化工實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高智杰

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 通風(fēng)系統(tǒng)形式

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜可以單獨(dú)配置風(fēng)機(jī)或者將多臺(tái)通風(fēng)柜并聯(lián)，從而將這些設(shè)備集中通過1 臺(tái)排風(fēng)機(jī)排放。通常來說，通風(fēng)系統(tǒng)可分為壓力相關(guān)型和壓力無關(guān)型。目前，工程設(shè)計(jì)中的定風(fēng)量系統(tǒng)一般為壓力相關(guān)型，該系統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)排風(fēng)量不會(huì)發(fā)生變化，若系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)通風(fēng)柜時(shí)，則系統(tǒng)壓力會(huì)因開啟的通風(fēng)柜數(shù)量變化而發(fā)生變化；值得注意的是，由于通風(fēng)柜面風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，因此，可能造成有害物質(zhì)向室內(nèi)擴(kuò)散，從而影響室內(nèi)氣流組織及人員健康。

壓力無關(guān)型系統(tǒng)不會(huì)因通風(fēng)管網(wǎng)阻力特性的變化而造成各通風(fēng)設(shè)備排風(fēng)量發(fā)生變化。壓力無關(guān)型系統(tǒng)可為定風(fēng)量、變風(fēng)量或這兩者的組合。其中，“變風(fēng)量系統(tǒng)”是指壓力無關(guān)型的通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于壓力無關(guān)型系統(tǒng)來說，其要求每臺(tái)排風(fēng)設(shè)備均應(yīng)配備流量控制設(shè)備，故而具有2 個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）靈活性，即在增加排風(fēng)設(shè)備的情況下，無須平衡整個(gè)系統(tǒng)；（2）可進(jìn)行變風(fēng)量控制，即能夠利用系統(tǒng)的參差性。

目前，更多的化工實(shí)驗(yàn)室往往都傾向于采用變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)，這在提升實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時(shí)，還增加了系統(tǒng)的靈活性。

2 變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)的組成

化工實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)由變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)和變風(fēng)量補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)組成：

1）變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)通常由排風(fēng)設(shè)備（通風(fēng)柜、萬向排風(fēng)罩、吸收罩、通風(fēng)型試劑柜等）、變風(fēng)量文丘里閥、定風(fēng)量文丘里閥、風(fēng)管、排風(fēng)機(jī)及控制系統(tǒng)組成。其中，排風(fēng)機(jī)通常“一用一備”，以保證排風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠。

2）變風(fēng)量補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)通常由送風(fēng)口、變風(fēng)量文丘里閥、定風(fēng)量文丘里閥、全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組及控制系統(tǒng)組成。

3 變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)的控制

變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)控制目標(biāo)為：（1）保證實(shí)驗(yàn)室工作人員的健康及安全；（2）正確控制實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜的排風(fēng)，以保證通風(fēng)柜面風(fēng)速；（3）正確控制實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)風(fēng)，從而保證實(shí)驗(yàn)室空氣的流向。

3.1 通風(fēng)柜排風(fēng)控制

在通風(fēng)柜排風(fēng)管上安裝變風(fēng)量文丘里閥。當(dāng)通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門移動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)門位移傳感器會(huì)將調(diào)節(jié)門開度信號(hào)傳輸給通風(fēng)柜監(jiān)控器，而監(jiān)控器則計(jì)算出當(dāng)前通風(fēng)柜所需的排風(fēng)量，并使文丘里閥在規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)整至設(shè)定值，以控制通風(fēng)柜面能夠保持風(fēng)速恒定（0.5 m/s 左右）；當(dāng)調(diào)節(jié)門關(guān)閉后，通風(fēng)柜就會(huì)維持最小排風(fēng)量。值得注意的是，由于文丘里閥受控于通風(fēng)柜監(jiān)控器，因此可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)柜變風(fēng)量控制。

3.2 房間通風(fēng)控制

在通常情況下，氣流都是從辦公室、走廊和輔助區(qū)域進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室區(qū)域。因此，相對(duì)于樓宇內(nèi)的其他房間或空間，實(shí)驗(yàn)室均應(yīng)維持負(fù)壓。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)室房間通風(fēng)控制方式一般有壓差控制、流量追蹤控制：

1）壓差控制能夠維持實(shí)驗(yàn)室與走廊的壓差，但存在房間開門時(shí)控制不精確且響應(yīng)慢或不穩(wěn)定等問題；

2）流量追蹤控制可以維持恒定的補(bǔ)風(fēng)量；

3）控制器會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有通風(fēng)柜、排氣罩、排風(fēng)口的排風(fēng)量總和，從而調(diào)節(jié)房間補(bǔ)風(fēng)量，使排風(fēng)量與補(bǔ)風(fēng)量之差恒定，以避免壓差控制所帶來的問題。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)控制

由于變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)通常服務(wù)房間多、區(qū)域較大，因此各實(shí)驗(yàn)室送、排風(fēng)量的變化必然會(huì)引起系統(tǒng)風(fēng)量和壓力變化。針對(duì)這一情況，為了使通風(fēng)系統(tǒng)的文丘里閥前后壓差保持在其正常工作范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)需采用定靜壓變頻控制方式，且在送、排風(fēng)主管道的末端1/3 處，不僅要設(shè)置靜壓傳感器來測(cè)量風(fēng)壓變化[1]，還要設(shè)置DDC 控制器接收傳感器信號(hào)以及設(shè)置輸出變頻器控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)送、排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以更好地保持風(fēng)管內(nèi)的靜壓。

4 工程實(shí)例

以青海西寧某項(xiàng)目中央化驗(yàn)室為例，介紹化工實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建筑面積為6 478.0 m2，共3 層。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以豎向分層，橫向按防火分區(qū)設(shè)置；由于灰分分析間散發(fā)高度危害物質(zhì)，故設(shè)置獨(dú)立排風(fēng)系統(tǒng)，不影響其他排風(fēng)系統(tǒng)的安全。本項(xiàng)目共設(shè)置9 個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)和3 個(gè)送風(fēng)系統(tǒng)。

4.1 變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

通風(fēng)柜采用變風(fēng)量控制來確保通風(fēng)柜的安全防護(hù)性能。另外，在控制操作過程中，各組成的部分的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

1）通風(fēng)柜安全面需保持以下數(shù)據(jù)：（1）風(fēng)速0.5 m/s；（2）變風(fēng)量響應(yīng)時(shí)間≤1 s；（3）面風(fēng)速偏差≤±0.1 m/s；

2）各通風(fēng)設(shè)備排風(fēng)量為：（1）1.8 m 標(biāo)準(zhǔn)變風(fēng)量通風(fēng)柜為300～2 000 m3/h；（2）原子吸收罩為600 m3/h；（3）萬象抽氣罩/通風(fēng)型藥品柜為200 m3/h；

3）實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量與送風(fēng)量之差按照房間2 次/h 換氣進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)量從房間縫隙滲入；

4）根據(jù)HG/T 20711—2019《化工實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)室供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，處于工作狀態(tài)的有污染物產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室，最小換氣次數(shù)不應(yīng)低于6 次/h[2]。

4.2 實(shí)驗(yàn)室風(fēng)量計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室最小排風(fēng)量必須滿足最小換氣次數(shù)，排風(fēng)量與送風(fēng)量之差保持恒定，保證實(shí)驗(yàn)室安全。當(dāng)新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)送入室內(nèi)時(shí)，新風(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷。本文選取環(huán)保大氣分析室為例計(jì)算實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)量，房間體積350 m3，設(shè)置2 個(gè)1.8 m臺(tái)式通風(fēng)柜，2 個(gè)萬象抽氣罩，1 個(gè)通風(fēng)藥品柜，房間通風(fēng)柜按全部同時(shí)使用考慮。房間計(jì)算風(fēng)量如下：

1）通風(fēng)換氣量為350×6=2 100 m3/h；最小排風(fēng)量為300×2+200×2+200×1=1200 m3/h；

2）最大排風(fēng)量為2 000×2+200×2+200×1=4 600 m3/h；

3）由于房間最小排風(fēng)量小于房間通風(fēng)換氣的要求，故需要設(shè)置定風(fēng)量輔助排風(fēng)口， 輔助排風(fēng)口風(fēng)量為2100 -1200=900 m3/h；

4）房間排風(fēng)量為2 100～5 500 m3/h。房間新風(fēng)量為（2 100～5 500）-350×2=（1 400～4 800）m3/h。若房間通風(fēng)柜數(shù)量≥4 個(gè)，考慮通風(fēng)柜不同時(shí)使用。

根據(jù)排風(fēng)系統(tǒng)劃分，可計(jì)算本系統(tǒng)內(nèi)各房間排風(fēng)量（見表1）。

表1 通風(fēng)量匯總表 m3/h

4.3 系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)除房間較多外，所帶通風(fēng)柜也較多。因此，考慮到通風(fēng)柜有不同時(shí)使用的情況，在計(jì)算系統(tǒng)最大風(fēng)量時(shí)，應(yīng)關(guān)注通風(fēng)柜的同時(shí)使用系數(shù)，同時(shí)使用系數(shù)取0.6～0.7。不僅如此，還可以參考同時(shí)使用系數(shù)的方式，來減少通風(fēng)設(shè)備容量、風(fēng)管尺寸及建筑空間，以進(jìn)一步節(jié)省投資。經(jīng)檢測(cè)，該系統(tǒng)的風(fēng)量為：

1）最大風(fēng)量：Σ[通風(fēng)柜數(shù)量×2 000×（0.6～0.7）+ 定風(fēng)量排風(fēng)設(shè)備排風(fēng)量+ 輔助排風(fēng)量]=19 840 m3/h；

2）最小風(fēng)量：Σ[通風(fēng)柜數(shù)量×300+ 定風(fēng)量排風(fēng)設(shè)備排風(fēng)量+ 輔助排風(fēng)量]=9 030 m3/h；

同理，新風(fēng)可系統(tǒng)根據(jù)所服務(wù)房間，計(jì)算出新風(fēng)系統(tǒng)的最大風(fēng)量和最小風(fēng)量。

4.4 文丘里閥的選型

在文丘里閥的選型上，相關(guān)要點(diǎn)有：

1） 大氣分析室每個(gè)通風(fēng)柜設(shè)置1 個(gè)變風(fēng)量排風(fēng)文丘里閥，萬向罩、藥品柜、輔助排風(fēng)等定風(fēng)量排風(fēng)設(shè)備共設(shè)1 個(gè)定風(fēng)量排風(fēng)文丘里閥；房間設(shè)置1 個(gè)變風(fēng)量送風(fēng)文丘里閥。

2）文丘里閥可根據(jù)風(fēng)量進(jìn)行選型；閥門的壓降在150～750 Pa 時(shí)流量與壓力無關(guān)；風(fēng)量控制精度需達(dá)到控制風(fēng)量的±5%；閥門安裝前后無須直管段。

3）變風(fēng)量閥：48 個(gè)出廠標(biāo)定點(diǎn)；閥門調(diào)節(jié)開度信號(hào)與風(fēng)量值相對(duì)應(yīng)，提供實(shí)時(shí)風(fēng)量反饋信號(hào)；最大及最小精確風(fēng)量調(diào)節(jié)比＞16∶1；變風(fēng)量響應(yīng)速度＜1 s；平衡風(fēng)管內(nèi)壓力的波動(dòng)時(shí)間＜1 s。

4）定風(fēng)量閥：出廠需標(biāo)定固定風(fēng)量位置。

4.5 排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管、風(fēng)閥等需耐酸堿腐蝕防腐處理。其中，排風(fēng)系統(tǒng)采用樓頂排放方式，排風(fēng)機(jī)安裝在屋面；而風(fēng)機(jī)則選用優(yōu)質(zhì)耐酸堿腐蝕的離心風(fēng)機(jī)，且需保證“一用一備”。

對(duì)于從實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜及其他特殊排風(fēng)系統(tǒng)排出的氣體，應(yīng)保持其相對(duì)于屋頂有足夠的高度及射流速度，從而保證其有效排放，以防止回流而影響工作人員的安全。一般來說，排風(fēng)會(huì)通過圓錐形風(fēng)帽排放至高空，且通常高出屋面3 m 以上，排風(fēng)口射流速度≥15.3 m/s。

4.6 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)機(jī)組普遍選用組合式新風(fēng)機(jī)組，并安裝在各層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。機(jī)組由新風(fēng)段、初中效過濾器段、電加熱段、熱水加熱段、干蒸汽加濕段、送風(fēng)機(jī)段組成。在冬季，新風(fēng)處理到20 ℃、50%的狀態(tài)點(diǎn)后，即會(huì)送入化驗(yàn)室以維持實(shí)驗(yàn)室壓力平衡。由于本項(xiàng)目位于青海西寧，該地夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為26.5 ℃，與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度基本相同，所以夏季、過渡季節(jié)室外新風(fēng)過濾后可直接送入實(shí)驗(yàn)室，不需要冷卻。

新風(fēng)機(jī)組熱源為95 ℃/70 ℃熱水，加濕介質(zhì)采用0.2 MPa的蒸汽。若廠區(qū)無95 ℃/70 ℃熱水，則開啟機(jī)組就需要電加熱器來進(jìn)行加熱，從而提高送風(fēng)溫度來滿足室內(nèi)溫度要求。除此之外，電加熱器還有1 個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即：能夠同時(shí)解決熱水盤管冬季的防凍問題。

5 結(jié)語

本文介紹了化工實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)的組成和控制，并結(jié)合實(shí)際工程案例分析了實(shí)驗(yàn)室風(fēng)量、變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量的計(jì)算方法以及送、排風(fēng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可為相關(guān)人員提供參考。