化學實驗室通風系統設計分析

鄧嶸

（山西聚仁合人力資源管理有限公司，山西太原 030002）

1 實驗室通風系統介紹

1.1 實驗室的通風系統分為全面通風換氣和局部通風換氣兩種方式

（1）全面通風換氣，計算時按整個房間的體積考慮整體通風換氣，這種方式稱為全面通風，將室外新鮮空氣通過外窗或風管引入室內，對室內已經污染的空氣進行稀釋，降低其污染標準到允許范圍之內，然后將已經污染的空氣直接排出室外或經過凈化后排出室外。這樣的方法通常稱為全面通風。可以通過開窗方式或者設置風機等實現。

（2）局部通風換氣，實驗室污染物質產生后未擴散且短距離就近排出的方式即為局部通風，主要是采用一些專用的實驗室排風設備，以較少的風量排走大量的有害物質，避免有害空氣擴散，這種方法較經濟、能節省能耗而且效果很好，能夠有效改善現有的實驗室條件。專業的實驗室排風設備有：專業排風柜、專業排風罩等。

1.2 實驗室通風系統組成

化學實驗室的通風系統一般由送排風機、送排風管管道、專業的通風設備（如排風罩等）以及相應的控制系統四大部分組成。

1.2.1 送排風機

送排風機主要考慮通風換氣時如不能采用自然開窗方式，則選擇采用機械送排風系統，相應設置風機，風機有離心風機、軸流風機等，也可根據布置方式不同選擇壁式風機、屋頂風機等，有噪聲要求的房間還可以選擇低噪聲風機。

1.2.2 通風管道

一般的普通建筑，通風系統為常規送排風系統，當室內排出的氣體沒有腐蝕性時，其通風管道可以采用鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板是最常用的風管材質。而化學實驗室及特殊實驗室等可能產生有腐蝕性氣體的建筑，風管應采用耐腐蝕材料的玻璃鋼風管等，風管的材質介紹詳見4.3。

1.2.3 專業通風設備

化學實驗室常用的專業通風設備主要有：原子吸收罩、通風柜、桌面式通風罩、萬向排氣罩等。

（1）原子吸收罩一般要求其能準確地定位安裝，對于整體化實驗室，定位準確是其必須考慮的因素之一。其主要適用于原子吸收儀等需要局部通風且涉及高溫的大型精密儀器，如圖1 所示。

圖1 原子吸收罩

（2）通風柜顧名思義是用于通風的柜子，一般與試驗臺一體化，主要用于實驗室排風，排氣功能，是很常見的局部通風方式的一種，其材料種類也多種多樣，也根據結構特點分為不同種類的排風式通風柜及補風式通風柜等，在局部有污染的附近通常使用通風柜，保證污染氣體能就近及時排除，如圖2 所示。

圖2 通風柜

（3）桌面通風罩也具有專業性，主要適用于需要長時間蒸餾的或有機化學實驗室，對于這類型的實驗室，解決其整體通風系統時，往往會采用桌面通風罩，如圖3 所示。

圖3 桌面通風罩

（4）萬向抽氣罩也是解決實驗室局部通風的設備，其具有安裝簡單、定位靈活且排風效果好等特點，是實驗室進行局部通風的首選，這種方法能有效地保護實驗室操作人員的安全，如圖4所示。

圖4 萬向抽氣罩

1.2.4 控制系統

實驗室通風控制系統也是一項很重要的內容，一個好的系統不單是保證實驗室廢氣正常排出，還需要考慮系統氣壓的運行穩定、節省能耗等因素，這就需要設置相關控制系統，可采用靜壓變頻技術、變風量控制、相關閥門控制調節等方法，結合專業的設備廠家控制系統來實現，具體設計時可根據不同的情況采用不同控制形式。

2 實驗室通風設計對接條件

實驗室設計時各專業條件應充分銜接，互提并對接條件，在設計前期應將有可能相關的各條件融入進去，實驗室的通風設計主要相關的其他專業有建筑專業、結構專業、電氣專業、給排水專業等，其中最主要的是關于建筑、結構專業條件的考慮，主要包括以下部分。

2.1 豎井

實驗室內尤其是化學實驗室通風要求高，換氣次數大，且不同的實驗室一般要求均為獨立的送排風系統，故工藝排風設備多，系統排風量大，排風管道尺寸大，且由于均為有污染及腐蝕性氣體，為保證嚴密性，不能單靠豎井排出室外，需要豎井內設風管，因此需要充分考慮送、排風豎井的位置和尺寸，同時需考慮一定的預留。

2.2 管井

不同地區的實驗室冬季溫度要求不同，對于嚴寒地區的補風系統，在進行送風時宜將室外空氣進行加熱后再送入室內，所以通常選用帶加熱的補風機組進行補風，需要預留加熱水管，接至各補風機組，為方便后期使用靈活及節能運行，實驗室補風系統加熱水管宜單獨設置系統，及單獨預留熱力入口，通過管井送入各層各系統，故在前期設計時應將管井條件考慮在內。此管井可以與平時采暖系統或者水專業管井合用，單獨預留系統即可。

2.3 荷載

實驗室建筑不同于其他一般民用建筑，尤其對于特殊實驗室，通風要求高，其屋面設備較多，主要包括排風機組、廢氣處理設備、空調補風機組等。故在前期設計時，應該充分考慮結構屋面可能存在的設備，將其重量提供給結構專業，在結構設計時將設備荷載考慮進去，如圖5 所示。

圖5 屋頂設備

2.4 層高

化學實驗室專業性要求較高，各設備管線相對較多，故在設計時應考慮到各專業的管線交叉及安裝空間，一般情況下化學實驗室的層高應不低于3.6m，才能保證后期正常使用，以實驗室設計層高為4.3m 為例，安裝完水、電、通風及消防等管線后，內部凈高為3.3m，各專業管線占高為1m。故應根據實驗室的實際需求，考慮設計層高。

2.5 用電負荷

化學實驗室中通風設備多，且功率相對較大，對于有補風加熱需求的地區，還需考慮冬季補風加熱用電，故在設計時應將用電負荷提供給電氣專業，充分預留用電，保證設備正常有序運行。

3 實驗室通風換氣次數的確定

3.1 排風系統

國內外不同的規范標準對實驗室的換氣次數分別有不同的規定。

（1）《化工實驗室化驗室供暖通風與空氣調節設計規范》（HG/T 20711—2019）中有相關規定“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）《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）中規定：可能突然放散大量有害氣體或有爆炸危險氣體的場所應設置事故通風，換氣次數不應小于12 次/h。

（3）國外相關標準對于實驗室的換氣次數，在不同的國家和地區，或者不用體系內的規定也都有所不同，在ASHRAE 中規定如果實驗室內有人操作，通常要求達到6~10 次/h 的換氣次數。

在進行化學實驗室通風設計之前，建議與使用方對接確定各實驗室的通風需求，確定是否有特殊氣體，是否有事故通風系統等相關內容，以便更準確地設置通風系統。但往往在施工圖設計時會受工期要求及前期對接不利等影響，使用方及初步設計文件并未提供具體通風要求及氣體排放方式等特殊要求，僅說明哪些房間需要通風，設計時往往只能根據以上相關規范綜合考慮確定通風換氣次數及送排風方式，保證工程設計正常進行，保證各專業條件預留到位。

故綜合上述的各種規定，同時結合實際工程案例，設計中通常實驗室的正常工作模式換氣次數要求≥8 次/h，節能工作模式：4~6 次/h，緊急工作模式：12 次/h。

3.2 送風系統

（1）《化工采暖通風和空氣調節設計規范》（HG/T 20698—2009）中規定當化驗室的排風量較大時，應設置室外新風補風系統，并計入新風負荷。

（2）《科學實驗建筑設計規范》（JGJ 91—1993）中也對補風及補風加熱進行了相關要求，具體內容為：工作時間連續使用排風系統的實驗室應設置送風系統，送風量宜為排風量的70%，并應根據工藝要求對送風進行空氣凈化處理。對于采暖地區，冬季應對送風進行加熱。送風氣流不應破壞實驗室排風裝置的正常工作。

故根據不同的地區及要求，綜合考慮補風換氣次數及是否需要加熱。

4 通風風管計算選型等相關設計

4.1 風管面積計算

風管內風速取值如表1 所示。

表1 各噪聲等級風管內風速取值

風管面積計算公式見式（1）。

風管面積的影響因素由換氣次數和風速決定，換氣次數越大，風管截面積越大，不同噪聲要求下，風管風速取值也不同，風速取值越小，風管截面積也越大，故綜合計算得所需要的風管截面積。

4.2 風口面積計算

風口尺寸的決定因素是通過風速，風口風速通常取2.5m/s 設計，見式（2）。

風口喉部有效面積（m2）=通過風量（m3/h）/3600×風速（m/s）。（2）

4.3 風管材質要求

物理化學類實驗室常用的風管類型如下。

（1）新風管道：鍍鋅鋼板。鍍鋅鋼板是最常用的風管類型，適用于平時普通的送排系統及防排煙系統，最常用于送排無腐蝕性的氣體，且經濟環保，市面上最常見，如圖6 所示。

圖6 鍍鋅鋼板

（2）排風管道：無機玻璃鋼、聚丙烯、硬聚氯乙烯。無機玻璃鋼、聚丙烯、硬聚氯乙烯均為耐腐蝕性風管，其中聚丙烯、硬聚氯乙烯還具有耐高溫等特點，適用于有污染的實驗室排風系統，如圖7 所示。

圖7 無機玻璃鋼風管

5 實驗室廢氣處理

5.1 廢氣種類

實驗室廢氣中包含無機廢氣和有機廢氣，以下列舉了廢氣的一些種類，不同的實驗室還會有某些特定種類的廢氣。

（1）無機廢氣主要包括：氮氧化物、硫酸霧、氯化氫等無機廢氣。

（2）有機廢氣主要包括芳香類：苯、甲醛、茚三酮、乙酸乙酯、甲酰胺、乙醇、三氯甲烷、環己烷等

5.2 處理方案

常用的有活性炭吸附、光催化凈化和填料噴淋塔，或者多種組合的方式進行處理。

5.2.1 活性炭吸附原理

活性炭顧名思義主要是由碳材料做成的吸附性材料，其具有很強的吸附特性，并不僅僅取決于它的孔隙結構，還和它的表面化學性質有關。

5.2.2 光觸媒催化濾網

在聚氨酯蜂窩網孔基材上沉積納米二氧化鈦光催化材料，納米二氧化鈦光觸媒經紫外光照射（理想紫外光波長253~360nm左右），激發電子躍遷到導帶，產生相應的光生電子和空穴，再和水、氧接觸后產生成具有超強氧化作用的活氧、氫氧自由基等，當污染空氣通過時，可將污染物、甲醛、細菌、臭氣異味、氨等有害有毒污染空氣分解成無害的H2O 和CO2，此方法經常用于空氣凈化。

5.2.3 酸霧噴淋凈化塔

酸霧噴淋凈化塔也是廢氣處理中常見的一種設備，一般分為臥式和立式，采用高科技填料，故凈化效率較高，凈化后的氣體可以達到排放標準，其材質一般為耐腐蝕玻璃鋼材質。

5.3 排放標準

根據所在地區的類別及不同要求，實驗室氣體排放時也應達到排放標準，國家目前有大氣污染綜合排放標準，應滿足國家《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）及國家相關標準的排放要求。

6 結語

合理的化學實驗室通風系統設計首先需要了解其系統特點及原理，在設計中考慮好各種因素，各專業對接設計時要銜接好，還要考慮到實際使用操作時運行方便、通風效果好、節省能源，同時還要達到舒適性要求。化學實驗室通風設計，應根據不同實驗室的特點和不用地區的要求，以及不同的使用需求綜合考慮各項因素，保證系統性能穩定、運行效果成熟，真正達到節能、舒適、環保的要求。