實驗室設(shè)計是行業(yè)中常用的專項設(shè)計，包括了化學(xué)、生物、動物、物理實驗室等各個類別。空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計包含了空氣處理、制冷加熱和除濕、氣流組織、控制、安全等部分，它們是一個整體而不是獨立系統(tǒng)。建工行業(yè)曾經(jīng)出版過JGJ91-93 《科學(xué)實驗室設(shè)計規(guī)范》，但如今過去了17年，期間出現(xiàn)了很多新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，在國外則有SEFA、ASHRAE等組織有過專項研究。 

對實驗室的功能了解是通風(fēng)系統(tǒng)選擇和設(shè)計的決定因數(shù)。提供一個安全的環(huán)境給工作人員是首要目標(biāo)在實驗室的系統(tǒng)設(shè)計中。設(shè)計者要徹底研究所有的因數(shù)，找到最合適的設(shè)計。本文研究背景是某歐洲化工公司為復(fù)合生產(chǎn)線項目配套的化學(xué)實驗室。這個項目的化學(xué)實驗室由濕法化學(xué)間，加熱間，恒溫恒濕間，通用試驗間、注塑間和辦公間組成。除恒溫恒濕間的環(huán)境，其他房間只需要溫度控制，并且都沒有潔凈要求。ASHRAE規(guī)定實驗室空調(diào)和通風(fēng)設(shè)計參數(shù)包括以下： 

　　1）室內(nèi)外溫度濕度要求； 

　　2）空氣質(zhì)量； 

　　3）設(shè)備和工藝熱負(fù)荷，包括顯熱和潛熱； 

　　4）內(nèi)部負(fù)荷的預(yù)期增加； 

　　5）最小換氣次數(shù)； 

　　6）進(jìn)風(fēng)和補風(fēng)； 

　　7）排風(fēng)設(shè)備類型； 

　　8）控制和報警； 

　　9）通風(fēng)柜的尺寸和數(shù)量的調(diào)整可能； 

　　10）房間壓差； 

　　11）設(shè)備和電源的備用。 

本文針對其中實驗室常用的4個通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)包括換氣次數(shù)，送排風(fēng)形式，房間壓差和控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。 

01

換氣次數(shù)的選擇

　　《化工采暖通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定化驗室房間的最小換氣量一般在6次/h~8次/h。 

　　ASHRAE規(guī)定驗室內(nèi)的整體換氣次數(shù)應(yīng)由下列風(fēng)量之決定：從局部排風(fēng)設(shè)備或其他房間排風(fēng)所排出的總風(fēng)量；帶走房間熱負(fù)荷所需的制冷風(fēng)量；最小換氣次數(shù)需求。在使用情況下．實驗室的最小換氣次數(shù)應(yīng)維持6次/h~10次/h。 

　　在通常情況下>10次/時房間換氣次數(shù)被認(rèn)為是合適的。但是當(dāng)實驗室內(nèi)有可能產(chǎn)生高熱負(fù)荷的分析設(shè)備,或房間內(nèi)有較大量的局部排風(fēng)時，則可能需要相應(yīng)增大換氣量。濕法化學(xué)室有通風(fēng)柜，加熱間有大量的加熱爐。通風(fēng)柜的計算方法則參照《化工采暖通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中對輕、中度危害或有危險的有害物質(zhì)，在室內(nèi)頂棚有補風(fēng)的情況下，通風(fēng)柜的操作口最小吸風(fēng)面速度0.5m/s。對于通風(fēng)柜的使用率，當(dāng)通風(fēng)柜的數(shù)量大于2個時，則應(yīng)該取60%~70%同時使用率。加熱爐則是以維持爐內(nèi)加熱溫度的熱平衡法則計算所需的排風(fēng)量。通過以上可以計算出總的安全通風(fēng)量，此外負(fù)荷計算的空調(diào)風(fēng)量，還有最小換氣次數(shù)10次進(jìn)行比較，三者取最大值。 

02

送風(fēng)和排風(fēng)形式

     《化工采暖通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定化驗室的排風(fēng)量較大時，應(yīng)設(shè)置室外新風(fēng)補風(fēng)系統(tǒng)，并計入新風(fēng)負(fù)荷。 

　　《科學(xué)實驗室建筑設(shè)計規(guī)范》規(guī)定每個排風(fēng)裝置宜設(shè)獨立的排風(fēng)系統(tǒng)。同一個實驗室內(nèi)的所有排風(fēng)裝置宜合用一個排風(fēng)系統(tǒng)。工作時間連續(xù)使用排風(fēng)系統(tǒng)的實驗室應(yīng)設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)量宜為排風(fēng)量的70%，并應(yīng)根據(jù)工藝要求對送風(fēng)進(jìn)行空氣凈化處理。對于采暖地區(qū)，冬季應(yīng)對送風(fēng)進(jìn)行加熱。送風(fēng)氣流不應(yīng)破壞實驗室排風(fēng)裝置的正常工作。 

　　ASHRAE 規(guī)定所有從化學(xué)實驗室內(nèi)排出的氣體均需直接排出室外，而不能循環(huán)利用。因此，除非化學(xué)實驗室也有潔凈要求否則均需保持其相對于相鄰區(qū)域為負(fù)壓。而是否選擇100％全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)做為實驗室危險評估的一個重要部分。 

　　實驗室各個單元間設(shè)置了獨立的排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)都安裝在屋頂上。濕法化學(xué)間和加熱間由于產(chǎn)生有毒、腐蝕、高溫的氣體，必須采用全新風(fēng)處理。其他如工作人員進(jìn)行計算機(jī)分析的通用實驗間和進(jìn)行材料測試的恒溫恒濕間，100％全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)并不是唯一的選擇。因為實驗室不同的工藝職能，不一定要全新風(fēng)通風(fēng)或全新風(fēng)空氣處理。能滿足工藝只能是首要的，100%的新風(fēng)是針對通風(fēng)柜的環(huán)境，而對于一般實驗室循環(huán)空氣處理能達(dá)到要求的，就不必要100%全新風(fēng)。何況在全新風(fēng)的空調(diào)環(huán)境下，能耗非常高。 

03

房間壓差

　　《化工采暖通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定化驗室應(yīng)保持相對負(fù)壓。 

　　ASHRAE 規(guī)定所有從化學(xué)實驗室內(nèi)排出的氣體均需直接排出室外，而不能循環(huán)利用。因此，除非化學(xué)實驗室也有潔凈要求否則均需保持其相對于相鄰區(qū)域為負(fù)壓。 

　　這個規(guī)定其實要根據(jù)具體的實施對象。本項目中恒溫恒濕間需要嚴(yán)格的溫度、濕度控制范圍，應(yīng)該設(shè)計成正壓。因為如果設(shè)計成負(fù)壓，則相鄰區(qū)域的空氣去進(jìn)入，一方面可能破壞溫、濕度的控制精；另一方面如果污染的空氣進(jìn)入，也可能造成安全問題。而對于濕法化學(xué)間和加熱間，為防止有毒、腐蝕、高溫的氣體或揮發(fā)物散發(fā)到房間，甚至散發(fā)到其他的區(qū)域，設(shè)計成負(fù)壓是必須的。實驗室建筑的辦公區(qū)域，應(yīng)相對于走廊和實驗室始終維持正壓。實驗室內(nèi)氣流應(yīng)從低危險區(qū)域流向高危險區(qū)域，最終通過各類通風(fēng)柜或加熱設(shè)備排到室外。 

04

控制系統(tǒng)

　　控制應(yīng)該把以上幾項綜合起來，可以滿足整個實驗室的房間壓力、各房間壓差、通風(fēng)量、溫濕度和各方面的安全控制要求，同時降低能耗。實驗室內(nèi)往往存在許多不利于人體健康的化學(xué)物質(zhì)污染源，特別是有害氣體，將其排除非常重要。但與此同時，能源往往會被大量的消耗，因而實驗室的通風(fēng)控制系統(tǒng)的要求從早期定風(fēng)量，雙穩(wěn)態(tài)，變風(fēng)量系統(tǒng)，到最新的適應(yīng)性控制系統(tǒng)。所謂最為安全、舒適的環(huán)境，并要求最節(jié)能的方式是不能太過于奢望。系統(tǒng)響應(yīng)迅速確保人身安全，以最高的精確性正確控制送排風(fēng)的平衡和室內(nèi)壓力，提供最大的穩(wěn)定性。盡量降低用戶前期投入，同時減少用戶在運行、能源消耗及維護(hù)等方面的費用。 

　　ASHRAE 規(guī)定實驗室控制一方面調(diào)整設(shè)備的溫度和濕度控制；另一方面監(jiān)控安全設(shè)施保護(hù)工作人員，用哪個系統(tǒng)，只要對當(dāng)前實驗室是合適的。 

　　化學(xué)實驗室的通風(fēng)采用定風(fēng)量還是變風(fēng)量控制系統(tǒng)，這取決于設(shè)計者、使用者和設(shè)施管理者對其所要求的功能初次投資和運行費用等問題的綜合考慮。定風(fēng)量（CAV）系統(tǒng)被設(shè)計用來為所有的通風(fēng)柜和加熱爐提供總的排風(fēng)流量，不管這些通風(fēng)柜和加熱爐是否被占用，總的流量都保持一定。這一方法采用機(jī)械限位擋塊限制調(diào)節(jié)閥門開度，可能最大減小40％流量。變風(fēng)量系統(tǒng)（VAV），則是系統(tǒng)容量的減小超過10％或20％的參差性設(shè)計。 

　　本項目采用了定風(fēng)量系統(tǒng)。因為系統(tǒng)從總體看不是大型系統(tǒng)，單獨房間中需要排風(fēng)的設(shè)備數(shù)量沒有超過6個，最大、最小換氣次數(shù)接近。在這種情況下則考慮采用定風(fēng)量系統(tǒng)。它的優(yōu)勢是設(shè)計直接、系統(tǒng)簡單，并且控制系統(tǒng)初投資成本低。通過人工調(diào)整壓力相關(guān)型的風(fēng)閥的葉片來設(shè)置通風(fēng)柜、加熱爐等的排風(fēng)風(fēng)量。當(dāng)調(diào)節(jié)門處于某一特定開度時達(dá)到希望的通風(fēng)柜面風(fēng)速。房問補風(fēng)風(fēng)量要略低于設(shè)定的通風(fēng)柜排風(fēng)量,使?jié)穹ɑ瘜W(xué)間和加熱間為負(fù)壓并保證足夠的通風(fēng)換氣量。溫度控制一般可通過將集中空調(diào)處理過的空氣再加熱或風(fēng)機(jī)盤管實現(xiàn)。雖然它的劣勢是靈活性差，將來的擴(kuò)展會由于設(shè)備容量限制而受限。但是采取一些補助措施，定風(fēng)量依然是現(xiàn)階段對此類化學(xué)實驗室的較好系統(tǒng)。這些措施是：預(yù)留一定的設(shè)備安裝空間，為將來的實驗室擴(kuò)容保留了一定余地;通風(fēng)柜盡量采用旁通型，使吸風(fēng)面風(fēng)速和排風(fēng)量恒定;在可能增加風(fēng)量變化的風(fēng)管上增加壓力無關(guān)型的定風(fēng)量閥，現(xiàn)階段的風(fēng)量和將來變化的風(fēng)量時，都不會影響風(fēng)管壓力，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 

05

結(jié)論

　　實驗室的通風(fēng)設(shè)計首要解決的問題是安全性問題，還要考慮到為實驗人員創(chuàng)造一個舒適的工作環(huán)境，解決溫度、氣流、噪音的問題，同時要保證最低的能源消耗，系統(tǒng)穩(wěn)定，容易控制，易于操作管理。簡而言之就是要從安全、舒適、節(jié)能、可靠運行方面進(jìn)行設(shè)計。通過對此類型化學(xué)實驗室涉及的換氣次數(shù)、送排風(fēng)形式、房間壓差、控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，筆者建議： 

　　1）換氣次數(shù)至少應(yīng)該以下三項指標(biāo)值中取最大值：實驗室工作區(qū)的設(shè)備的排風(fēng)量，制通常情況下，走廊、辦公區(qū)、實驗區(qū)為氣流的流動方向，上游相鄰區(qū)為正壓； 

　　4）冷負(fù)荷量對應(yīng)的風(fēng)量，最小換氣次數(shù)為10次/h風(fēng)量； 

　　2）根據(jù)實際工作環(huán)境確定是否100%新風(fēng)量； 

　　3）定風(fēng)量仍然是經(jīng)濟(jì)實用的控制系統(tǒng)，能夠滿足部分實驗室要求，做好將來擴(kuò)容的措施。