化工企業(yè)化學(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

焦耀武(上海生特瑞建設(shè)有限公司，上海 200335)

0 引言

隨著我國化工行業(yè)的高速發(fā)展，各類化工產(chǎn)品的實驗和檢驗均需在實驗室完成。同時，伴隨著各類新型化工產(chǎn)品在實驗室中通過實驗不斷地推出，實驗室在化工企業(yè)中的地位越顯突出。但是在各類化學(xué)實驗操作過程中會產(chǎn)生或者釋放一些有毒、有害或有腐蝕性的氣體和粉塵，為了確保實驗操作人員的身心健康及生命安全，實驗室中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行必須穩(wěn)定、安全、可靠，必須確保實驗過程中的有害氣體通過通風(fēng)柜安全排放。同時，實驗室中的氣流組織必須符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以確保實驗室中有害氣體不擴(kuò)散至相鄰房間。

1 某化工企業(yè)化學(xué)實驗室工程概況

1.1 實驗室布局

該實驗室是某化工企業(yè)的化學(xué)實驗室，其布局與高低壓配電室和中央控制室布置在同一幢建筑物內(nèi)，其中分析化學(xué)實驗室建筑面積為150 m2，其中了包括1 間化學(xué)實驗室，1 間樣品間和2 間實驗室辦公室，建筑層高均為7 m，實驗室所有房間吊頂凈高為3 m。

根據(jù)業(yè)主對實驗室中各類分析物料的分析要求和安全儲藏要求，實驗室每個中央實驗臺操作兩側(cè)各設(shè)有1 臺3 節(jié)式萬向抽風(fēng)罩，總計8 個；單邊實驗臺各設(shè)有1 臺3 節(jié)式萬向抽風(fēng)罩，總計4 個；除此之外，還有通風(fēng)柜4 臺，試劑柜1 臺及安全柜1 臺?；瘜W(xué)實驗室實驗設(shè)備平面布置圖如圖1 所示。

1.2 工程設(shè)計參數(shù)

1.2.1 室外設(shè)計參數(shù)

本工程位于江蘇省南京市化工園區(qū)，參照南京地區(qū)設(shè)計參數(shù)。

1.2.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)業(yè)主對化學(xué)實驗室內(nèi)環(huán)境要求和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，實驗室室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2 某化工企業(yè)化學(xué)實驗室工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計主要原則

考慮到實驗室中排放有害氣體濃度的高低及排風(fēng)設(shè)備同時使用率，以及根據(jù)HG 20698—2009《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)定》中關(guān)于“每個排風(fēng)系統(tǒng)所帶的通風(fēng)柜不宜超過4 個[2]”及節(jié)約能源等前提條件，實驗室中的排風(fēng)系統(tǒng)共分為3個系統(tǒng)，即：4 臺通風(fēng)柜單獨設(shè)置一套VAV 變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)；12 個萬向抽風(fēng)罩，1 臺試劑柜，1 臺安全柜及樣品間全面排風(fēng)共用一套變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)；同時實驗室設(shè)有1 套定風(fēng)量全面排風(fēng)系統(tǒng)；另外，為了保證實驗室中基本維持-5 Pa 的負(fù)壓環(huán)境，化學(xué)實驗室設(shè)置了1 套全新風(fēng)的空調(diào)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 局部排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

(1)通風(fēng)柜布置

圖1 化學(xué)實驗室通風(fēng)設(shè)備平面布置圖

實驗室中共設(shè)有4 臺全鋼通風(fēng)柜，其外形尺寸均為L×W×H =1 200 mm × 850 mm × 2 350 mm，通風(fēng)柜操作窗口凈尺寸為L×H =1 000 mm × 750 mm。為了便于實驗操作和通風(fēng)管道的布置，每兩臺通風(fēng)柜為一組分別靠墻布置，緊鄰單邊實驗臺，其布置如圖1所示。

(2)通風(fēng)柜排風(fēng)量計算

單臺通風(fēng)柜最大排風(fēng)量按下列公式計算：

式 中：Q 為 通 風(fēng) 柜 最 大 排 風(fēng) 量(m3/h)；F 為 操 作 窗口最大凈面積(m2)；V 為操作窗口安全面風(fēng)速(m/s)，取0.5 m/s[1]。單 臺 通 風(fēng) 柜 最 大 排 風(fēng) 量：Q=3 600×F×V=3 600×1.0×0.75×0.5=1 350 m3/h

(3)通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

考慮到通風(fēng)柜的同時使用率和節(jié)約能源等因素，該排風(fēng)系統(tǒng)最終采用VAV 變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)HG 20698—2000《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)定》、JG/T222—2007《實驗室變風(fēng)量排風(fēng)柜》中的相關(guān)規(guī)定及變風(fēng)量通風(fēng)柜氣流量隨操作窗變化曲線圖(圖2)，每臺通風(fēng)柜最低排風(fēng)量確定為300 m3/h，最高排風(fēng)量為操作門全開時的排風(fēng)量1 350 m3/h，故整套VAV變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)調(diào)節(jié)范圍為1 200～5 400 m3/h。如圖2變化曲線所示，在0～20%操作范圍內(nèi)，單臺通風(fēng)柜排風(fēng)量為恒定值，即300 m3/h；在21%～100%操作位置，單臺通風(fēng)柜排風(fēng)量隨著其操作窗口的變化而成線性變化。

為了保證排風(fēng)系統(tǒng)能準(zhǔn)確無誤地隨通風(fēng)柜操作窗口的位置變化而迅速做出相應(yīng)的排風(fēng)量調(diào)整，在每臺通風(fēng)柜出口排風(fēng)管上配置1 套Phoenix 的通風(fēng)柜排風(fēng)控制系統(tǒng)，包括：通風(fēng)柜變風(fēng)量文丘里排風(fēng)閥，通風(fēng)柜監(jiān)控器和調(diào)節(jié)門傳感器。另外，該排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)機(jī)上也安裝了1 套風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括：風(fēng)機(jī)變頻器，信號控制器和壓力感應(yīng)器。

圖2 變風(fēng)量通風(fēng)柜氣流量隨操作窗口變化曲線圖

當(dāng)工作人員在操作通風(fēng)柜時，通風(fēng)柜上的通風(fēng)柜監(jiān)控器從調(diào)節(jié)門傳感器獲得調(diào)節(jié)門開啟開度，通風(fēng)柜控制系統(tǒng)通過面風(fēng)速控制系統(tǒng)計算出調(diào)節(jié)門所處位置的排風(fēng)量，控制系統(tǒng)會自動根據(jù)該排風(fēng)量調(diào)整通風(fēng)柜文丘里排風(fēng)閥的開啟度，以保證操作窗口的面風(fēng)速恒定在0.5 m/s。同時，由于通風(fēng)柜文丘里排風(fēng)閥的開啟度的變化會直接影響到排風(fēng)管道中靜壓的變化，當(dāng)壓力感應(yīng)器感應(yīng)到靜壓力大于設(shè)定值時，說明通風(fēng)柜操作窗口面積在減小，排風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻器隨之降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，反之亦然。通風(fēng)柜VAV 變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)的流程圖如圖5 所示。

2.2.2 萬向抽風(fēng)罩，安全柜，試劑柜及樣品間排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

(1)設(shè)備布置

化學(xué)實驗室中除了一些危害較大的實驗需要在通風(fēng)柜中完成外，其它一些一般的實驗操作均可以在中央實驗臺或單邊實驗臺上完成，這些一般的化學(xué)實驗有害氣體的排放就可以利用簡單操作且較為安全的萬向抽風(fēng)罩，所以，在中央實驗臺的兩側(cè)各設(shè)有一個3 節(jié)萬向抽風(fēng)罩，單邊實驗臺共設(shè)有4 個3 節(jié)萬向抽風(fēng)罩，總計12 節(jié)萬向抽風(fēng)罩。3 節(jié)萬向抽風(fēng)罩結(jié)構(gòu)尺寸簡圖如圖3 所示。

圖3 3節(jié)式萬向抽風(fēng)罩結(jié)構(gòu)尺寸簡圖

(2)排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量確定

根據(jù)實驗室家具廠家提供的設(shè)備資料顯示，萬向抽風(fēng)罩的排風(fēng)量為Q=180 m3/h，試劑柜和安全柜的排風(fēng)量均為Q=100 m3/h。另外，樣品間貨架上主要存放了平時做實驗所需要的化學(xué)物料，為了防止因樣品間中化學(xué)物料泄漏而污染實驗室，在樣品間設(shè)置了4 次/h 的全天24 h 排風(fēng)換氣，即總排風(fēng)量為200 m3/h。

(3)排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)業(yè)主所提供的信息，萬向抽風(fēng)罩的同時使用率為50%，試劑柜，安全柜和樣品間為全天24 h 排風(fēng)換氣。因此，最低排風(fēng)量：Qwl=12×180×0.5+100×2+200=1 480 m3/h，最高排風(fēng)量：Qwh=12×180+100×2+200=2 560 m3/h。

為了確保排風(fēng)風(fēng)機(jī)做出實時準(zhǔn)確的風(fēng)量變化，該排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)機(jī)采用了變頻風(fēng)機(jī)，同時在排風(fēng)系統(tǒng)上安裝了1 套風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)實驗操作人員開啟或者關(guān)閉萬向抽風(fēng)罩時，排風(fēng)風(fēng)道中的壓力傳感器檢測到壓力變化，聯(lián)鎖調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器使風(fēng)機(jī)頻率提高或降低，以達(dá)到調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)排風(fēng)量的目的，排風(fēng)系統(tǒng)控制流程圖如圖4 所示。

2.3 全面排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

因?qū)嶒炇抑型L(fēng)柜不使用時也有300 m3/h 的排風(fēng)量，試劑柜和安全柜全年排風(fēng)量均為100 m3/h，另外萬向抽風(fēng)罩的同時使用率按φ=50%考慮，因此，實驗室最低局部排風(fēng)量：QJL=300×4+180×12×0.5 +100×2 =2 480 m3/h。

根據(jù)上述計算風(fēng)量，該最低局部排風(fēng)量基本能滿足實驗室的全面通風(fēng)要求，但是因業(yè)主對該實驗室中的空氣品質(zhì)要求極高，且考慮到保證實驗室工作人員身體健康的需要，最終實驗室中額外增加6 次/h 的全面排風(fēng)系統(tǒng)，即排風(fēng)量為QT=1 890 m3/h，該排風(fēng)系統(tǒng)全年24 h 運轉(zhuǎn)，保障實驗室中具有良好的空氣品質(zhì)[1]。

2.4 排風(fēng)設(shè)備和材料的選擇及有害氣體的凈化處理

根據(jù)業(yè)主所提供的相關(guān)信息，實驗室排放有害物主要為有機(jī)烴類和酸性氣體，經(jīng)綜合考慮后，所有排風(fēng)風(fēng)機(jī)選用了耐腐蝕的玻璃鋼材質(zhì)風(fēng)機(jī)，排風(fēng)管道、排風(fēng)管件及風(fēng)閥均選用了耐腐蝕的PP 材質(zhì)。依據(jù)本項目環(huán)評報告和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，在3 套排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)風(fēng)機(jī)入口處均設(shè)置了高性能可拆卸的活性炭吸附裝置，經(jīng)過吸附過濾的氣體高空排放，以保證排向大氣的氣體符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。

3 某化工企業(yè)化學(xué)實驗室補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計算

實驗室中的3 套排風(fēng)系統(tǒng)的最低和最高排風(fēng)量分別如下：

(1) 通 風(fēng) 柜 排 風(fēng) 系 統(tǒng)：Qtl=300×4=1 200 m3/h，Qth=1 350×4=5 400 m3/h。

(2)萬向抽風(fēng)罩排風(fēng)系統(tǒng)：Ql=1 480 m3/h，Qh=2 560 m3/h。

(3)全面排風(fēng)系統(tǒng)：QT=1 890 m3/h。

所以，實驗室最低排風(fēng)量：Qsl=1 200+1 480+1 890=4 570 m3/h。實驗室最高排風(fēng)量：Qsh=5 400+2 560+1 890=9 850 m3/h。

另外，實驗室中需維持ΔP=-5 Pa 的微負(fù)壓，實驗室門窗滲透風(fēng)量為710 m3/h。所以，實驗最終補(bǔ)風(fēng)量如下：實驗室最低補(bǔ)風(fēng)量：QOl=4 570-710=3 860 m3/h；實驗室最高補(bǔ)風(fēng)量：QOh=9 850-710=9 140 m3/h。

3.2 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)選擇

根據(jù)上述的計算結(jié)果，驗室中排風(fēng)系統(tǒng)的最高排風(fēng)量達(dá)到了Qsh=9 850 m3/h，補(bǔ)風(fēng)量范圍為3 860～9 140 m3/h。自然補(bǔ)風(fēng)既不能滿足補(bǔ)風(fēng)風(fēng)量要求，也不能滿足實驗室對其溫度和濕度的要求。另外，考慮到實驗室中的排風(fēng)因含有高濃度的有害酸性氣體而無法采用能量交換裝置。綜合以上因素，實驗室補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)采用直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組的機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，以保證實驗室中全天24 h 的溫濕度基本恒定[2]。

3.3 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 過渡季節(jié)空氣處理

直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組主要由進(jìn)風(fēng)段、過濾段、除濕段、蒸發(fā)段、加熱段、中間段及風(fēng)機(jī)段組成，其中過濾段由30%初效過濾和85%中效過濾組成。在春秋季節(jié)，室外空氣溫度和室內(nèi)所要求的溫度基本相同，所以，無須啟動蒸發(fā)器或加熱器，室外的空氣直接經(jīng)過初中效過濾器和除濕機(jī)除濕后，就可以滿足實驗室新風(fēng)品質(zhì)的要求。

3.3.2 空調(diào)季節(jié)空氣處理

在南京地區(qū)，冬夏季的溫濕度均不滿足實驗室新風(fēng)質(zhì)量要求，所以夏季室外空氣必須經(jīng)過降溫除濕、冬季室外空氣要經(jīng)過加熱后才能送入到實驗室中。因?qū)嶒炇覍囟扔休^高的要求，實驗室中設(shè)置了溫度傳感器，與直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組聯(lián)鎖。當(dāng)夏季實驗室溫度超出t=26±2 ℃的范圍時，溫度傳感器發(fā)出聯(lián)鎖信息，直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組根據(jù)所接受到的信息，自動調(diào)整冷凝機(jī)組啟停的臺數(shù)以增加冷負(fù)荷或減少冷負(fù)荷；冬季實驗室溫度超出t=20±2 ℃的范圍時，空調(diào)機(jī)組自動調(diào)節(jié)蒸汽總管上閥門的開度以控制通過加熱盤管的熱負(fù)荷。直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組流程圖如圖4 所示[3]。

4 某化工企業(yè)化學(xué)實驗室控制系統(tǒng)設(shè)計

圖4 直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組流程圖

實驗室控制系統(tǒng)包括通風(fēng)柜VAV 變風(fēng)量控制系統(tǒng)、房間溫度控制系統(tǒng)及房間壓差控制系統(tǒng)。通風(fēng)柜VAV 變風(fēng)量控制系統(tǒng)，房間溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)在文章第3 節(jié)和第4 節(jié)均做了詳細(xì)的敘述。以下主要敘述房間壓差控制系統(tǒng)設(shè)計：

房間壓差控制系統(tǒng)主要由室內(nèi)壓力探頭、壓力傳感器和控制器組成。壓力探頭將室內(nèi)壓力變化傳送到壓差傳感器與室外壓力進(jìn)行比較，當(dāng)室內(nèi)外壓差大于或小于ΔP = -5 Pa 時，控制器自動發(fā)送聯(lián)鎖信號給直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，直接蒸發(fā)式全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組根據(jù)接收到的聯(lián)鎖信號自動調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)機(jī)的頻率，以滿足實驗室室內(nèi)所需要的新風(fēng)量，具體實驗室控制系統(tǒng)流程圖如圖5 所示。

圖5 實驗室控制系統(tǒng)流程圖

5 某化工企業(yè)化學(xué)實驗室安全系統(tǒng)設(shè)計

5.1 緊急排風(fēng)措施

實驗室中雖然設(shè)置了局部排風(fēng)系統(tǒng)和全面排風(fēng)系統(tǒng)，但是實驗人員在通風(fēng)柜中做某些實驗時，可能由于操作不當(dāng)或其它原因，導(dǎo)致大量的有毒有害氣體的產(chǎn)生。這種情況下，通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)必須在最短的時間內(nèi)排除這些有害氣體。所以，在每臺通風(fēng)柜上安裝有1 個緊急按鈕，當(dāng)發(fā)生上述緊急情況時，只要按下此按鈕，排風(fēng)機(jī)不管在什么狀態(tài)下，都會自動調(diào)到最大排風(fēng)狀態(tài)，以保證實驗人員的安全。

5.2 氣體監(jiān)測設(shè)施

實驗室還會用到氮氣、氬氣及其它一些惰性氣體，為了保證實驗室中氮氣等惰性氣體濃度不超標(biāo)，在實驗室中南北側(cè)內(nèi)墻上各裝有1 個氧氣濃度監(jiān)測儀。當(dāng)?shù)獨獾榷栊詺怏w濃度超標(biāo)時，氧氣監(jiān)測儀會發(fā)出警報聲，提醒實驗室工作人員及時撤離實驗室。

6 結(jié)語

綜上所述，化學(xué)實驗室良好的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需要滿足實驗室溫濕度、廢氣排放及安全等方面要求。所以，隨著我國化工行業(yè)的高速發(fā)展，化學(xué)實驗室在企業(yè)中的地位越來越重要，企業(yè)應(yīng)高度重視化學(xué)實驗室的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計理念及系統(tǒng)安全等方面因素，為實驗操作人員提供一個安全、舒適的工作環(huán)境。