對化學實驗室暖通控制的探討

劉海華

（江蘇正大豐海制藥有限公司，江蘇鹽城224100）

0 引言

化學實驗室與其他類型建筑的區別在于，其化學品和其他潛在危險化學物質的使用會嚴重影響實驗室操作人員的身體健康和生命安全。但是，所有的實驗室又都不盡相同，不同的實驗室有著不同的危害等級和使用要求。在實驗室規劃或改造過程中，一系列有關安全、節能減排、舒適度的規范標準必須被采納和參考，以確保設計解決方案最佳。

為達到上述目的，化學實驗室優良的暖通設計起到關鍵性作用，而暖通控制方式的選擇是實現上述目的的具體手段。

1 概念的介紹

1.1 實驗室通風

實驗室通風的核心理念在于進入實驗室的空氣必須排出實驗室。實驗室的進風量通常由送風量和滲透風量組成，其等于實驗室排風量，或等于通過房間綜合排風、通風柜、排氣罩、生物安全柜等設備排風量和滲出風量的總和。當設計一棟帶有實驗室的建筑時，所有的風量必須經過詳盡的計算。

在實踐中，通過實驗室的送風量小于排風量來實現實驗室的負壓。額外的排風量形成的負壓環境使得新風由相鄰的區域通過門縫、窗縫以及其他縫隙擴散滲透進入實驗室。

1.2 確定所需送風量

確定實驗室所需的送風量的3個關鍵參數：溫度、排風和通風換氣。

1.3 不同實驗室所需考慮的因素

以溫度因素為主導的實驗室設置有大量的化學分析儀器、烘箱或加速化學反應過程的加熱元器件。如果沒有足夠的送風量的話，這些布置儀器設備的實驗室將會變得炎熱，從而導致舒適度下降。燈、實驗室人員甚至通過建筑圍護結構的熱傳導均是實驗室冷負荷的組成部分，確定消除房間負荷所需的新風量時必須包含上述所有負荷。然而，除了建筑圍護結構的負荷以外，其他負荷需根據預期使用情況來確定。例如，考慮到實驗室儀器設備的同時使用概率，可以適當地減少送風量。

排風主導的實驗室，諸如教學實驗室，實際上實驗室布滿了通風柜和排氣罩。通過通風柜排出大量的空氣來實現對氣體、蒸汽、粒子和其他污染物的有效控制。所有實驗室排出的氣體，包括通過通風柜排風的氣體，必須進行新風補償以免造成實驗室的負壓過大。

最后，還有一些冷負荷和通風柜及其他排風設備（即便有也很少）的實驗室。這些以通風換氣主導的實驗室仍然需要較大的送風量來稀釋房間的污染物。通風率通常以每小時的換氣次數（ACH）為單位，通過每小時送入實驗室總送風量除以房間的體積來計算。有人占用的實驗室換氣次數通常按照8～10次/h考慮，無人占用時換氣次數可以減少至4次/h。

2 化學實驗室暖通控制方式

2.1 定風量

具有機械通風的實驗室以及現在許多實驗室均采用CAV定風量系統設計。顧名思義，定風量系統就是實驗室的送風量和排風量都是固定不變的。

定風量系統是以通風換氣主導的實驗室的最好選擇，這種類型的實驗室的送風量由實驗室的換氣次數來決定。以通風換氣主導的實驗室，其滿足換氣次數、換氣率要求的送風量足以消除房間的冷熱負荷，滿足排風設備對于補風量的需求。因此，不再需要送入額外的送風量。

定風量系統具有以下一些優點：（1）設計簡單；（2）節約控制系統成本；（3）易于控制。

定風量系統具有以下幾種潛在的缺點：（1）機電設備必須按照最大量來設計和選型，增加了排風機、冷水機組和其他固定設備的初投資和運行維護成本。（2）增加了設備搬遷再就位的難度。由于系統缺少壓力無關性控制，設備位置的改變可能會改變暖通空調系統壓力分布，從而直接導致系統需要重新再平衡。（3）制約未來的發展，有限的系統容量無法再增加額外設備。（4）系統運行不安全狀態的用戶提醒功能受限。定風量系統沒有固有的監視器和控制器。若需符合最新規范標準，系統額外增加監視器需要額外增加費用。沒有安裝監視器的老舊系統無法提供不安全狀態用戶提醒，存在潛在的風險。

2.2 雙態

最初的有關降低高持續性運行定風量控制系統的運行費用集中在無人占用的實驗室降低風量上。在此情況下，當實驗室在使用狀態時，實驗室通風系統滿載運行。當實驗室無人占用時，此時通風柜不會由于人為因素而產生紊流，在此情況下降低系統風量成為一種可能。

與定風量實驗室相比，對于以通風換氣為主導的實驗室，當排風或消除負荷所需更多送風量時，此時不能使用雙態控制。

雙態系統與定風量系統有著相似的優缺點。其優點：（1）設計簡單；（2）與變風量系統相比，控制系統成本相對較低；（3）與定風量系統相比，當無人占用時降低風量有助于降低運行成本。

雙態控制系統的缺點：（1）與定風量系統一樣，雙態控制系統的機電設備也必須按照最大量來設計和選型，增加了排風機、冷水機組和其他固定設備的初投資和運行維護成本。（2）當通風柜等裝有壓力無關性的定風量閥時，此時的雙態定風量控制系統，一定程度上緩解了設備搬遷再就位的難度，相對減輕了系統再平衡的工作量和難度。（3）與定風量系統一樣，其制約未來的發展，有限的系統容量無法再增加額外設備。（4）缺乏系統不安全運行狀態的用戶提醒功能，當采用雙態控制系統時，通常也沒有安裝通風柜面風速監視器和控制器，若需符合最新規范標準，系統則需額外增加面風速監視器和控制器。”

2.3 變風量

變風量實驗室通過減少送風量和排風量滿足實驗室溫度、通風換氣和通風柜安全面風速的最小風量來實現節能減排的目的。當通風柜移門開度降低時，通風柜變風量控制器通過減少通風柜柜門開口的排風量來保持面風速的恒定，同時房間變風量控制器相應的減少送風量以實現房間的風量平衡。同樣，當實驗室需要增加送風量來消除實驗室的冷、熱負荷時，此時房間變風量控制器通過增加房間的綜合排風量來實現房間的風量平衡。

與定風量和雙態實驗室相比，變風量實驗室具有眾多優點：（1）當實驗室負荷減小時，送風量和排風量均會減少，需要經過空調冷熱處理的新風量也會減少，節約能源消耗成本；（2）通過使用無人占用模式來實現送、排風量的減小，進一步節省能源消耗成本；（3）應用同時使用概率來減少最大設計風量，從而實現諸如排風機、管道系統和空氣處理設備等固定設備較小的選型；（4）當設備位置移動或再增加設備時，壓力無關性的變風量控制器調整適應系統的變化，只需在受變化直接影響的區域進行再平衡，而不需要對整個系統進行再平衡；（5）當通風柜面風速、房間壓差或風量平衡達到潛在的不安全級別時，變風量控制器會通過報警來提醒用戶。

2.4 同時使用概率的概念

對于實驗室的暖通空調系統來說，想要系統充分發揮其潛力的話，設備必須按照預期負荷和預期風量來進行合適的選型。與其他類型實驗室相比，變風量實驗室可以實現相對較少風量的預期。在進行設備選型時，應考慮到同時使用概率，即不需要按照最大可能風量進行，而是應該按照預期風量來選擇。

這樣的確存在一定的風險，當所有設備都運行時所需風量無法得到滿足。由于沒有2個實驗室的使用方式是完全相同的，所以，當預測變風量系統的系統風量時，同時使用概率水平必須基于每個案例逐個決定，必須咨詢相關專業人員來確定實驗室存在的風險級別。只有經過上述步驟，才能確定符合實際需求的預期風量。

基于考慮同時使用概率，由此產生的成本節約源于所有實驗室并不會同時全流量運行的假設，這些成本節約以減少固定設備選型和投資的方式體現。一棟大樓的暖通空調系統大部分成本在于冷凍機組、風機、空氣處理設備以及其他大型設備。在設備選型時，按照預期負荷而不是最大可能負荷進行，由此節約的成本可以承擔額外增加變風量控制系統絕大部分的成本。同時，暖通空調設備在全流量最高效率點運行，也可以節約運行成本，此時，按照預期風量選型的設備將接近峰值容量運行而不是部分負荷運行。

3 實驗室房間的壓力控制

實驗室相對于周圍的區域保持相對較低的壓力值，稱之為負壓，以防止污染物擴散至樓宇其他區域。

在定風量實驗室中，送、排風量間的平衡總是保持一個固定的風量差值。在雙態定風量實驗室中，送、排風量控制在保持全流量或低風量2個狀態運行。這2種類型的實驗室，通常會采用文丘里閥或其他類型暖通空調控制方式。當實驗室氣流或壓差波動時，房間監視器也可用來提醒設備維護人員和實驗室操作人員。

在變風量實驗室中，由于通風柜移門開度和房間冷熱負荷的不斷變化造成實驗室的氣流幾乎每時每刻都在變化。某些控制系統需要調節送風量和房間排風量來保持房間壓力。工程師可以根據需要來選擇直接壓力控制、流量跟蹤控制或帶壓力反饋的流量跟蹤控制。為了更好地為每種情況匹配最合適的解決方案，首先需要了解每個系統的局限性。

3.1 直接壓力控制

直接壓力控制是最簡單的房間變風量控制方式。在這種控制方式下，房間控制器調節送風和排風閥門，以保持實驗室與參照區域的壓差穩定。無論任何原因引起的房間壓力變化，控制器都將會采取適當的措施。因此，直接壓力控制可以保持實驗室的壓差最接近設定值，這一點對于存放高風險物質的房間尤為重要。

和所有控制系統一樣，直接壓力控制也有其局限性。只要房間壓差產生變化，直接壓力控制器將會調節送風和排風閥門。有效的應用直接壓力控制器需要合理設計建筑，以保持壓力參照點壓力的穩定。

關鍵要求包括：（1）保持壓力參照區域的壓力穩定。參造區域的壓力波動直接導致房間壓差的相應的擾動。（2）保持實驗室門的關閉。當實驗室門關閉時，建筑圍護結構、門窗縫隙以及其他任何縫隙的面積是非常小的，有利于保持房間的相對密閉性。當門打開時，實驗室與參數區域的壓力幾乎相同，為了保持實驗室的壓差重新回到設定值，直接壓力控制器將送風閥門關至最小開度的同時，將排風閥門打開至最大開度。這種排風和送風間的巨大流量差可能導致相鄰區域房間壓差甚至整個大樓的壓力產生影響。門磁開關可用來鎖定送、排風量或減小房間壓差設定值，以此來進一步緩解由于實驗室門打開引起的問題。（3）如果電梯沒有前廳的話，避免電梯直接開向壓力參照區域。當電梯在各層之間運行時，電梯轎廂將氣流不斷地出入電梯井，會不斷地改變相鄰區域的壓力。（4）避免實驗室門直接開向室外。即便是實驗室門關閉時，吹過的陣風或拂過建筑物的風都會影響參照區域的壓力。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設計用于維持排風量大于送風量的控制。由于排風量比送風量大，因此實驗室處于負壓狀態。額外的排風量通常稱之為補償風量或“余風量”，實際上這部分風量通過送入相鄰區域，可能通過門或其他滲透方式進入實驗室。風量跟蹤控制器通過調節送風和排風量來實現余風量（補償風量）的恒定不變。

為了系統的正常運行，使用流量跟蹤房間控制器必須測量所有送、排風管道的風量。房間壓力不再是流量跟蹤控制的一部分（即房間壓力的變化將不再受監視）。開門對于直接壓力控制來說是個巨大的挑戰，但是流量跟蹤控制可以忽略這個問題。開門造成房間壓差變為零，對于流量跟蹤控制來說，開門將不會直接影響房間的送、排風量，房間控制器將不會動作。因此，流量跟蹤控制適用于無門敞開型實驗室。

一些工程師偏好流量跟蹤控制，因為送、排風量很容易預測，大大簡化了風機、空氣處理設備、管道系統或其他固定設備的選型。在實踐中，當設計流量跟蹤控制的實驗室時，余風量或補償風量是基于房間門的數量和房間滲透量來計算的。一旦實驗室建造完成，對實際的余風量或補償風量進行調整直至實驗室維持明顯負壓。然后，房間控制器被設置用來維持余風量值。

流量跟蹤控制不適用于那些存放劇毒性物質的實驗室。

3.3 具有壓力反饋的流量跟蹤控制

具有壓力反饋的流量跟蹤控制結合了流量跟蹤控制和房間壓差測量2種技術，這種控制形式綜合了單純流量跟蹤控制和直接壓力控制系統的優點。

當使用壓力反饋流量跟蹤控制系統時，和單純流量跟蹤控制一樣，所有的送、排風流量均需被監測。送、排風風量調節至一個特定的余風量值，以實現實驗室的負壓平衡。同時，這種綜合型控制系統也測量房間的壓差值。

房間控制器使用房間壓力測量來緩慢地調整余風量，對房間動態的長期的變化進行更正。如果房間壓差變化太快的話，房間控制器會在潛在的不安全狀況下提醒設施維護人員和實驗室操作人員。

因此，開門對于壓力反饋流量跟蹤控制來說不會造成與直接壓差控制相同級別的風險。當開門時，幾乎立刻造成房間壓差跌至零。此時，控制系統的壓力反饋原件僅僅慢速調整余風量值來實現房間壓力達到設定值。在短時間內，通常是正常情況下開門，壓力反饋流量跟蹤控制器不會明顯地調整余風量值，其送、排風量幾乎保持不變。當門敞開，最終和直接壓差控制一樣，壓力反饋流量跟蹤控制將會加大排風量，同時減少送風量，以實現壓力維持在設定值。

4 結語

本文從實驗室通風、確定所需送風量、不同實驗室所需考慮的因素幾個概念入手，探討了定風量、雙態、變風量這3種化學實驗室的暖通控制方式，闡述了直接壓力控制、流量跟蹤控制、具有壓力反饋的流量跟蹤控制這3種化學實驗室房間的控制。總之，化學實驗室暖通控制方式的選擇要綜合安全、節能減排、舒造、可靠的原則，以達到最佳的效果。