化工實驗室變風量通風系統設計

高智杰

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 通風系統形式

實驗室通風柜可以單獨配置風機或者將多臺通風柜并聯，從而將這些設備集中通過1 臺排風機排放。通常來說，通風系統可分為壓力相關型和壓力無關型。目前，工程設計中的定風量系統一般為壓力相關型，該系統的定風量系統排風量不會發生變化，若系統內有多個通風柜時，則系統壓力會因開啟的通風柜數量變化而發生變化；值得注意的是，由于通風柜面風速會產生較大波動，因此，可能造成有害物質向室內擴散，從而影響室內氣流組織及人員健康。

壓力無關型系統不會因通風管網阻力特性的變化而造成各通風設備排風量發生變化。壓力無關型系統可為定風量、變風量或這兩者的組合。其中，“變風量系統”是指壓力無關型的通風系統。對于壓力無關型系統來說，其要求每臺排風設備均應配備流量控制設備，故而具有2 個優勢：（1）靈活性，即在增加排風設備的情況下，無須平衡整個系統；（2）可進行變風量控制，即能夠利用系統的參差性。

目前，更多的化工實驗室往往都傾向于采用變風量通風系統，這在提升實驗室內空氣質量的同時，還增加了系統的靈活性。

2 變風量通風系統的組成

化工實驗室變風量通風系統由變風量排風系統和變風量補風系統組成：

1）變風量排風系統通常由排風設備（通風柜、萬向排風罩、吸收罩、通風型試劑柜等）、變風量文丘里閥、定風量文丘里閥、風管、排風機及控制系統組成。其中，排風機通常“一用一備”，以保證排風系統的安全可靠。

2）變風量補風系統通常由送風口、變風量文丘里閥、定風量文丘里閥、全新風空調機組及控制系統組成。

3 變風量通風系統的控制

變風量通風系統控制目標為：（1）保證實驗室工作人員的健康及安全；（2）正確控制實驗室通風柜的排風，以保證通風柜面風速；（3）正確控制實驗室補風，從而保證實驗室空氣的流向。

3.1 通風柜排風控制

在通風柜排風管上安裝變風量文丘里閥。當通風柜調節門移動時，調節門位移傳感器會將調節門開度信號傳輸給通風柜監控器，而監控器則計算出當前通風柜所需的排風量，并使文丘里閥在規定時間內調整至設定值，以控制通風柜面能夠保持風速恒定（0.5 m/s 左右）；當調節門關閉后，通風柜就會維持最小排風量。值得注意的是，由于文丘里閥受控于通風柜監控器，因此可以實現通風柜變風量控制。

3.2 房間通風控制

在通常情況下，氣流都是從辦公室、走廊和輔助區域進入實驗室區域。因此，相對于樓宇內的其他房間或空間，實驗室均應維持負壓。對此，實驗室房間通風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驗室與走廊的壓差，但存在房間開門時控制不精確且響應慢或不穩定等問題；

2）流量追蹤控制可以維持恒定的補風量；

3）控制器會實時計算實驗室內所有通風柜、排氣罩、排風口的排風量總和，從而調節房間補風量，使排風量與補風量之差恒定，以避免壓差控制所帶來的問題。

3.3 通風系統控制

由于變風量通風系統通常服務房間多、區域較大，因此各實驗室送、排風量的變化必然會引起系統風量和壓力變化。針對這一情況，為了使通風系統的文丘里閥前后壓差保持在其正常工作范圍內，通風系統需采用定靜壓變頻控制方式，且在送、排風主管道的末端1/3 處，不僅要設置靜壓傳感器來測量風壓變化[1]，還要設置DDC 控制器接收傳感器信號以及設置輸出變頻器控制信號，從而調節送、排風機的轉速，以更好地保持風管內的靜壓。

4 工程實例

以青海西寧某項目中央化驗室為例，介紹化工實驗室變風量通風系統設計。建筑面積為6 478.0 m2，共3 層。通風系統設計以豎向分層，橫向按防火分區設置；由于灰分分析間散發高度危害物質，故設置獨立排風系統，不影響其他排風系統的安全。本項目共設置9 個排風系統和3 個送風系統。

4.1 變風量通風系統主要設計參數

通風柜采用變風量控制來確保通風柜的安全防護性能。另外，在控制操作過程中，各組成的部分的主要設計參數為：

1）通風柜安全面需保持以下數據：（1）風速0.5 m/s；（2）變風量響應時間≤1 s；（3）面風速偏差≤±0.1 m/s；

2）各通風設備排風量為：（1）1.8 m 標準變風量通風柜為300～2 000 m3/h；（2）原子吸收罩為600 m3/h；（3）萬象抽氣罩/通風型藥品柜為200 m3/h；

3）實驗室排風量與送風量之差按照房間2 次/h 換氣進行計算，風量從房間縫隙滲入；

4）根據HG/T 20711—2019《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調節設計規范》的規定，處于工作狀態的有污染物產生的實驗室、化驗室，最小換氣次數不應低于6 次/h[2]。

4.2 實驗室風量計算

實驗室最小排風量必須滿足最小換氣次數，排風量與送風量之差保持恒定，保證實驗室安全。當新風處理到室內狀態點送入室內時，新風不承擔室內負荷。本文選取環保大氣分析室為例計算實驗室通風量，房間體積350 m3，設置2 個1.8 m臺式通風柜，2 個萬象抽氣罩，1 個通風藥品柜，房間通風柜按全部同時使用考慮。房間計算風量如下：

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

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

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

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

根據排風系統劃分，可計算本系統內各房間排風量（見表1）。

表1 通風量匯總表 m3/h

4.3 系統風量計算

變風量通風系統服務除房間較多外，所帶通風柜也較多。因此，考慮到通風柜有不同時使用的情況，在計算系統最大風量時，應關注通風柜的同時使用系數，同時使用系數取0.6～0.7。不僅如此，還可以參考同時使用系數的方式，來減少通風設備容量、風管尺寸及建筑空間，以進一步節省投資。經檢測，該系統的風量為：

1）最大風量：Σ[通風柜數量×2 000×（0.6～0.7）+ 定風量排風設備排風量+ 輔助排風量]=19 840 m3/h；

2）最小風量：Σ[通風柜數量×300+ 定風量排風設備排風量+ 輔助排風量]=9 030 m3/h；

同理，新風可系統根據所服務房間，計算出新風系統的最大風量和最小風量。

4.4 文丘里閥的選型

在文丘里閥的選型上，相關要點有：

1） 大氣分析室每個通風柜設置1 個變風量排風文丘里閥，萬向罩、藥品柜、輔助排風等定風量排風設備共設1 個定風量排風文丘里閥；房間設置1 個變風量送風文丘里閥。

2）文丘里閥可根據風量進行選型；閥門的壓降在150～750 Pa 時流量與壓力無關；風量控制精度需達到控制風量的±5%；閥門安裝前后無須直管段。

3）變風量閥：48 個出廠標定點；閥門調節開度信號與風量值相對應，提供實時風量反饋信號；最大及最小精確風量調節比＞16∶1；變風量響應速度＜1 s；平衡風管內壓力的波動時間＜1 s。

4）定風量閥：出廠需標定固定風量位置。

4.5 排風系統設計

排風系統的風管、風閥等需耐酸堿腐蝕防腐處理。其中，排風系統采用樓頂排放方式，排風機安裝在屋面；而風機則選用優質耐酸堿腐蝕的離心風機，且需保證“一用一備”。

對于從實驗室通風柜及其他特殊排風系統排出的氣體，應保持其相對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，排風會通過圓錐形風帽排放至高空，且通常高出屋面3 m 以上，排風口射流速度≥15.3 m/s。

4.6 新風系統設計

新風機組普遍選用組合式新風機組，并安裝在各層空調機房內。機組由新風段、初中效過濾器段、電加熱段、熱水加熱段、干蒸汽加濕段、送風機段組成。在冬季，新風處理到20 ℃、50%的狀態點后，即會送入化驗室以維持實驗室壓力平衡。由于本項目位于青海西寧，該地夏季空調室外計算干球溫度為26.5 ℃，與室內設計溫度基本相同，所以夏季、過渡季節室外新風過濾后可直接送入實驗室，不需要冷卻。

新風機組熱源為95 ℃/70 ℃熱水，加濕介質采用0.2 MPa的蒸汽。若廠區無95 ℃/70 ℃熱水，則開啟機組就需要電加熱器來進行加熱，從而提高送風溫度來滿足室內溫度要求。除此之外，電加熱器還有1 個優點，即：能夠同時解決熱水盤管冬季的防凍問題。

5 結語

本文介紹了化工實驗室變風量通風系統的組成和控制，并結合實際工程案例分析了實驗室風量、變風量系統風量的計算方法以及送、排風的系統設計，可為相關人員提供參考。