實驗室設計背景
由于本項目排風柜數(shù)量非常多，因此選擇合適的實驗室設計方案尤為重要。作為進行化學測試和實驗的場所，實驗室因其在保護實驗人員健康安全以及保證實驗順利進行方面所起的重要作用而廣受關注，其中排風柜又是實現(xiàn)這些功能的關鍵設備。設計實驗室通風空調系統(tǒng)的首要原則是建筑內人員的安全，而在維持一個安全舒適的室內環(huán)境的同時，如何減少能耗對于排風柜密集程度較大的實驗是一個很大的課題。
過去三十年內，在排風柜設備選型、系統(tǒng)設計及控制方面有過廣泛的討論，技術也日趨成熟，主要體現(xiàn)在變風量通風空調系統(tǒng)(VAV)與排風柜的有效結合以及相應控制技術的提高。
相對于其它領域，實驗室運用VAV技術起步相對較晚，究其原因主要是因為在對排風柜采用變風量系統(tǒng)的同時，對房間壓力和溫度進行有效控制顯得相當困難。下面就排風柜及VAV系統(tǒng)的應用與控制分別論述。
實驗室通風設計的幾種常見理念比較分析
在本項目選定通風設計方案之前，做了一些常見理念的比較和研究。排風柜的選擇、設計及氣流控制是實驗室通風空調系統(tǒng)設計的關鍵。在設計理念方面，由于對安全和節(jié)能等原因的要求越來越高。理念也逐漸發(fā)生變化
單獨式排風轉向集中式排風
所謂單獨式排風就是每一個排風柜都帶有一個風機，風機可以采用變速的，安裝于屋頂或者遠離實驗區(qū)域的風機房內。因為在這種排風系統(tǒng)中，單股氣流不會和其他氣流相互影響，排風機關閉也只影響到一個排風柜，所以非常適用于那種排風柜不多的小型實驗機構。由于本項目有170臺通風柜，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)以增加費用以及占據(jù)地面空間為代價，垂直管道過多影響建筑功能與外觀，而且風機總體效率低，數(shù)量眾多也使得日常維護成為一個不容忽視的問題。同時，排風中能量回收較為困難。集中式排風的優(yōu)點漸漸顯露。它采用多個排風柜共用一個風機及排風管的方法，盡管由于化學品的混合可能會有潛在的危險，一個風機發(fā)生故障也可能會影響到好幾個排風柜，但這些問題已經(jīng)可以有效得以避免。同時，這種系統(tǒng)可以較好地對污染物進行稀釋，能耗低，熱回收方便，更為重要的一點是，它相對于獨立式排風系統(tǒng)，具有的靈活性，有利于將來實驗設備的移動或者添加，在本項目中得到應用。
補風型排風柜
補風型排風柜在過去一度受到青睞，主要基于兩方面的考慮：首先是安全性，因為它用送風沖刷呼吸區(qū)并帶走污染物；其次是節(jié)能性，因為補風(可達70％)不必處理即可送至柜前，從而省去了大量空調能耗。但實驗及研究表明，補風型排風柜在這兩個方面都無法達到人們預期效果。首先，補風型排風柜引入了大量補風基本上很少和室內空氣混合而直接被吸走，這就使得房間內其它空間區(qū)域可能存在的污染物只能通過少量的送風進行稀釋，這本身減少了安全性，而且柜前補風會嚴重影響柜面處的氣流，擾動加劇，很可能導致有害物溢出。而由于采用柜內排風，通過柜面的風量減少導致風速下降，后果更為嚴重，一般不建議采用。其次，最初的節(jié)能是考慮不對新風處理這一前提而提出的。但文獻【1】指出為了確保溫度的一致性和操作者的舒適性，補風溫度和房間溫度差值應小于3℃，這一要求使其節(jié)能性不復存在。另外，一般的補風型排風柜都會在操作者頭部、肩部引起吹風感，使人感到不適，而且補風在冷表面上還會出現(xiàn)結冷凝水的情況。
定風量排風柜
對于定風量(CAV)型的排風柜，其排風量近似恒定，即排風量不隨排風柜拉門位置，柜前有、無人員操作改變。其缺點在于操作門拉下以后，速度在面積較小的情形下會達到很大，這種難以控制的高速氣流會造成氣流短路，貼附底面直接抽走，污染物在某個角落發(fā)生積聚，一方面沒有有效地對柜內污染物稀釋，另一方面，直接造成能量浪費。改進后的旁通型排風柜通過設置旁通百葉，盡管理論上可以保持一定的風量和風速，但是實際上這種只是相對意義上的恒定。由于實驗室采用的全新風，所以新風處理能耗相當大，而在確保安全、舒適的工作環(huán)境的前提下，盡可能減少排風量毫無疑問是節(jié)能的途徑。因此變風量排風柜應運而生。
變風量系統(tǒng)
變風量(VAV)系統(tǒng)控制作為本項目的最終選擇，有著明顯的優(yōu)勢和*性。下面就VAV系統(tǒng)的一些顯著的特點和優(yōu)勢進行分析。
一個理想的實驗室氣流流向應該是從送風口送出的氣流通過與室內空氣的混合帶走室內熱濕負荷，最后通過排風柜抽走，但是事實上在各種因素的作用下這很難實現(xiàn)。通常認為，排風柜性能是和柜面氣流的平均風速(簡稱面風速)有直接關系。VAV系統(tǒng)設計的出發(fā)點就是為了確保穩(wěn)定的面風速。JG/T222-2007標準中規(guī)定0.5m／s為安全操作的理想面風速。
變風量排風柜性能參數(shù)詳見下表
排風
實驗室排風主要來源于排風柜的排風。在VAV中，排風柜排風量通?？梢酝ㄟ^兩種方式確定，即監(jiān)測排風柜門位置或者監(jiān)測面風速的大小。因為監(jiān)測柜門位置可以達到較為精確的水平，因此前者原則上可以通過調整排風量確保恒定面風速，但是它沒有考慮到其它類似于人員站在柜前等同樣會影響面風速的因素。
面風速控制環(huán)路示意圖詳見下圖
在排風柜排風中還要注意以下幾個問題：
(1) 每個排風柜必須有最小排風量， 以確保在柜門拉至最小時，對柜內氣體可以進行足夠的稀釋，防止柜內有害氣體濃度過高，以致再次開啟柜門時發(fā)生危險。國內一般標準為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入。如果速度過小，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。一般認為，15m／s的排放速度可以滿足要求。除了排風柜排風外，實驗室排風還包括工藝排風和室內輔助排風，三者之和即是實驗室總排風量。
(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)過中效及活性炭過濾后進行排放。滿足大氣排放標準。如遇酸性氣體，則需要考慮化學過濾器裝置在排風箱中。如氣體有爆炸危險性，則排風機要考慮對應的防爆等級進行選型。
送風
在實驗室通風空調系統(tǒng)中，送風量的確定很大程度上不是由室內負荷決定的，而是由排風量決定。如前所述，通過負壓控制確保安全是實驗室通風空調的首要任務。目前廣泛采用的就是設置壓差傳感器，保持設定壓差，這種控制方式對傳感器的精度要求相當高，在實際運行中很難保證任何時刻的壓差恒定。必須指出，并非傳感器精度和靈敏性越高，控制效果就越好。因為實際過程中往往會有各種瞬時外界因素干擾氣流，影響室內靜壓，如果過于靈敏，反而會出現(xiàn)與期望值相反的結果。另外，新風吸入口的選擇也須十分謹慎，首要原則就是盡可能遠離排風口，其次新風口位置也不能太低，由于地面活動如一定范圍內的汽車尾氣濃度和灰塵顆粒濃度較高，不僅影響實驗室內的空氣品質和實驗室安全，也縮短了過濾器的使用壽命。
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量控制法。直接壓差控制法即通過壓差傳感器測量室內與參照區(qū)域的壓差，與設定的壓差進行比較后，控制器根據(jù)偏差調節(jié)送風量（或排風量）進行控制，從而達到要求的壓差。此種壓力控制法為反饋控制。系統(tǒng)響應時間長，控制精度低。另外一種為余風量控制法。實驗室的送風量與排風量之間保持一定的風量差（稱為余風量），必然會導致實驗室內外產生一定的壓差。當室內總送風量大于室內排風總量時，空氣通過房間的圍護結構縫隙排出，與相鄰房間建立起正壓，避免環(huán)境中的污染進入室內。反之，當房間送風總量小于排風總量時，空氣通過相鄰房間或者室外進入室內，室內形成負壓，此類負壓系統(tǒng)是為了保證環(huán)境的安全，保證未經(jīng)過處理的污染物不會流向室外，余風量控制法的有點事壓差控制準確，系統(tǒng)波動小，平衡相對迅速。下圖所示為直接壓差控制閥的示意圖
影響因素
參差性
有人認為VAV系統(tǒng)復雜，控制維護費用昂貴，在實驗室未必值得推廣。但是實際上VAV除了可以通過控制面風速提供CAV無法確保的安全性外，還可以在考慮參差性的基礎上大大縮減系統(tǒng)規(guī)模，減少設備容量，提高運行效率。參差性是由各時刻每個柜門的位置決定的，它與操作者工作量、研究目的以及操作習慣有關。隨著實驗室規(guī)模的不斷擴大，精確預計參差性不僅對初投資十分重要，同時也直接影響了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。美國學者John．0．Vadey在對美國西部某實驗室中56個排風柜的使用情況進行了一個月的觀察和記錄，結果表明一個月中每一天的使用時間并沒有太多規(guī)律，但是從每天各時段的使用情況卻可以找出一定的規(guī)律， 比如John．0．Vadey得出的結論是早上九點和下午一點左右是兩個使用高峰期。
送風氣流
在所有影響排風柜的外部因素中，送風氣流是重要的一個方面。它主要體現(xiàn)在送風氣流到達排風柜柜面處的速度大小，而影響這一數(shù)值的包括送風速度、送風口布置和形式。一般認為，這一數(shù)值以不大于設定面風速的20％為宜。而送風口一般布置于離排風柜較遠的另一側，其形式多采用孔板式。
圍護結構
實驗室的特殊功能以及相應的極為嚴格的壓力控制使圍護結構的密封性能比傳熱性能更為重要。實驗室的門窗數(shù)量必須加以限制以提供一個相對不易滲漏的結構。無窗、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污染物控制更加容易實現(xiàn)。
柜門移動
柜門的移動速度確實會對柜的性能產生影響，即對柜門處氣流產生擾動，移動越快，擾動越大；設定面風速越高，擾動影響就越小。柜門移動速度還和控制器反應時間有關。VAV控制器所需的反應時間根據(jù)柜門移動的速度而定，反應時間較短的VAV控制器因為在柜門開啟時可以迅速做出風量調整，從而使風速下降不至于過大，柜門移動的影響也可減小。在不進行操作的時候，實驗人員應該將柜門拉至最下方，一方面增加安全性，同時也可以節(jié)省能耗。 詳見下圖：
房間門的開啟以及人員走動
在門打開時進人房間的氣流會和送風氣流一樣影響排風柜的性能，特別是在實驗室送風量很小的場合，人員在柜前的走動所誘導的氣流同樣如此。如果柜內或者強刺激性氣體，那么即使作用時間很短，危害也是相當?shù)拇蟆?nbsp;
幾種典型模式下的控制
有人時控制模式和無人時控制模式
通常為節(jié)省大量能量，就要采取有人／無人兩種模式運行。當柜前沒有操作人員時，面風速可以下降(如由0．5m／s降至0．3m／s)，但是風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的排風量。有人或者無人模式的確定有很多方式，以前較多采用的是手動控制和利用實驗室內照明的自動控制，但是后者對于某些光感實驗就不太適用， 目前本項目用得的是利用紅外遙感監(jiān)測技術。
緊急情況控制模式
排風柜排風管道不允許安裝防火閥，一旦發(fā)生火災，控制模式應該讓排風柜的排風系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)， 以排出有害氣體，而且風速可以超過有關標準。
夜間通風控制模式
化學實驗室一般來講晚間是不進行實驗的，因此控制模式只要保持最小排風量，確保對排風柜內物品可能排放的有害氣體稀釋就可以了，當然走廊、實驗室、排風柜之間的壓差還是需要保持的。因此我們在設計方案中考慮夜間模式換氣量減半。
結論
隨著我國實驗室的現(xiàn)代化、大型化的發(fā)展趨勢，實驗室的設計思路與排風柜的型式發(fā)生了很大變化。由于實驗室可能含有有毒物、有害微生物、輻射物以及其它危險，應當特別強調整個空調系統(tǒng)設計應該為實驗者提供一個安全、舒適的工作環(huán)境，而且應該與所有建筑設計系統(tǒng)的功能一致協(xié)調，必須能有效的進行控制維護和監(jiān)測。綜上所述，VAV系統(tǒng)能在保證人員安全的前提下，其初投資、維護運行等方面都比傳統(tǒng)CAV更有優(yōu)勢，在節(jié)能方面更是CAV的。因此在類似的項目案例中應該推廣VAV系統(tǒng)。
