實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)背景
由于本項(xiàng)目排風(fēng)柜數(shù)量非常多，因此選擇合適的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案尤為重要。作為進(jìn)行化學(xué)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)室因其在保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員健康安全以及保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行方面所起的重要作用而廣受關(guān)注，其中排風(fēng)柜又是實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵設(shè)備。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的首要原則是建筑內(nèi)人員的安全，而在維持一個(gè)安全舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，如何減少能耗對(duì)于排風(fēng)柜密集程度較大的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很大的課題。
過(guò)去三十年內(nèi)，在排風(fēng)柜設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方面有過(guò)廣泛的討論，技術(shù)也日趨成熟，主要體現(xiàn)在變風(fēng)量通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(VAV)與排風(fēng)柜的有效結(jié)合以及相應(yīng)控制技術(shù)的提高。
相對(duì)于其它領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用VAV技術(shù)起步相對(duì)較晚，究其原因主要是因?yàn)樵趯?duì)排風(fēng)柜采用變風(fēng)量系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)房間壓力和溫度進(jìn)行有效控制顯得相當(dāng)困難。下面就排風(fēng)柜及VAV系統(tǒng)的應(yīng)用與控制分別論述。
實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)的幾種常見(jiàn)理念比較分析
在本項(xiàng)目選定通風(fēng)設(shè)計(jì)方案之前，做了一些常見(jiàn)理念的比較和研究。排風(fēng)柜的選擇、設(shè)計(jì)及氣流控制是實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)理念方面，由于對(duì)安全和節(jié)能等原因的要求越來(lái)越高。理念也逐漸發(fā)生變化
單獨(dú)式排風(fēng)轉(zhuǎn)向集中式排風(fēng)
所謂單獨(dú)式排風(fēng)就是每一個(gè)排風(fēng)柜都帶有一個(gè)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可以采用變速的，安裝于屋頂或者遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)區(qū)域的風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)。因?yàn)樵谶@種排風(fēng)系統(tǒng)中，單股氣流不會(huì)和其他氣流相互影響，排風(fēng)機(jī)關(guān)閉也只影響到一個(gè)排風(fēng)柜，所以非常適用于那種排風(fēng)柜不多的小型實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)。由于本項(xiàng)目有170臺(tái)通風(fēng)柜，規(guī)模比較大，如果選擇這種方案顯然有很大的弊端。此種系統(tǒng)以增加費(fèi)用以及占據(jù)地面空間為代價(jià)，垂直管道過(guò)多影響建筑功能與外觀，而且風(fēng)機(jī)總體效率低，數(shù)量眾多也使得日常維護(hù)成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。同時(shí)，排風(fēng)中能量回收較為困難。集中式排風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)漸漸顯露。它采用多個(gè)排風(fēng)柜共用一個(gè)風(fēng)機(jī)及排風(fēng)管的方法，盡管由于化學(xué)品的混合可能會(huì)有潛在的危險(xiǎn)，一個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障也可能會(huì)影響到好幾個(gè)排風(fēng)柜，但這些問(wèn)題已經(jīng)可以有效得以避免。同時(shí)，這種系統(tǒng)可以較好地對(duì)污染物進(jìn)行稀釋，能耗低，熱回收方便，更為重要的一點(diǎn)是，它相對(duì)于獨(dú)立式排風(fēng)系統(tǒng)，具有的靈活性，有利于將來(lái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的移動(dòng)或者添加，在本項(xiàng)目中得到應(yīng)用。
補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜
補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜在過(guò)去一度受到青睞，主要基于兩方面的考慮：首先是安全性，因?yàn)樗盟惋L(fēng)沖刷呼吸區(qū)并帶走污染物；其次是節(jié)能性，因?yàn)檠a(bǔ)風(fēng)(可達(dá)70％)不必處理即可送至柜前，從而省去了大量空調(diào)能耗。但實(shí)驗(yàn)及研究表明，補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜在這兩個(gè)方面都無(wú)法達(dá)到人們預(yù)期效果。首先，補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜引入了大量補(bǔ)風(fēng)基本上很少和室內(nèi)空氣混合而直接被吸走，這就使得房間內(nèi)其它空間區(qū)域可能存在的污染物只能通過(guò)少量的送風(fēng)進(jìn)行稀釋，這本身減少了安全性，而且柜前補(bǔ)風(fēng)會(huì)嚴(yán)重影響柜面處的氣流，擾動(dòng)加劇，很可能導(dǎo)致有害物溢出。而由于采用柜內(nèi)排風(fēng)，通過(guò)柜面的風(fēng)量減少導(dǎo)致風(fēng)速下降，后果更為嚴(yán)重，一般不建議采用。其次，最初的節(jié)能是考慮不對(duì)新風(fēng)處理這一前提而提出的。但文獻(xiàn)【1】指出為了確保溫度的一致性和操作者的舒適性，補(bǔ)風(fēng)溫度和房間溫度差值應(yīng)小于3℃，這一要求使其節(jié)能性不復(fù)存在。另外，一般的補(bǔ)風(fēng)型排風(fēng)柜都會(huì)在操作者頭部、肩部引起吹風(fēng)感，使人感到不適，而且補(bǔ)風(fēng)在冷表面上還會(huì)出現(xiàn)結(jié)冷凝水的情況。
定風(fēng)量排風(fēng)柜
對(duì)于定風(fēng)量(CAV)型的排風(fēng)柜，其排風(fēng)量近似恒定，即排風(fēng)量不隨排風(fēng)柜拉門位置，柜前有、無(wú)人員操作改變。其缺點(diǎn)在于操作門拉下以后，速度在面積較小的情形下會(huì)達(dá)到很大，這種難以控制的高速氣流會(huì)造成氣流短路，貼附底面直接抽走，污染物在某個(gè)角落發(fā)生積聚，一方面沒(méi)有有效地對(duì)柜內(nèi)污染物稀釋，另一方面，直接造成能量浪費(fèi)。改進(jìn)后的旁通型排風(fēng)柜通過(guò)設(shè)置旁通百葉，盡管理論上可以保持一定的風(fēng)量和風(fēng)速，但是實(shí)際上這種只是相對(duì)意義上的恒定。由于實(shí)驗(yàn)室采用的全新風(fēng)，所以新風(fēng)處理能耗相當(dāng)大，而在確保安全、舒適的工作環(huán)境的前提下，盡可能減少排風(fēng)量毫無(wú)疑問(wèn)是節(jié)能的途徑。因此變風(fēng)量排風(fēng)柜應(yīng)運(yùn)而生。
變風(fēng)量系統(tǒng)
變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)控制作為本項(xiàng)目的最終選擇，有著明顯的優(yōu)勢(shì)和*性。下面就VAV系統(tǒng)的一些顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。
一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)室氣流流向應(yīng)該是從送風(fēng)口送出的氣流通過(guò)與室內(nèi)空氣的混合帶走室內(nèi)熱濕負(fù)荷，最后通過(guò)排風(fēng)柜抽走，但是事實(shí)上在各種因素的作用下這很難實(shí)現(xiàn)。通常認(rèn)為，排風(fēng)柜性能是和柜面氣流的平均風(fēng)速(簡(jiǎn)稱面風(fēng)速)有直接關(guān)系。VAV系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是為了確保穩(wěn)定的面風(fēng)速。JG/T222-2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定0.5m／s為安全操作的理想面風(fēng)速。
變風(fēng)量排風(fēng)柜性能參數(shù)詳見(jiàn)下表
排風(fēng)
實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)主要來(lái)源于排風(fēng)柜的排風(fēng)。在VAV中，排風(fēng)柜排風(fēng)量通?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式確定，即監(jiān)測(cè)排風(fēng)柜門位置或者監(jiān)測(cè)面風(fēng)速的大小。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)柜門位置可以達(dá)到較為精確的水平，因此前者原則上可以通過(guò)調(diào)整排風(fēng)量確保恒定面風(fēng)速，但是它沒(méi)有考慮到其它類似于人員站在柜前等同樣會(huì)影響面風(fēng)速的因素。
面風(fēng)速控制環(huán)路示意圖詳見(jiàn)下圖
在排風(fēng)柜排風(fēng)中還要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
(1) 每個(gè)排風(fēng)柜必須有最小排風(fēng)量， 以確保在柜門拉至最小時(shí)，對(duì)柜內(nèi)氣體可以進(jìn)行足夠的稀釋，防止柜內(nèi)有害氣體濃度過(guò)高，以致再次開啟柜門時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)一般標(biāo)準(zhǔn)為200m3／h。
(2) 屋頂排放速度：出口速度保證有效排放高度，并且可以防止雨水進(jìn)入。如果速度過(guò)小，可以采用屋頂旁通或者改變管徑的方式保證一定的排放速度。一般認(rèn)為，15m／s的排放速度可以滿足要求。除了排風(fēng)柜排風(fēng)外，實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)還包括工藝排風(fēng)和室內(nèi)輔助排風(fēng)，三者之和即是實(shí)驗(yàn)室總排風(fēng)量。
(3) 屋頂排放高度：要求高出屋頂高度3米。
(4) 屋頂排放濃度：要求經(jīng)過(guò)中效及活性炭過(guò)濾后進(jìn)行排放。滿足大氣排放標(biāo)準(zhǔn)。如遇酸性氣體，則需要考慮化學(xué)過(guò)濾器裝置在排風(fēng)箱中。如氣體有爆炸危險(xiǎn)性，則排風(fēng)機(jī)要考慮對(duì)應(yīng)的防爆等級(jí)進(jìn)行選型。
送風(fēng)
在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)量的確定很大程度上不是由室內(nèi)負(fù)荷決定的，而是由排風(fēng)量決定。如前所述，通過(guò)負(fù)壓控制確保安全是實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)的首要任務(wù)。目前廣泛采用的就是設(shè)置壓差傳感器，保持設(shè)定壓差，這種控制方式對(duì)傳感器的精度要求相當(dāng)高，在實(shí)際運(yùn)行中很難保證任何時(shí)刻的壓差恒定。必須指出，并非傳感器精度和靈敏性越高，控制效果就越好。因?yàn)閷?shí)際過(guò)程中往往會(huì)有各種瞬時(shí)外界因素干擾氣流，影響室內(nèi)靜壓，如果過(guò)于靈敏，反而會(huì)出現(xiàn)與期望值相反的結(jié)果。另外，新風(fēng)吸入口的選擇也須十分謹(jǐn)慎，首要原則就是盡可能遠(yuǎn)離排風(fēng)口，其次新風(fēng)口位置也不能太低，由于地面活動(dòng)如一定范圍內(nèi)的汽車尾氣濃度和灰塵顆粒濃度較高，不僅影響實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)室安全，也縮短了過(guò)濾器的使用壽命。
房間壓差的控制
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(guò)壓差傳感器測(cè)量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差，與設(shè)定的壓差進(jìn)行比較后，控制器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)送風(fēng)量（或排風(fēng)量）進(jìn)行控制，從而達(dá)到要求的壓差。此種壓力控制法為反饋控制。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，控制精度低。另外一種為余風(fēng)量控制法。實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)量與排風(fēng)量之間保持一定的風(fēng)量差（稱為余風(fēng)量），必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓差。當(dāng)室內(nèi)總送風(fēng)量大于室內(nèi)排風(fēng)總量時(shí)，空氣通過(guò)房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙排出，與相鄰房間建立起正壓，避免環(huán)境中的污染進(jìn)入室內(nèi)。反之，當(dāng)房間送風(fēng)總量小于排風(fēng)總量時(shí)，空氣通過(guò)相鄰房間或者室外進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)形成負(fù)壓，此類負(fù)壓系統(tǒng)是為了保證環(huán)境的安全，保證未經(jīng)過(guò)處理的污染物不會(huì)流向室外，余風(fēng)量控制法的有點(diǎn)事壓差控制準(zhǔn)確，系統(tǒng)波動(dòng)小，平衡相對(duì)迅速。下圖所示為直接壓差控制閥的示意圖
影響因素
參差性
有人認(rèn)為VAV系統(tǒng)復(fù)雜，控制維護(hù)費(fèi)用昂貴，在實(shí)驗(yàn)室未必值得推廣。但是實(shí)際上VAV除了可以通過(guò)控制面風(fēng)速提供CAV無(wú)法確保的安全性外，還可以在考慮參差性的基礎(chǔ)上大大縮減系統(tǒng)規(guī)模，減少設(shè)備容量，提高運(yùn)行效率。參差性是由各時(shí)刻每個(gè)柜門的位置決定的，它與操作者工作量、研究目的以及操作習(xí)慣有關(guān)。隨著實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的不斷擴(kuò)大，精確預(yù)計(jì)參差性不僅對(duì)初投資十分重要，同時(shí)也直接影響了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。美國(guó)學(xué)者John．0．Vadey在對(duì)美國(guó)西部某實(shí)驗(yàn)室中56個(gè)排風(fēng)柜的使用情況進(jìn)行了一個(gè)月的觀察和記錄，結(jié)果表明一個(gè)月中每一天的使用時(shí)間并沒(méi)有太多規(guī)律，但是從每天各時(shí)段的使用情況卻可以找出一定的規(guī)律， 比如John．0．Vadey得出的結(jié)論是早上九點(diǎn)和下午一點(diǎn)左右是兩個(gè)使用高峰期。
送風(fēng)氣流
在所有影響排風(fēng)柜的外部因素中，送風(fēng)氣流是重要的一個(gè)方面。它主要體現(xiàn)在送風(fēng)氣流到達(dá)排風(fēng)柜柜面處的速度大小，而影響這一數(shù)值的包括送風(fēng)速度、送風(fēng)口布置和形式。一般認(rèn)為，這一數(shù)值以不大于設(shè)定面風(fēng)速的20％為宜。而送風(fēng)口一般布置于離排風(fēng)柜較遠(yuǎn)的另一側(cè)，其形式多采用孔板式。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)室的特殊功能以及相應(yīng)的極為嚴(yán)格的壓力控制使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性能比傳熱性能更為重要。實(shí)驗(yàn)室的門窗數(shù)量必須加以限制以提供一個(gè)相對(duì)不易滲漏的結(jié)構(gòu)。無(wú)窗、密封性好的墻體以及盡可能少的門可使得壓力控制和相關(guān)污染物控制更加容易實(shí)現(xiàn)。
柜門移動(dòng)
柜門的移動(dòng)速度確實(shí)會(huì)對(duì)柜的性能產(chǎn)生影響，即對(duì)柜門處氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，移動(dòng)越快，擾動(dòng)越大；設(shè)定面風(fēng)速越高，擾動(dòng)影響就越小。柜門移動(dòng)速度還和控制器反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。VAV控制器所需的反應(yīng)時(shí)間根據(jù)柜門移動(dòng)的速度而定，反應(yīng)時(shí)間較短的VAV控制器因?yàn)樵诠耖T開啟時(shí)可以迅速做出風(fēng)量調(diào)整，從而使風(fēng)速下降不至于過(guò)大，柜門移動(dòng)的影響也可減小。在不進(jìn)行操作的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該將柜門拉至最下方，一方面增加安全性，同時(shí)也可以節(jié)省能耗。 詳見(jiàn)下圖：
房間門的開啟以及人員走動(dòng)
在門打開時(shí)進(jìn)人房間的氣流會(huì)和送風(fēng)氣流一樣影響排風(fēng)柜的性能，特別是在實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)量很小的場(chǎng)合，人員在柜前的走動(dòng)所誘導(dǎo)的氣流同樣如此。如果柜內(nèi)或者強(qiáng)刺激性氣體，那么即使作用時(shí)間很短，危害也是相當(dāng)?shù)拇蟆?nbsp;
幾種典型模式下的控制
有人時(shí)控制模式和無(wú)人時(shí)控制模式
通常為節(jié)省大量能量，就要采取有人／無(wú)人兩種模式運(yùn)行。當(dāng)柜前沒(méi)有操作人員時(shí)，面風(fēng)速可以下降(如由0．5m／s降至0．3m／s)，但是風(fēng)速降低必須充分基于安全性考慮。房間每平米不得少于25m3/h的排風(fēng)量。有人或者無(wú)人模式的確定有很多方式，以前較多采用的是手動(dòng)控制和利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)照明的自動(dòng)控制，但是后者對(duì)于某些光感實(shí)驗(yàn)就不太適用， 目前本項(xiàng)目用得的是利用紅外遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)。
緊急情況控制模式
排風(fēng)柜排風(fēng)管道不允許安裝防火閥，一旦發(fā)生火災(zāi)，控制模式應(yīng)該讓排風(fēng)柜的排風(fēng)系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)， 以排出有害氣體，而且風(fēng)速可以超過(guò)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
夜間通風(fēng)控制模式
化學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般來(lái)講晚間是不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，因此控制模式只要保持最小排風(fēng)量，確保對(duì)排風(fēng)柜內(nèi)物品可能排放的有害氣體稀釋就可以了，當(dāng)然走廊、實(shí)驗(yàn)室、排風(fēng)柜之間的壓差還是需要保持的。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)方案中考慮夜間模式換氣量減半。
結(jié)論
隨著我國(guó)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路與排風(fēng)柜的型式發(fā)生了很大變化。由于實(shí)驗(yàn)室可能含有有毒物、有害微生物、輻射物以及其它危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)特別強(qiáng)調(diào)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該為實(shí)驗(yàn)者提供一個(gè)安全、舒適的工作環(huán)境，而且應(yīng)該與所有建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能一致協(xié)調(diào)，必須能有效的進(jìn)行控制維護(hù)和監(jiān)測(cè)。綜上所述，VAV系統(tǒng)能在保證人員安全的前提下，其初投資、維護(hù)運(yùn)行等方面都比傳統(tǒng)CAV更有優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能方面更是CAV的。因此在類似的項(xiàng)目案例中應(yīng)該推廣VAV系統(tǒng)。
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