥為壓力無關(guān)型,保證系統(tǒng)多個排風(fēng)柜同時運(yùn)行時,各自獨(dú)立調(diào)節(jié),無相互干擾。實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)應(yīng)對排風(fēng)柜或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)任何送、排風(fēng)量的變化都能在響應(yīng)時間內(nèi)達(dá)到新的風(fēng)量平衡,從而保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定。
分析儀器實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜數(shù)量不多,一般不采用變風(fēng)量系統(tǒng),排風(fēng)機(jī)和新風(fēng)空調(diào)箱風(fēng)機(jī)變頻,夜間低速運(yùn)行,保證最低通風(fēng)換氣量要求。
有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量應(yīng)結(jié)合工藝設(shè)備排風(fēng)量要求計算來確定,不同功能的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量差異較大;新風(fēng)量應(yīng)根據(jù)排風(fēng)量和室內(nèi)負(fù)壓情況進(jìn)行計算,不同功能實(shí)驗(yàn)室的新排風(fēng)比例差別較大。對于連接通風(fēng)柜數(shù)量較多、風(fēng)量較大的通風(fēng)系統(tǒng),應(yīng)考慮一定的同時使用系數(shù)。
不同功能實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)量差異大且室內(nèi)溫濕度要求不同,系統(tǒng)應(yīng)分開設(shè)置,且新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)合理選取空氣處理點(diǎn),既滿足室內(nèi)環(huán)境要求,也能減小冷負(fù)荷,節(jié)省初投資及運(yùn)行費(fèi)用。
不同功能實(shí)驗(yàn)室控制要求不同,合成實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)為變風(fēng)量系統(tǒng),新排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動,除了控制策略,控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)是保證實(shí)驗(yàn)室房間負(fù)壓穩(wěn)定的要素。
本文討論的實(shí)驗(yàn)室為該項(xiàng)目2種標(biāo)準(zhǔn)配置的實(shí)驗(yàn)室,還有很多不同配置的實(shí)驗(yàn)室,其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合具體的工藝要求進(jìn)行設(shè)計。
另外,實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)是一個系統(tǒng)工程,還有很多需要關(guān)注的內(nèi)容,如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流組織、設(shè)備發(fā)熱量、排風(fēng)廢氣處理及排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備材料防腐等,這些都是與實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的重要因素。