实验室通风空调系统的设计

实验室通风空调系统的设计要考虑以下几个主要因素:

(1)保证实验室的安全性,保证一定数量的换气次数

(2)解决实验室通风系统负压的设计和系统控制

(3)在满足换气次数和全新风条件下,控制能耗

(4)系统的可靠性

实验室通风设计主要采用以下步骤和方案

(1)实验室根据工艺要求和功能布置选择一定数量的通风柜,有的还兼有部分局部排风罩。通常校核下来换气次数远远大于10次,一般在20-30次以上,满足换气次数要求。但是此换气次数是按照通风最大开启面积计算的通风量,资料和经验表明100台通风柜99%的时间只有18个或更少的人在使用。故还应校核通风柜最小开启面积时的通风量和换气次数,若小于换气次数要求,则增加综合排风系统。

(2) 实验室通风采用全新风系统,通风柜的排气不在室内循环。由于实验室要求房间相对其他辅助区域为负压。所以实验室的新风量设计为排风量的70﹪-80﹪。另外20﹪-30﹪的新风送至实验室辅助房间、办公、管理用房、内走道等,再由门窗缝隙补充到房间。

(3) 通风柜的风量平衡可以采用定风量控制系统,即排风量恒定,送风量和门窗缝隙补充风量恒定。此方法适用于最大排风量满足最小换气次数要求的实验室。

对于排风量远大于最小通风量要求的房间还可以采用两段式通风控制系统保证风量平衡,即根据通风柜的位移信号,排风机、送风机有2种送风工况,低风量工况应用于维持最小换气次数的要求,节约能耗。此情形药检所采用了变风量控制系统。通风柜风量变化时,排风量也会相对变小,此时要求放置在屋顶的排风机随着通风柜柜门的位置变化而变频,降低风量,保证通风柜面风速恒定。同时自控系统改变全新风风机的频率,降低风量,维持负压平衡。变风量系统可以降低系统能耗。系统最大、最小换气次数接近则考虑采用定风量系统,使得系统简单,降低初投资。

实验室压力控制和最小通风量的控制除了设备选型因素以外,实验室通风系统设计和控制系统是关键因素,要保证系统的反应时间要足够短(<1秒),通风系统不平衡会导致通风柜排风和捕捉能力散失,气流流出实验室,建筑物内压力不稳定。

实验室空调通风系统的设计包含了空气处理、制冷加热和除湿、气流组织、控制、安全等部分,它们是一个整体而不是独立系统。实验室的通风设计首要解决的问题是安全性问题,还要考虑到为实验人员创造一个舒适的工作环境,解决温度、气流、噪音的问题,同时要保证zui低的能源消耗,系统稳定,容易控制,易于操作管理。简而言之就是要从安全、舒适、节能、可靠运行方面进行设计。

 本文主要说明实验室换气次数、送排风形式、房间压差和控制系统标准。

一、ASHRAE 规定实验室空调和通风设计参数

1)室内外温度湿度要求;

2)空气质量;

3)设备和工艺热负荷,包括显热和潜热;

4)内部负荷的预期增加;

5)zui小换气次数;

6)进风和补风;

7)排风设备类型;

8)控制和报警;

9)通风柜的尺寸和数量的调整可能;

10)房间压差;

11)设备和电源的备用。

二、换气次数的选择

《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室房间的zui小换气量一般在6 次/h~8次/h。ASHRAE规定验室内的整体换气次数应由下列风量之决定:从局部排风设备或其他房间排风所排出的总风量;带走房间热负荷所需的制冷风量;zui小换气次数需求。在使用情况下,实验室的zui小换气次数应维持6 次/h~10 次/h。

在通常情况下>10次/时房间换气次数被认为是合适的。但是当实验室内有可能产生高热负荷的分析设备,或房间内有较大量的局部排风时,则可能需要相应增大换气量。湿法化学室有通风柜,加热间有大量的加热炉。通风柜的计算方法则参照《化工采暖通风和空调调节设计规范》中对轻、中度危害或有危险的有害物质,在室内顶棚有补风的情况下,通风柜的操作口zui小吸风面速度0.5m/s。对于通风柜的使用率,当通风柜的数量大于2个时,则应该取60%~70%同时使用率。加热炉则是以维持炉内加热温度的热平衡法则计算所需的排风量。通过以上可以计算出总的安全通风量,此外负荷计算的空调风量,还有zui小换气次数10次进行比较,三者取zui大值。

三、送风和排风形式

《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室的排风量较大时,应设置室外新风补风系统,并计入新风负荷。

《科学实验室建筑设计规范》规定每个排风装置宜设独立的排风系统。同一个实验室内的所有排风装置宜合用一个排风系统。工作时间连续使用排风系统的实验室应设置送风系统,送风量宜为排风量的70%,并应根据工艺要求对送风进行空气净化处理。对于采暖地区,冬季应对送风进行加热。送风气流不应破坏实验室排风装置的正常工作。

ASHRAE规定所有从化学实验室内排出的气体均需直接排出室外,而不能循环利用。因此,除非化学实验室也有洁净要求,否则均需保持其相对于相邻区域为负压。而是否选择100%全新风送风系统,应做为实验室危险评估的一个重要部分。

实验室各个单元间设置了独立的排风系统,排风都安装在屋顶上。湿法化学间和加热间由于产生有毒、腐蚀、高温的气体,必须采用全新风处理。其他如工作人员进行计算机分析的通用实验间和进行材料测试的恒温恒湿间,100%全新风送风系统并不是唯一的选择。因为实验室不同的工艺职能,不一定要全新风通风或全新风空气处理。能满足工艺只能是首要的,100%的新风是针对通风柜的环境,而对于一般实验室循环空气处理能达到要求的,就不必要100%全新风。何况在全新风的空调环境下,能耗非常高。

四、房间压差

《化工采暖通风和空调调节设计规范》规定化验室应保持相对负压。

ASHRAE 规定所有从化学实验室内排出的气体均需直接排出室外,而不能循环利用。因此,除非化学实验室也有洁净要求否则均需保持其相对于相邻区域为负压。

这个规定其实要根据具体的实施对象。本项目中恒温恒湿间需要严格的温度、湿度控制范围,应该设计成正压。因为如果设计成负压,则相邻区域的空气去进入,一方面可能破坏温、湿度的控制精;另一方面如果污染的空气进入,也可能造成安全问题。而对于湿法化学间和加热间,为防止有毒、腐蚀、高温的气体或挥发物散发到房间,甚至散发到其他的区域,设计成负压是必须的。实验室建筑的办公区域,应相对于走廊和实验室始终维持正压。实验室内气流应从低危险区域流向高危险区域,zui终通过各类通风柜或加热设备排到室外。

五、控制系统

控制应该把以上几项综合起来,可以满足整个实验室的房间压力、各房间压差、通风量、温湿度和各方面的安全控制要求,同时降低能耗。实验室内往往存在许多不利于人体健康的化学物质污染源,特别是有害气体,将其排除非常重要。但与此同时,能源往往会被大量的消耗,因而实验室的通风控制系统的要求从早期定风量,双稳态,变风量系统,到zui新的适应性控制系统。所谓zui为安全、舒适的环境,并要求zui节能的方式是不能太过于奢望。系统响应迅速确保人身安全,以zui高的精确性正确控制送排风的平衡和室内压力,提供zui大的稳定性。尽量降低用户前期投入,同时减少用户在运行、能源消耗及维护等方面的费用。

ASHRAE 规定实验室控制一方面调整设备的温度和湿度控制;另一方面监控安全设施保护工作人员,用哪个系统,只要对当前实验室是合适的。

化学实验室的通风采用定风量还是变风量控制系统,这取决于设计者、使用者和设施管理者对其所要求的功能初次投资和运行费用等问题的综合考虑。定风量(CAV)系统被设计用来为所有的通风柜和加热炉提供总的排风流量,不管这些通风柜和加热炉是否被占用,总的流量都保持一定。这一方法采用机械限位挡块限制调节阀门开度,可能zui大减小 40%流量。变风量系统(VAV),则是系统容量的减小超过10%或20%的参差性设计。

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