小代君說
實驗室即進行試驗研究的特殊場所,可對生物學、化學、物理學或其他特殊科學做實驗。實驗室通風系統(tǒng)是整個實驗室設計和建設過程中,規(guī)模最大、影響最廣泛的系統(tǒng)之一。其通風系統(tǒng)的設計,對于實驗室環(huán)境的舒適度、實驗工作人員的身體健康、實驗設備的運行維護等方面產(chǎn)生重要影響,并關系到實驗室的投資成本、能源消耗及后期運行費用。
實驗室通風系統(tǒng)設計的目的,是為工作人員提供安全、舒適的工作環(huán)境,減少人員暴露在危險空氣下的可能。由于在實驗操作過程中可能產(chǎn)生有毒有害氣體,為確保實驗人員安全,此類可能產(chǎn)生有毒有害氣體的實驗,要求盡量在排風柜或生物安全柜內(nèi)進行,不能在排風柜內(nèi)進行的,要設局部排風設施,例如原子吸收罩、萬向排氣罩等,同時,實驗室要設全面通風(或稱輔助排風)系統(tǒng)滿足實驗室最小換氣量要求。通風系統(tǒng)的設計目標是使得實驗室通風效果好、噪音低、操作簡便、節(jié)約能源,室內(nèi)壓差和溫濕度都能保持人體的舒適。
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01
實驗室通風系統(tǒng)一般有定風量系統(tǒng)、雙風量系統(tǒng)、變風量系統(tǒng)的形式
1.1、定風量排風系統(tǒng):排風機采用單速定頻風機,排風量基本恒定不變,系統(tǒng)無法隨排風柜使用數(shù)量及排風柜門開啟高度而調(diào)節(jié)風量。該系統(tǒng)優(yōu)點是設計直接、投資小、控制簡單;缺點是靈活性差、噪音大、排風柜面風速難以保證,會有部分有毒有害氣體從排風柜中逸出(面風速過小或過大都能造成氣體從排風柜中逸出),且運行費用高(排風機的電力消耗最大化,被排風機排出的熱能消耗最大化)。
1.2、雙風量系統(tǒng):排風機采用雙速風機,在兩個預定的風流量值之間進行高-低(或者稱為最大-最?。┣袚Q,較定風量系統(tǒng)有所改進,但沒有從根本上改變定風量系統(tǒng)的缺點,目前應用不多。
1.3變風量系統(tǒng):排風機采用變頻風機,在排風或補風主風道上設壓力傳感器,利用靜壓控制器PID控制變頻器調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,達到恒定靜壓或動壓調(diào)節(jié)風量的目的。高性能的氣流控制器可以快速、穩(wěn)定的在大流量變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在變風量系統(tǒng)中排風柜一般采用面風速控制,通過在排風柜前采用人體感應器檢測人員是否存在,來控制柜門面風速,當操作人員在排風柜前作業(yè)時,將排風柜面風速設定為工作模式,此時排風柜面風速控制在0.5m/s, 當操作人員離開的時候,將排風柜面風速設定為待命模式,此時排風柜面風速控制在0.3m/s,遵循《實驗室變風量排風柜》JG/T222-2007規(guī)范之要求。另房間還要設輔助排風,當排風柜排風量不滿足實驗室最小排風量要求時,輔助排風自動打開,保證實驗室最小排風量符合標準要求。自動變風量控制系統(tǒng)的優(yōu)點包括:節(jié)能顯著、安全性高,易于適應風量變化需求。
02
實驗室全面排風,或稱輔助排風
當排風柜排風量不滿足實驗室最小排風量要求時,輔助排風自動打開,保證實驗室最小排風量,排風量換氣次數(shù)依照房間的功能與要求。
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補風系統(tǒng)
為了確保不出現(xiàn)氣流回溯,實驗室一般會設定較高的排風量,且連續(xù)排風時間較長(一般多為7*24小時全天候開啟排風系統(tǒng)),因此實驗室室內(nèi)負壓過大的情況非常常見。為平衡室內(nèi)外壓差,避免出現(xiàn)負壓過大的情況,實驗室在設計時就需要規(guī)劃實驗室補風系統(tǒng),以維持房間設定的壓力,負壓防止實驗過程中有毒氣體和顆粒以及化學品存放過程中揮發(fā)的有害氣體向其他空間外溢,正壓實驗室不受外部空氣污染影響檢驗結(jié)果,并使得實驗室內(nèi)換氣率能有效控制,室內(nèi)空氣應充分置換,保證其新鮮度。
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3.1 、補風方式
實驗室的補風方法一般有兩種,分別是自然補風和機械補風。
自然補風不安裝補風機,通過實驗室內(nèi)外的壓差(室內(nèi)為負壓)將室外新風經(jīng)過濾器、管道吸入室內(nèi)達到補風效果,由于新風是被室外的正壓壓入負壓的室內(nèi),所以自然補風可以使得氣流達到動態(tài)平衡,同時也保證實驗室氣流流向穩(wěn)定,且始終處于負壓狀態(tài)。自然補風的優(yōu)點主要是不需安裝補風機,節(jié)省了前期投資和補風機運行的電費;缺點是在設計裝修時需要提前擴大進風井或進風百頁面積,這需要占用建筑使用面積或影響建筑立面效果,其次是不通過補風機的自然風無法進行加熱或冷卻處理。
機械補風設置引風機形成理想的氣流組織,將室外新風經(jīng)集中處理后,由補風機經(jīng)管道送入房間內(nèi),機械補風可以對其加熱或冷卻處理及過濾等預處理,進行采用定風量補風還是變風量補風系統(tǒng),一般與排風系統(tǒng)對應,即排風為定風量系統(tǒng),補風也為定風量系統(tǒng),排風為變風量系統(tǒng),補風也為變風量系統(tǒng)。
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3.2、補風地點
室內(nèi)補風的補風地點一般沒有很大的限制,可以直接補在排風柜內(nèi)或柜門前,也可補在房間內(nèi),但是不同的補風地點有著不同的影響,在排風柜內(nèi)或柜門前補風的優(yōu)勢是不需要為新風做加熱或冷卻處理,可節(jié)省能源,節(jié)約成本;缺點則是新風會影響通風柜內(nèi)實驗時的實驗數(shù)據(jù),同時破壞操作人員工作環(huán)境舒適性,這種補風地點不適用有面風速要求的排風系統(tǒng)。與之對比,補風地點設置在房間內(nèi)時,其優(yōu)點是操作人員的工作環(huán)境基本不會受到影響,對排風柜面風速及柜內(nèi)氣流亦無影響;缺點則是新風一般需要經(jīng)過加熱或者冷卻處理,能量成本要比第一種補風地點高。
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排風柜變風量控制器
排風柜變風量控制器有一類是測量柜門面風速,通過與設定風速比較,調(diào)節(jié)風閥開度以達到設定值,風閥一般采用蝶閥,其缺點有:精度受測量點的位置和數(shù)量影響,比較容易受到安裝位置和內(nèi)外氣流(紊流)影響,測量到的風速需要通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號調(diào)節(jié)風閥,系統(tǒng)反映速度稍慢,控制信號響應時間:<3秒,面風速控制精度一般在±20%。
另一類排風柜變風量控制器,目前主流使用的是文丘里風量控制器,通過測量移門位置,借助位移傳感器測得移門開度并傳輸給控制器,控制器根據(jù)“流量=平均流速×面積”的公示計算出的風量來實時改變閥門的開度大小來調(diào)節(jié)排風量。該系統(tǒng)抗干擾性好,控制穩(wěn)定,從理論上屬開環(huán)控制,在試劑應用中需另設風速儀或其他反饋裝置,以保證控制的準確性和可靠性。調(diào)節(jié)風閥開度具有精度不受柜前有無人員遮擋影響,調(diào)整風量過程迅速精準,響應時間短,可實現(xiàn)傳統(tǒng)的變風量閥不可能實現(xiàn)的高調(diào)節(jié)比(1:17~20)、與管道靜壓無關(150~750PA)、響應時間快(小于1秒)、風量控制精確到氣流控制信號的±5%等特性。
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變風量通風系統(tǒng)控制
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5.1、常用的實驗室變風量通風系統(tǒng)控制原理
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5.2、風量的控制方法
目前對于風量的控制方法有面風速法和位移法。
面風速法,通常是利用安裝在排風柜入口邊緣處的風速傳感器測得風速并傳輸?shù)娇刂破?,通過比較和計算得到所需風量,然后改變風閥開度調(diào)整排風量,最終使其面風速保持在0.3m/s~0.6m/s(OSHA)的某個設定值或是某個較小的范圍。其特點是:結(jié)構(gòu)簡單易安裝,控制相對容易;閉環(huán)反饋控制保證了安全性和節(jié)能性的控制效果;以一個點的風速來代替面風速,與真正的控制對象其面風速還會有些偏差,比較容易受到安裝位置和內(nèi)外氣流(紊流)影響。
位移法,配合使用VAV變風量文丘里閥,借助位移傳感器測得柜門開度并傳輸給控制器,控制器根據(jù)“流量=平均流速×面積”的公示計算出的風量來實時改變閥門的開度大小來調(diào)節(jié)排風量。該系統(tǒng)抗干擾性好,控制穩(wěn)定,從理論上屬開環(huán)控制,在實際應用中需另設風速儀或其他反饋裝置,以保證控制的準確性和可靠性。調(diào)節(jié)風閥開度具有精度不受柜前有無人員遮擋影響,調(diào)整風量過程迅速精準,響應時間短,可實現(xiàn)傳統(tǒng)的變風量閥不可能實現(xiàn)的高調(diào)節(jié)比(1:17~20)、與管道靜壓無關(150~750PA)、響應時間快(小于1秒)、風量控制精確到氣流控制信號的±5%等特性。
設備還可安裝紅外線人體監(jiān)測器,自動控制系統(tǒng)可以通過不同的面風速設置值達到節(jié)約運行費用的目的,當操作臺前有操作人員工作時面風速控制在某一設定值(如0.5m/s),當通風柜前無人操作時,系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到另一設定值(如0.3m/s)。通風柜移門位置過高時有明顯警報。發(fā)生機械故障導致面風速過高或過低時有明顯警報。當出現(xiàn)異常情況時,面風速控制系統(tǒng)可開啟事故排風模式,將風閥開到最大開度,不受面風速設定值的控制。
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尾氣排放及排風處理
?有些實驗設備在工作過程中會產(chǎn)生尾氣,部分實驗室尾氣需經(jīng)過處理后,才能外排,在排風系統(tǒng)劃分時,需將這部分排風集中在一個系統(tǒng),以集中處理。采用何種處理方式,應根據(jù)排氣性質(zhì)決定。
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設計中要注意的問題
在設計實驗室通風系統(tǒng)時,要將實驗性質(zhì)相同或相近的排風設在一個系統(tǒng),如果有混合后可能引起燃燒、爆炸或形成毒性更強的有害物質(zhì)的可能,則需要另外分設排風系統(tǒng)。生物安全柜要單排風。
實驗室使用的通風系統(tǒng)設計首先要確保實驗室的安全性,就要確保有一定數(shù)量的換氣次數(shù);還有實驗室的通風系統(tǒng)負壓的設計和系統(tǒng)控制很重要,要解決好;系統(tǒng)要能穩(wěn)定可靠的運行;最后就是在確保了一定數(shù)量的換氣次數(shù)和全新風條件下,要將能耗降低到最低。要達到這些要求,通風設備尤其是通風柜就得有一定標準和要求。
當實驗室排風量較大時,要在實驗室通風系統(tǒng)設計時在走廊、大廳等公共區(qū)域增設補風系統(tǒng),以避免出現(xiàn)負壓過大造成的開門或關門困難。
通風系統(tǒng)不僅對實驗室通風柜有特殊要求外,還對控制系統(tǒng)和其他設備有一定的要求和標準。設備型號、通風系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)都會影響到實驗室的壓力控制和最小通風量的控制,通風系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)最主要。通風系統(tǒng)不平衡會導致通風柜排風和捕捉能力散失,氣流流出實驗室,建筑物內(nèi)壓力不穩(wěn)定。
通風系統(tǒng)的風量的變化不能因為風管內(nèi)靜壓的變化影響其反應時間,從而影響通風量的準確性。壓力相關型的系統(tǒng)也會影響系統(tǒng)流量的精準控制,使得其反應時間變慢,從而導致送排風設備產(chǎn)生震蕩,速度不穩(wěn)定,風量不平衡,最終導致控制系統(tǒng)沒法能調(diào)節(jié)。所有系統(tǒng)應選擇壓力變化無關型的。
08
結(jié)語
實驗室種類繁多,其通風系統(tǒng)的設計也應該因地制宜、與時俱進,在一個實驗樓內(nèi)可能同時存在多種通風方式,而通風系統(tǒng)設計的首要原則是保證實驗室工作環(huán)境不損害工作人員的健康安全,在這個基礎上,則應盡量控制裝修和運行成本,為實驗室減輕經(jīng)濟壓力。隨著實驗室建設標準的不斷提高,變風量通風系統(tǒng)應用越來越廣,實驗室通風系統(tǒng)設計也需要多傾聽使用人員及其他相關方面人士的意見,設計要有針對性,做到有的放矢。