實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室是用于完成各種實(shí)驗(yàn)工作的特殊場(chǎng)所，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)人員的身體健康、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)室的初投資及運(yùn)行費(fèi)用。
在實(shí)驗(yàn)操作過程中可能產(chǎn)生有毒有害氣體，為確保實(shí)驗(yàn)人員安全，產(chǎn)生有毒有害氣體的室驗(yàn)，盡量在排風(fēng)柜或生物安全柜內(nèi)進(jìn)行，不能在排風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行的，要設(shè)局部排風(fēng)罩、萬向排氣罩等局部排風(fēng)設(shè)施，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室要設(shè)全面通風(fēng)（或稱輔助排風(fēng)）。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是要控制排風(fēng)柜內(nèi)的有毒有害氣體不外逸，滿足房間換氣次數(shù)要求，維持房間正確的壓力，為實(shí)驗(yàn)人員提供一個(gè)安全、舒適的工作環(huán)境。
一、實(shí)驗(yàn)室常用的通風(fēng)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)歷了定風(fēng)量系統(tǒng)、雙風(fēng)量系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階段。
1. 排風(fēng)系統(tǒng)
定風(fēng)量系統(tǒng)：
排風(fēng)機(jī)采用單速定頻風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量基本不變，系統(tǒng)無法隨排風(fēng)柜使用數(shù)量及排風(fēng)柜門開啟高度而調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此采用該系統(tǒng)所帶排風(fēng)柜不宜大于3 個(gè)，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是投資小，控制簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是排風(fēng)柜面風(fēng)速難以保證，會(huì)有部分有毒有害氣體從排風(fēng)柜中逸出（面風(fēng)速過小或過大都能造成氣體從排風(fēng)柜中逸出），且運(yùn)行費(fèi)用高。
雙風(fēng)量系統(tǒng)：
排風(fēng)機(jī)采用雙速風(fēng)機(jī)，較定風(fēng)量系統(tǒng)有所改進(jìn)，但沒有從根本上改變定風(fēng)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用該系統(tǒng)所帶排風(fēng)柜不宜大于5 個(gè)，目前應(yīng)用不多。
變風(fēng)量系統(tǒng)：
排風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，在排風(fēng)主風(fēng)道上設(shè)壓力傳感器，將壓力傳感器測(cè)得的壓力與設(shè)定壓力值比較，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。在變風(fēng)量系統(tǒng)中排風(fēng)柜采用面風(fēng)速控制，采用感應(yīng)區(qū)紅外探頭檢測(cè)排風(fēng)柜前人員的存在與否來控制柜門面風(fēng)速，當(dāng)操作人員出現(xiàn)在排風(fēng)柜前時(shí)，紅外探頭傳感器輸出信號(hào)，將排風(fēng)柜面風(fēng)速設(shè)定到高排風(fēng)量模式，此時(shí)排風(fēng)柜面風(fēng)速控制在0.5m/s，當(dāng)操作人員離開的時(shí)候，紅外探頭傳感器輸出信號(hào)，將排風(fēng)柜面風(fēng)速設(shè)定到低排風(fēng)量模式，此時(shí)排風(fēng)柜面風(fēng)速控制在0.3m/s，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無人時(shí)，排風(fēng)柜面設(shè)定到小排風(fēng)量模式，即值班排風(fēng)模式，維持排風(fēng)柜和管道中保持負(fù)壓，保證有毒有害氣體不外逸，有時(shí)為滿足實(shí)驗(yàn)室小排風(fēng)量要求，房間還要設(shè)輔助排風(fēng)，當(dāng)排風(fēng)柜排風(fēng)量不滿足實(shí)驗(yàn)室小排風(fēng)量要求時(shí)，輔助排風(fēng)自動(dòng)打開，保證實(shí)驗(yàn)室小排風(fēng)量。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：①在實(shí)驗(yàn)操作過程中，排風(fēng)柜門開度變化較大，采用面風(fēng)速控制非常合理，與傳統(tǒng)定風(fēng)量系統(tǒng)比較，運(yùn)行能耗要節(jié)省的多，且對(duì)操作人員的人身安全及實(shí)驗(yàn)精度的影響較有利；②一個(gè)系統(tǒng)可帶多個(gè)排風(fēng)柜，可共用一個(gè)主管道，風(fēng)井集中，有利于實(shí)驗(yàn)室工藝布置，減少土建造價(jià)；③由于多個(gè)排風(fēng)柜合用一套排風(fēng)系統(tǒng)，在實(shí)際工作過程中，排風(fēng)柜不可能同時(shí)達(dá)到大排風(fēng)量，因此在排風(fēng)設(shè)備及主風(fēng)道選擇時(shí)可考慮一定的同時(shí)使用系數(shù)，比定風(fēng)量系統(tǒng)要小一些；④由于排風(fēng)集中，便于能量回收及排風(fēng)處理。
事故排風(fēng)：
當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有高危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)時(shí)（一般由工藝設(shè)計(jì)人員提供），排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮發(fā)生突然事故時(shí)，能即時(shí)將有毒有害氣體排除，排風(fēng)量按12次/h換氣次數(shù)計(jì)算。
2. 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)室一般排風(fēng)量較大，且連續(xù)排風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成室內(nèi)負(fù)壓過大，為平衡室內(nèi)外壓差，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，以維持房間設(shè)定的壓力。
補(bǔ)風(fēng)量計(jì)算：
補(bǔ)風(fēng)量應(yīng)根據(jù)房間排風(fēng)量及設(shè)定的負(fù)壓值（相對(duì)相鄰房間、走廊或大氣）計(jì)算確定，補(bǔ)風(fēng)量按下列公式計(jì)算：Lb=Lp-Ly式中，Lb 為補(bǔ)風(fēng)量，m3/h；Lp 為排風(fēng)量，m3/h；Ly為維持負(fù)壓所需風(fēng)量，也叫余風(fēng)量，m3/h；Ly可按負(fù)壓值與房間換氣次數(shù)的關(guān)系確定，也可按縫隙法計(jì)算。
補(bǔ)風(fēng)方式：
有自然補(bǔ)風(fēng)和機(jī)械補(bǔ)風(fēng)兩種方式。
自然補(bǔ)風(fēng)不設(shè)補(bǔ)風(fēng)機(jī)，將室外新風(fēng)經(jīng)過濾器、管道進(jìn)入室內(nèi)，由于新風(fēng)是由負(fù)壓吸進(jìn)室內(nèi)，氣流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)也保證實(shí)驗(yàn)室氣流流向穩(wěn)定，且始終處于負(fù)壓狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是不需設(shè)補(bǔ)風(fēng)機(jī)，節(jié)省初投資和運(yùn)行費(fèi)用；缺點(diǎn)是需要的進(jìn)風(fēng)井或進(jìn)風(fēng)百頁面積大，占用建筑使用面積大或影響建筑立面效果，其次是補(bǔ)風(fēng)無法進(jìn)行加熱或冷卻處理。
機(jī)械補(bǔ)風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)置機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，將室外新風(fēng)經(jīng)集中處理后，由補(bǔ)風(fēng)機(jī)經(jīng)管道送入房間內(nèi)，采用定風(fēng)量還是變風(fēng)量系統(tǒng)，一般與排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，即排風(fēng)為定風(fēng)量系統(tǒng)，補(bǔ)風(fēng)也為定風(fēng)量系統(tǒng)，排風(fēng)為變風(fēng)量系統(tǒng)，補(bǔ)風(fēng)也為變風(fēng)量系統(tǒng)。
補(bǔ)風(fēng)地點(diǎn)：
補(bǔ)風(fēng)可直接補(bǔ)在排風(fēng)柜內(nèi)或柜門前，也可補(bǔ)在房間內(nèi)，補(bǔ)在排風(fēng)柜內(nèi)或柜門前的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)風(fēng)不需要做加熱或冷卻處理，可節(jié)省能源；缺點(diǎn)是操作人員工作環(huán)境舒適性差，有時(shí)可能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有影響，補(bǔ)在排風(fēng)柜內(nèi)方式不適用有面風(fēng)速要求的排風(fēng)系統(tǒng)。補(bǔ)在房間內(nèi)，補(bǔ)風(fēng)一般需經(jīng)過加熱或冷卻處理，其優(yōu)點(diǎn)是操作人員工作環(huán)境好，對(duì)排風(fēng)柜面風(fēng)速及柜內(nèi)氣流無影響；缺點(diǎn)是能量消耗要比直接補(bǔ)在排風(fēng)柜內(nèi)或柜門前大。
3. 排風(fēng)柜變風(fēng)量控制器
目前常用的風(fēng)量控制器有兩類：一類是測(cè)量柜門面風(fēng)速，通過與設(shè)定風(fēng)速比較，調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度以達(dá)到設(shè)定值，風(fēng)閥一般采用蝶閥，其優(yōu)點(diǎn)是：①精度不受柜前有無人員遮擋影響。②閥門阻力小。缺點(diǎn)是：①精度受測(cè)量點(diǎn)的位置和數(shù)量影響。②測(cè)量到的風(fēng)速需要通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，系統(tǒng)反映速度稍慢。另一類是通過測(cè)量柜門位置，調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度，風(fēng)閥一般采用文丘里閥，其優(yōu)點(diǎn)是：通過測(cè)量柜門位置直接控制風(fēng)閥開度，系統(tǒng)反映快，響應(yīng)時(shí)間短。缺點(diǎn)是：①排風(fēng)量會(huì)受柜前有無人員遮擋影響。②風(fēng)閥阻力較大。
二、通風(fēng)系統(tǒng)控制
1. 定風(fēng)量、雙風(fēng)量系統(tǒng)控制
定風(fēng)量、雙風(fēng)量系統(tǒng)控制比較簡(jiǎn)單，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按扭，根據(jù)需要直接啟停風(fēng)機(jī)。
2. 變風(fēng)量系統(tǒng)控制
送排風(fēng)機(jī)控制：
風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，在主風(fēng)道內(nèi)設(shè)壓力傳感器，將壓力傳感器測(cè)得的壓力與設(shè)定壓力值比較，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。
排風(fēng)末端設(shè)備控制：
在排風(fēng)柜的排風(fēng)支管上設(shè)風(fēng)量控制閥，當(dāng)末端通風(fēng)設(shè)備風(fēng)量需要發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)量控制閥迅速動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間要在1s之內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)室壓力控制：
實(shí)驗(yàn)室壓力控制主要有兩種方法，直接壓差控制法和余風(fēng)量控制法。直接壓差控制法即通過壓差傳感器測(cè)量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差，與設(shè)定壓差比較，控制器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)送風(fēng)量，從而達(dá)到要求的壓差，此法適用壓力控制精度不高的負(fù)壓實(shí)驗(yàn)室；余風(fēng)量控制法，是讓排風(fēng)量與送風(fēng)量之間保持一定的風(fēng)量差，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓差，此法適用于壓力控制精度高的實(shí)驗(yàn)室（如潔凈實(shí)驗(yàn)室、生物安全實(shí)驗(yàn)室）。
變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)控制原理：
常用的實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)控制原理。（見圖1）
通風(fēng)柜面風(fēng)速控制系統(tǒng)工作原理：
（1） 面風(fēng)速控制系統(tǒng)持續(xù)地監(jiān)測(cè)實(shí)際面風(fēng)速狀態(tài)，當(dāng)任何因素影響風(fēng)訴變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整管道上的風(fēng)閥以恒定的面風(fēng)速值。
（2）系統(tǒng)通過紅外線監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)當(dāng)通風(fēng)柜前有操作人員工作時(shí)面風(fēng)速控制在某一設(shè)定值（如0.5m/s），當(dāng)通風(fēng)柜前無人操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一設(shè)定值（如0.3m/s）以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
（3）通風(fēng)柜門位過高時(shí)有聲音報(bào)警。
（4）由于故障面風(fēng)速過高或過低時(shí)有聲光報(bào)警。
（5）當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，開啟事故排風(fēng)模式，控制系統(tǒng)將風(fēng)閥開到Max開度，不受面風(fēng)速值的控制。
（6）通常面風(fēng)速控制系統(tǒng)本身對(duì)面風(fēng)速及風(fēng)量的設(shè)定及控制值只有兩中狀態(tài)即有人、無人或白天、夜間。
管道靜壓控制系統(tǒng)原理：
（1）持續(xù)檢測(cè)管道內(nèi)的靜壓變化，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來恒定管道內(nèi)靜壓。
（2）控制系統(tǒng)在0.1s內(nèi)探測(cè)到壓差變化并輸出控制信號(hào)。
（3）夜間工況時(shí)，控制系統(tǒng)有第二狀態(tài)設(shè)置。
三、能量回收
實(shí)驗(yàn)室工作過程中，在排除大量有害氣體的同時(shí)，也帶走了大量的室內(nèi)能量，為減少這部分能量損失，在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮排風(fēng)能量回收，目前常用的回收方式有：
1、采用中間介質(zhì)進(jìn)行能量回收，在排風(fēng)機(jī)組內(nèi)設(shè)盤管余熱回收段，在送風(fēng)機(jī)組內(nèi)設(shè)盤管新風(fēng)預(yù)熱段，二段之間通過管路、水泵形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，通過中間介質(zhì)（水或乙二醇）將排風(fēng)中的能量轉(zhuǎn)移到送風(fēng)中，該系統(tǒng)雖然回收效率不是很高（顯熱效率在60%以下），但較安全，不存在排風(fēng)污染新風(fēng)問題。
2、采用板式空氣換熱器，排風(fēng)與新風(fēng)在板換內(nèi)完成能量交換，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但設(shè)備尺寸較大，占用機(jī)房面積大。
四、尾氣排放及排風(fēng)處理
有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備在工作過程中，要產(chǎn)生尾氣，其設(shè)備本身帶有排氣裝置，在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝要求，在房間適當(dāng)位置設(shè)一直通室外的豎向尾氣排放管。管材一般選用塑料管，在排氣立管適當(dāng)高度設(shè)可與排氣裝置連接的接口及閥門。
另外，實(shí)驗(yàn)室有些排風(fēng)需經(jīng)過處理后，才能排向大氣，在排風(fēng)系統(tǒng)劃分時(shí)，要將不能直接排放的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)集中在一個(gè)系統(tǒng)，以便于集中處理。采用何種處理方式，應(yīng)根據(jù)排氣性質(zhì)決定，一般常用的方法是采用活性炭吸附法。
五、設(shè)計(jì)中要注意的問題
1、在劃分通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，要將實(shí)驗(yàn)性質(zhì)相同或相近的排風(fēng)設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)混合后可能引起燃燒、爆炸或形成毒性更強(qiáng)的有害物質(zhì)的排風(fēng)要分設(shè)排風(fēng)系統(tǒng)。
2、排風(fēng)不允許直接排放，需經(jīng)處理后才能排向大氣的實(shí)驗(yàn)室要盡量設(shè)在一個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)。
3、要注意各末端排風(fēng)設(shè)備間的阻力平衡，如局部排風(fēng)罩阻力遠(yuǎn)小于排風(fēng)柜及控制閥的阻力，這時(shí)要在局部排氣罩的支管上設(shè)定風(fēng)量閥。
4、萬向排氣罩阻力較大（一般在200Pa 以上），在和其他末端并聯(lián)時(shí)，要特別注意，在系統(tǒng)壓力不能滿足要求時(shí)，可在其支管上設(shè)小型管道風(fēng)機(jī)，以滿足其壓力要求。
5、生物安全柜要單排。
6、當(dāng)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量較大時(shí)，要在走廊、大廳等公共區(qū)域設(shè)補(bǔ)風(fēng)，以避免負(fù)壓過大，造成開門或關(guān)門困難。
7、選擇能量回收方式時(shí)，要注意防止排風(fēng)污染新風(fēng)問題。
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