某科研中心實驗室改造工程暖通空調系統設計要點分析

高克文 吳美嫻 余俊祥,2△ 曹益堅 林金成

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學平衡建筑研究中心,杭州)

0 引言

高水平科研實驗室的建設是培養創新人才的必要條件,是實現科技創新的硬件基礎。近年來,隨著城市用地日趨緊張,新建實驗室成本高、周期長,越來越多的實驗室改造工程相繼出現。相比于新建工程,改造工程受既有建筑條件限制大,而且短期內較難全面平衡各種相關因素,項目建設的復雜程度加劇。本文以杭州某科研中心實驗室改造項目為例,在介紹典型實驗室空調通風系統的基礎上,對改造關鍵點進行總結分析,并針對各關鍵點提出針對性建議,以期對其他科研實驗室項目改造提供參考。

1 工程概況

該工程原為綜合產業園區,位于杭州市蕭山區經濟技術開發區。工程用地面積約78 080 m2,總建筑面積為118 274.65 m2,其中,地上建筑面積為114 193.15 m2,地下室建筑面積為4 081.50 m2。該工程共有12個單體建筑,各單體建筑均為不超過24 m的多層建筑,其中2#～4#單體建筑為科研實驗用房。項目總平面圖見圖1。工程改造時將原創客天地場地和收儲用房進行全面改造,改造過程中建筑結構主體保留不變,局部根據使用功能和規范要求調整樓板高度并進行結構加固等。

圖1 項目總平面圖

為滿足不同科研平臺的分期建設要求,結合改造工程的復雜現狀,項目綜合采用多聯機空調+直膨式新風空調系統、直膨式凈化空調系統、直膨式屋頂空調箱、模塊化空氣源熱泵空調系統等分散靈活的空調系統配置,滿足不同平臺的個性化需求,并為后期實驗工藝變化時的改造提供良好的基礎。

2 改造設計要點分析

該工程是將既有建筑改造為科研實驗室,需要在綜合分析既有建筑現狀與實驗工藝需求的基礎上重點進行實驗環境控制、室內凈高控制、環境噪聲控制等方面的設計改造,而且還要兼顧安全環保要求。

2.1 實驗工藝溝通

實驗工藝需求的溝通是整個項目改造目標的確立基礎。實驗室作為一種特殊功能空間,相比于一般辦公會議房間,對面積大小、室內凈高等空間要素,對溫度、濕度、潔凈度、壓力梯度等室內環境要素都有更為嚴苛的要求,而這2類要素均與暖通空調系統的設計息息相關,需要綜合考量。該工程部分特殊實驗室室內環境要求如表1所示。除空間要素和環境要素以外,使用方還需提供所有儀器設備的安裝要求。暖通專業比較關注儀器設備的散熱量(如超低溫冰箱)、通風量(如排風柜、生物安全柜、質譜儀、色譜儀)等參數。在設計階段,工藝相關設計人員還需要與使用方針對實驗室的工藝需求進行深入的溝通,包括實驗的標準操作流程(SOP)。由于科研人員的關注點與設計人員不盡相同,因此,在深入了解實驗標準操作流程后可以更好地識別設計要素,如某些細胞實驗需要連續數日不間斷運行,此時有必要進行冗余設計以保障重要實驗的不停運轉。

表1 部分特殊實驗室室內設計參數

此外,科研人員存在對室內環境的要求不夠清晰、全面、準確的情況,如環境濕度要求容易遺漏、溫度精度要求過高等,這時可在相關技術標準已有的規定基礎上與使用方進行溝通,參考標準有JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》、GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》、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》、GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》、T/CECS 644—2019《恒溫恒濕實驗室工程技術規程》、T/CECS 770—2020《理化實驗室工程技術規程》等。除各類標準規范外,某些高等院校、科研機構等尚有其內部建設標準,設計人員還需調研獲得相關要求。

2.2 建筑現狀分析

從建設成本與建設周期角度考慮,新建建筑更加容易滿足實驗室工程的配套要求,而既有建筑改造限制條件頗多,難度很大,特別是局部改造項目,還需最小化項目施工對其他正在使用區域的影響,因此,在有條件時應優先選擇更為適用的建筑類型。文獻[1]總結了幾種常見既有建筑類型及特點,如表2所示,顯然,工業廠房作為科研實驗室的改造載體最為適合。

表2 常見既有建筑類型及特點[1]

但即便是工業廠房,對于實驗室改造工程也需對建筑條件進一步深化,如實驗通風管井位置、空調通風機房位置、設備平臺位置等。對于空調通風管井,應盡可能地根據實驗工藝平面分散設置,集中的管道布置不利于室內凈高控制,且屋頂實驗通風機布置也過于密集。有條件時,新風管井與排風管井也應分散設置,可有效地減少空調通風主管交叉,且屋頂新風機組和排風機組也不易短路。對于復雜的實驗室工程,由于需要更多的空調機組、排風機組、室外機機位及廢氣處理裝置機位,因此對設備平臺、屋面的空間要求相比常規辦公建筑更大。若既有建筑單層面積不大,則屋面基本要滿鋪實驗用空調通風設備,這在項目前期階段就需與建設方、使用方及其他相關專業進行協調。

2.3 實驗環境控制

該工程實驗室空調通風系統的設計是構建符合工藝需求的實驗環境的核心內容,筆者以其中典型的化學實驗室和生物安全實驗室為例介紹與分析在實驗環境控制方面空調通風系統的設計要點。

2.3.1化學實驗室

化學實驗室的空調通風系統設計需要從系統劃分、風量平衡、系統控制等方面予以關注。關于化學實驗室空調通風系統的系統劃分,GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》強制要求:當試劑混合能形成毒害更大或腐蝕性的混合物、化學物或能引起燃燒爆炸時,應當設置獨立的通風系統[2]。該工程按照使用方的工藝要求,將同樓層的不同實驗室的排風柜及萬向罩排風系統進行合并,并且在當層預留了一些按獨立通風系統設計的實驗室,以適應未來實驗工藝變化的可能性,同時,為降低改造項目的操作難度,將部分預留實驗室設置于建筑頂層。

化學實驗室的風量平衡與系統控制是通風系統設計的關鍵。由于常規化學實驗室圍護結構的氣密性較差,壓力測點數據不穩定,所以不宜使用直接壓差控制法作為負壓通風系統的控制手段,而是采用“變送變排”的余風量控制法進行系統控制,即設定余風量值Qy為控制目標,通過變風量排風末端閥門的反饋數據統計隨使用狀態變化的總排風量Qp,Qp和Qy的差值即為總送風量Qs,Qs通過變風量送風末端閥門控制隨使用狀態變化而變化,系統控制原理見圖2。關于余風量的確定,文獻[3]指出,余風量的選擇應考慮圍護結構滲透風、管道漏風及測量誤差,氣密性較差的實驗室可按照不小于2倍的測量誤差考慮。由于測量誤差一般不小于5%,因此負壓系統的余風量需控制在排風量的10%以上,對于圍護結構滲透風量較大的實驗室,負壓系統的余風量可能還需提高到排風量的20%,而且實驗室送風量還要滿足實驗室不小于6 h-1的換氣次數要求。±5%的控制誤差一般是末端使用了文丘里閥門時的誤差,而該工程采用的變風量蝶閥控制系統將使誤差擴大。綜合上述,筆者將余風量定為排風量的20%,該工程某化學實驗室的風量平衡計算結果如表3所示。單臺變風量排風柜的排風量為1 500 m3/h,排風柜同時使用系數為75%,單個萬向罩的排風量為150 m3/h,萬向罩同時使用系數為100%,該實驗室體積為336 m3,最小送風換氣次數為7.1 h-1,滿足不小于6.0 h-1的使用要求。

表3 風量平衡計算結果

圖2 余風量控制法系統控制原理圖

該工程化學實驗室涉及操作易燃氣體,故設置全室事故通風系統,換氣次數按不小于12 h-1取值。由于改建空間受限,為減少風管系統的管路布置,事故通風系統與實驗室平時通風系統合用并設置電動控制閥進行切換,當房間內所檢測氣體濃度超過安全限值時,啟動報警裝置,通風系統同步切換至事故通風狀態。事故排風風管平面布置如圖3所示。

2.3.2二級生物安全實驗室

該工程設有二級動物生物安全實驗室,其實驗環境需滿足負壓潔凈的生物安全防護要求。該實驗室由人員更衣、滅菌清洗室、實驗核心區(包含BSL-2(生物安全二級)實驗室和ABSL-2實驗室、配套設備用房等構成,實驗室內設置有A2型生物安全柜、高壓滅菌器、實驗小鼠獨立通風籠具(individually ventilated cage,IVC)、冰箱、CO2培養箱等,其平面圖見圖4。

該實驗室采用全新風凈化空調系統,為使室內達到ISO 7級潔凈環境要求,采用不小于18 h-1的換氣次數進行新風量計算,新風經粗效、中效及末端高效三級過濾后送至室內,房間及IVC排風經高效過濾及除臭處理后高空排放。由于該實驗室不間斷運行,因此送風機及排風機均考慮一用一備,發生故障時自動切換。

實驗室與鄰室設置壓差測量傳感器,實驗室壓力梯度通過直接壓差控制方案實現。為維持室內潔凈度,送風管道上設置定風量蝶閥使送風量保持恒定,當實驗室內環境狀態發生改變時,為維持房間與鄰室壓差恒定,房間排風量由變風量蝶閥控制,空調系統原理見圖5。

圖5 二級生物安全實驗室空調通風系統原理圖

2.4 室內凈高控制

根據筆者的工程經驗,層高大于4 m的區域可改造為常規化學實驗室和低級別潔凈實驗室(ISO 7級及以下)。實際改造工程中,既有建筑層高絕大多數情況不能滿足實驗室建設要求,這也是改造工程的痛點。據前述,在分析建筑現狀與實驗工藝需求的基礎上,合理安排管井與機房位置可為控制室內凈高奠定良好基礎。此外,在設計過程中結合其他技術措施可進一步提高室內凈高的利用率以滿足使用要求,同時應盡可能地減少原始建筑結構的拆改。下面結合工程實例對各項技術措施進行具體說明。

1) 管井處設置結構上翻梁。

該工程某檢測分析實驗室如圖3所示。原始層高僅3.2 m,梁下凈高2.6 m,僅能設置凈高較低的排風柜,且無排風管道布置空間。改造時與結構專業協調,如圖6所示,排風井道邊陰影區保留鋼筋,拆除原井道邊次梁及樓板,改設上翻梁,利用原梁空間進行管道布置,有效解決了層高不足的問題。具體梁柱改造節點需由結構專業在原始竣工圖及現場實測的基礎上經結構強度計算后確定。

圖6 結構上翻示意圖

2) 局部設置設備層。

當整幢建筑層高受限(標準層層高3.2 m,梁下凈高2.6 m)時,不僅工藝排風管道安裝困難,實驗室新風補風管道也難以布置,故考慮將中間某樓層設置為設備專用層,將工藝配套設備機房、空調機房、庫房等均設置于此設備層,新風補風管道內襯于新風豎井,布置至各服務樓層。

3) 采用凈高要求更低的末端設備。

該工程某潔凈實驗室(潔凈要求ISO 7級)內除設有常規儀器設備外,還設有專門的箱式自動化科研裝置,箱體尺寸為12.00 m(長)×2.60 m(寬)×2.55 m(高),箱體上方需預留0.5 m高空間用于空氣流通,因此,室內凈高需3.05 m。受建筑結構條件所限,梁下凈高僅3.5 m,若采用普通的有隔板型高效過濾器風口(其高度一般為450～530 mm),在低矮空間內安裝難度較高,因此考慮將高效過濾器風口調整為“凈化高效箱+風口”的組合型式,將凈化高效箱安裝于該實驗室外側凈高要求較低的走廊中,實驗室內僅安裝風口,不僅有效降低了末端高效風口的占用空間,同時有利于日常檢修、更換高效過濾器。

2.5 安全要求

隨著科研實驗室的建設規模日漸擴大,實驗室的安全風險管理也愈發重要。實驗室的安全性問題是科研建筑建設過程中需特別關注的問題。教育部2019年發布的《教育部關于加強高校實驗室安全工作的意見》中提出“在新建、改建、擴建實驗室時,應當把安全風險評估作為建設立項的必要條件”[4]。實驗室的危險因素大體可分為物理性因素、化學性因素及生物性因素。實驗室通風系統的安全性設計是實驗室安全管理關口前移的重要措施。

實驗室的生物性因素主要指危險生物因子。空調通風系統圍繞生物安全柜排風系統設計與實驗室負壓環境系統控制實現對危險生物因子的安全防護。實驗室的化學性因素主要涉及化學試劑、實驗氣體等。除常規實驗區的負壓環境通風系統設計外,對于專門存放危險化學品的試劑庫,GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》和JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》均要求其設置獨立的通風系統,不能與其他建筑功能房間的排風系統合并,JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》還要求其“設置24 h持續通風的化學品儲存柜”[5]。在該工程設計時,除化學品儲存柜采用局部通風措施外,危險化學品試劑庫還設置了1套事故通風系統。

除實驗工藝安全性問題外,實驗室由于易燃易爆品使用相對頻繁,消防安全隱患也較大,做好消防安全工作至關重要。該工程的防排煙系統嚴格按照GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》及《浙江省消防技術規范難點問題操作技術指南(2020版)》進行設計。對于潔凈實驗室,根據GB 50591—2010《潔凈室施工及驗收規范》要求“排煙口安裝時不應影響防倒灌設施正常發揮作用。排煙口應安裝板式排煙口,不應漏風”[6],板式排煙口可以安裝于吊頂或側墻處,平時保持常閉,火災時根據火災報警信號啟動。采用板式排煙口既可以保證區域的潔凈度要求,又能在火災時開啟排煙。另外值得注意的是,一些昂貴的儀器室,如液相色譜質譜聯用儀分析室,單臺儀器采購價格高達上百萬元,一般要求設置氣體滅火措施,此類房間不需設置排煙系統,但是需按照GB 50370—2005《氣體滅火系統設計規范》要求設置不小于5 h-1的氣體滅火災后排風系統,而且穿越此類房間的空調通風管道均應設置電動閥,氣體滅火系統啟動時可自動關閉,保證空間的密閉性。

2.6 環保要求

為使科研實驗室達到國家及地方標準、建設項目環境影響報告的相關技術要求,暖通專業需對實驗室廢氣進行凈化處理。不同類型實驗室的廢氣處理不盡相同,筆者以該項目中涉及的化學實驗室、生物安全實驗室為例進行說明。

該項目中的化學實驗室操作過程中產生的有害氣體既包括有機氣體,又包括無機氣體,風量相對較大、種類復雜、濃度較低,而且科研項目還具有未知性和變化性。因此,考慮采用組合式廢氣處理裝置,該裝置主要由干式(活性炭)+濕式(吸收液)裝置組成,結構緊湊,適用于改造工程項目。采用“吸附+吸收”兩級聯用的處理方法,其處理效率要求大于等于90%,廢氣排放指標滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》中的相關要求。為避免實驗廢氣通過風管外逸至室外,組合式廢氣處理裝置設置于系統的負壓段,排風機末端還需設置如圖7所示的錐形風帽。

圖7 錐形風帽示意圖

與化學實驗室不同,一般生物安全實驗室的排風主要通過高效過濾器進行凈化處理。對于二級生物安全實驗室,根據GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》的要求,防護區的排風根據風險評估來確定是否需經高效過濾器處理。加強型二級生物安全實驗室建議參考T/CECS 662—2020《醫學生物安全二級實驗室建筑技術標準》的要求,排風經高效過濾器處理后再排放。對于動物生物安全實驗室,還需考慮實驗動物的異味,設置專用除臭裝置以滿足GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》的要求。

2.7 噪聲振動控制

改造工程常因原始建筑局促的平面布局而無法為所有空調機組安排適合的機房,吊裝空調機組的噪聲影響容易在建設階段被忽略,但在運行階段又是使用方關注的重點問題之一。針對噪聲控制問題,該工程將風量較大的集中空調機組設置于專用機房或設備平臺,而且優先選用低噪聲設備,從源頭上根治噪聲問題。對于一些分散吊裝的風量較小的空調箱,采用電子換相(electrical commutation,EC)風機。EC風機采用直流無刷電動機,內置變頻器,將電動機與風機一體化設計,相比于傳統交流(alternating current,AC)風機空調箱,無需皮帶,效率高,能耗低[7],構造簡單,運轉時沒有碳刷噪聲,噪聲控制明顯優于AC風機[8]。根據既有工程經驗,將AC風機空調箱調整為EC風機空調箱后,相比原方案可降低A聲級噪聲5～10 dB,特別是對于化學實驗室的補風空調箱,由于其風量變化大,EC風機的優勢更加明顯。

另外,該工程個別吊裝的空調機組采用了“防火型復合阻尼隔聲板+不燃巖棉+鍍鋅鋼板”的隔聲組合結構,吊裝空調機組所在區域的側墻面及頂部墻面安裝自粘吸聲棉,可以降低風機A聲級噪聲約8～10 dB。綜合處理后,吊裝空調機組的噪聲可滿足辦公區的使用要求。

除建筑內的噪聲外,還應考慮設置于建筑屋面的空調設備對相鄰樓層的振動影響。該項目屋頂水泵要求采用浮筑基礎隔振隔聲,同時結合“阻尼彈簧減振器+慣性減振臺”的使用,以達到良好的隔振隔聲效果。此外,水泵出水管道90°轉彎處也建議采用隔振支撐措施。

3 結束語

城市更新大背景下科研基礎設施的建設需求催生了眾多實驗室改造工程。區別于新建建筑,實驗室改造工程設計需要更加關注項目的土建實施條件,仔細的現場勘察相當必要,其暖通系統的設計需在滿足實驗工藝要求的前提下,靈活變化技術手段,不能簡單套用新建工程的設計方法,對工藝環境控制、層高控制、噪聲控制、安全環保要求等方面需要構思相應的改造技術措施,這樣才能夠為實驗室改造工程的后續運維奠定良好基礎。