國標圖集《化學實驗室通風系統設計與安裝》詳解

張 兢 孫永霞

(中國建筑標準設計研究院有限公司,北京)

1 圖集介紹

1.1 立項背景

科技是國家強盛之基,創新是民族進步之魂。2015年,習近平總書記在《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》的說明中首次提出要以國家目標和戰略需求為導向,瞄準國際科技前沿,布局一批體量更大、學科交叉融合、綜合集成的國家實驗室。隨著國家目標和戰略的需求,我國投入大量的經費到實驗室建設中,從而使實驗室建設項目數量激增,其中化學實驗室的建設比例最大。

化學實驗室是提供化學科學研究和實驗教學的重要場所,分布在多個行業,如石油石化、醫藥、海關、質檢、醫療、疾控、科研院所、高等院校等。相關標準更新速度較緩慢,不能很好地適應化學實驗室快速建設發展的需要。同時,化學實驗室作為能耗大戶,節能減排也成為必然趨勢。及時總結我國化學實驗室建設和管理的發展成就、經驗及不足,已成為非常重要且迫切的工作。

2020年6月,由同濟大學、中國建筑標準設計研究院有限公司、同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司共同承擔了國標圖集22K523《化學實驗室通風系統設計與安裝》的主要編制工作。

1.2 圖集適用范圍

該圖集適用于新建、改建和擴建的科研機構、高等院校、醫療機構等化學實驗室的室內環境污染控制。其他行業、企業的化學實驗室、化驗室及中等職業學校教學實驗室等,當與該圖集使用條件一致時可參考相關內容。

該圖集不適用于生物實驗室。

1.3 圖集主要內容

該圖集為新編圖集,包含以下幾方面主要內容:實驗室工藝布置平面示例、化學實驗室通風系統設計和典型案例(圖集編入了4種化學實驗室的典型通風系統流程圖及與之對應的4種典型通風系統的控制調節策略、控制原理圖。圖集中所給出的5個典型示例既能覆蓋五大氣候分區,也已包含最常用的各種通風系統)、局部排風設備選用與安裝、風閥與其他設備選用與安裝、實驗室運行維護管理要求及附錄。

2 圖集詳細解讀

2.1 化學實驗室現狀及問題

圖集編制工作啟動前,編制團隊對企業及科研單位的化學實驗室進行了實地調研,并對排風柜的制造企業進行了實地考察。針對化學實驗室的使用現狀進行了較深入的摸底。

據了解,使用單位普遍反映的問題是實驗室使用過程中排風柜氣味外溢很明顯,使用之后室內異味很久都不能清除。

實驗室是教學、科研的重要基地,實驗室的安全管理是實驗室正常運行的基本保證。為了更好地使實驗室為教學和科研服務,實驗室的安全問題應排在第一位。該圖集重點解決實驗室排放物對室內外環境造成的安全隱患問題。

2.2 圖集解決思路

2.2.1從前期化學實驗室的工藝布置入手

1) 化學實驗室工藝布置的重要性。

化學實驗室工藝布置包括人員及物品的流線,各種實驗家具,局部排風設備,必備的應急設施,實驗用易燃、易爆、極低溫、易泄漏等危險化學品的液體罐、氣體罐等,以及管道井等空間。

化學實驗室通風系統的好壞與工藝布置密切相關,設計人員應從前期工藝開始介入配合,尤其要重點關注排風柜的布置位置。

2) 排風柜布置位置的合理性。

實驗室中的排風柜是一個專門設計的安全裝置,其主要作用是排風和換氣。實驗操作時會產生各種有害氣體、蒸汽、粉塵等污染物,為保證實驗室中有良好的室內環境,使工作人員免受人身傷害,在污染源附近要設置排風柜。

現行行業標準JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[1](以下簡稱《規范》1)第4.2節中有關于排風柜、實驗臺及實驗儀器設備之間的最小凈距要求,此處的凈距要求更側重于保證實驗工作的正常操作和人員的安全疏散,缺少對人員走動、排風柜之間氣流及實驗室內氣流等對排風柜安全高效運行的影響等相關考量。

從眾多實際案例中可知,排風柜在工作狀態時,周邊人員的移動、相鄰排風柜的氣流干擾及實驗室建筑門窗等洞口形成的對流氣流都可能導致排風柜中有害氣體的外溢或外溢加劇。

《規范》1中的第4.1.14條“排風柜的設置應避開主要人流及主要出入口,并應避開送風口及外窗氣流的干擾”和第8.3.3條“實驗室排風柜應布置在不受氣流擾動的位置”、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》[2](以下簡稱《規范》2)中第5.4.3條“排風柜應布置于遠離人或物體頻繁經過或移動的位置,且應避開從門窗流入的氣流”,這些規定的目的都是為了防止外界對排風柜氣流造成干擾,保證人員及環境的安全,但無相關數值規定,缺乏具體要求,對實際項目的操作沒有實質性指導。

澳大利亞標準AS/NZS 2243.8:2014[3]對通用實驗區實驗臺、排風柜或實驗儀器設備等均有明確的工藝布置間距要求,且對土建的關鍵部位如門、窗等洞口距離排風柜的間距均給出了相關推薦值,如圖1所示。

該圖集采納并借鑒了澳大利亞標準AS/NZS 2243.8:2014,在實驗室工藝布置平面圖示例中劃出了排風柜操作柜門前的陰影“防干擾區”,供設計師在作實驗室工藝布置時參考,相關布置圖見圖2。

圖2 實驗室工藝布置平面圖示例

在此需要重點提示的是:

① “防干擾區”不得作為排風柜工作時的通道使用。當排風柜處于工作狀態時,非實驗操作人員應避免從“防干擾區”通過。

② 排風柜不得設置在實驗室門窗可能產生對流氣流的通道上。

③ 應保證排風柜距實驗室門窗等洞口間距的最小值。

2.2.2化學實驗室通風系統

1) 化學實驗室通風系統的選用。

化學實驗室通風系統有局部通風和全面通風兩部分內容。除特殊要求必須獨立設置通風系統外,可根據排放物質種類、安全性、運行操作、運行時間、設備數量、平面布置、室內環境一致性等因素適當合并通風系統。

2) 同時使用系數的合理設定。

在化學實驗室通風設計中,通常采用一對多系統(即1臺排風機服務多臺末端排風設備或房間),選擇風機時會考慮同時使用系數。有關同時使用系數的取值,編制團隊查閱相關資料,在現行標準和規范中均未找到明確的數值規定。與一些設計院的專家交流時了解到,業內設計師通常按照經驗值0.7來選定。最終在確保實驗室安全、正常使用的前提下,該圖集給出合用系統同時使用系數的建議值為0.6～0.8。

3) 重點關注實驗室送風散流器的設置位置。

將排風柜放置在離送風口很近的位置時,可能會在排風柜柜門處產生交叉氣流或溫度梯度,造成亂流和可能的外逸。與圖2相同,現行標準對實驗室的送風口布置并未作出明確規定,僅《規范》2第5.4.4條規定“送風風口宜遠離通風柜前實驗區,空氣流速不應干擾通風柜的排風氣流”。

國外的相關實驗數據表明,在離實驗室排風柜至少1.5 m(5 ft)的地方設置適當大小的送風散流器,可以減少排風柜因交叉氣流和送風溫度變化而產生的湍流。該圖集第16頁的示意圖摘自加拿大標準MD 15128-2013 《Laboratory fume hoods: guidelines for building owners, design professional, and maintenance personnel》[4],如圖3所示。MD 15128-2013中將排風柜正面和側面大約1.5 m(5 ft)的距離定義為1個區域(無擴散區,簡稱NDZ),提示設計師應避免在該區域放置送風散流器,除非散流器的送風不影響排風柜的性能,并且應避免在實驗室排風柜附近安裝出風速度較高的散流器。

圖3 實驗室送風散流器設置要求示意圖

如圖3所示,在無擴散區周圍確定了3個區域,擴散區1和擴散區2是設置送風散流器的首選位置。在排風柜柜門前的擴散區3設置散流器時應謹慎。

《規范》2第5.4.4條規定,干擾氣流流速不宜大于排風柜操作面風速的1/2,最好是1/5,即不受超過0.1 m/s的橫向氣流干擾。為了避免送風口的空氣流速對排風柜排風氣流的干擾,建議選用條縫型送風口、旋流式送風口、徑向或半球形孔板送風口。

需要注意的是,該圖集第8頁中所列的薄壁臺式、落地式、低臺式、補風型、自凈型排風柜,當2臺及以上排風柜并排布置時,柜與柜之間應留有不小于100 mm的間距。該要求是為了避免排風柜使用時彼此間的氣流干擾。

2.2.3局部排風設備及其他設備的選用

1) 國內局部排風設備的現狀。

① 產品標準滯后。

國內目前有關排風柜的產品標準有3個,分別為JB/T 6412—1999《排風柜》[5](以下簡稱《規范》3)、JG/T 222—2007《實驗室變風量排風柜》[6]、JG/T 385—2012《無風管自凈型排風柜》[7]。最新的產品標準距今也已有10年之久。尤其是《規范》3,年代過于久遠,其中對產品的外觀尺寸沒有具體要求,導致市場流通的接風管的排風柜產品實屬標準框架下的“非標產品”,更新時互換性差。

② 產品種類繁多,五花八門。

根據《規范》3可知,排風柜僅包含標準型、補風型、臺式和雙面式4種。但現有市場上流通的排風柜種類繁多,遠超出標準涵蓋的內容。

③ 暫無產品相關的驗收檢測標準。

目前排風柜的生產企業只能向用戶出具制造檢測報告。由于國內標準體系不完善,排風柜現場安裝完成后,對排風柜和通風系統的安裝測試無據可依。

2) 局部排風設備的選用說明。

對收集到的12家企業資料進行整理后發現,各企業的命名存在很大差異。如垂直可視窗可落至地面高度的排風柜,有的企業命名為步入式,有的企業命名為走入式。再如柜壁相對較薄的排風柜,有的企業命名為節能型排風柜,有的企業命名為歐式排風柜。

在圖集編制過程中,首先對排風柜的種類進行分類和命名,將步入式和走入式統一命名為落地式,將節能型和歐式統一命名為薄壁型。其次,該圖集對收集到的各家企業產品資料分類整理,以量大面寬、通用性高的提取原則,形成各局部排風設備的外形尺寸表。最后采取合并同類項的方法,對參編企業的眾多產品進行梳理、匯總,給出同類型“多元”的性能參數表(即部分參數給出范圍值),供設計師參考。

該圖集中接風管的排風柜的排風量基于以下參數確定:

① 豎直型柜門開啟高度為457 mm或500 mm。

② 通用型排風柜的操作口設計面風速為0.5 m/s,高性能排風柜的操作口設計面風速為0.3 m/s。

③ 對于豎直型柜門開啟高度不是457 mm或500 mm的排風柜,或是采用水平型可視窗的排風柜,其性能參數應以實際選用企業的資料為準。

3) 其他設備的選用說明。

化學實驗室的通風設計不僅要保證室內的環境安全,對于室外環境的保護同樣不容忽視。化學實驗室在實驗過程中產生的主要有害氣體可分為有機氣體和無機氣體,針對不同的氣體成分,該圖集的廢氣凈化裝置分為吸附法和吸收法2種方式。實際工程中應根據化學實驗室產生的廢氣成分、濃度大小及有無惡臭來選用不同的組合式廢氣凈化裝置。需要一再強調的是,無論采用哪種廢氣凈化裝置,最終排至大氣中的氣體,其污染物排放濃度及排放速率均要符合國家、地方及行業現行有關污染物排放標準的要求。

此外,圖集中也給出圓錐形風帽和沖高風機的內容,需要說明的是,兩者的使用前提均是其污染物的排放濃度等符合國家、地方及行業現行排放標準的要求。

2.3 節能環保的相關考慮

化學實驗室在運行中會產生有毒有害氣體,處理不當會造成人員身體損害和環境污染,因此化學實驗室的通風系統有高換氣次數、全新風運行、一定的房間壓差等要求,從而造成化學實驗室的通風和空調能耗遠大于一般建筑。

該圖集在解決實驗室環境安全之余,也在節能方面有以下幾點考慮:

1) 在“典型通風系統”部分,該圖集主推節能效果顯著的變風量控制系統。但考慮到仍有規模較小、通風末端集中啟停的工程,圖集的典型通風系統1仍給出定風量控制系統以滿足業內需求。

2) 無風管自凈型排風柜雖然在使用中有一定的局限性,但只要在使用前通過安全評估適用性判定,其系統、控制簡單,初投資、運行費用較低的優勢仍很明顯。因此,典型通風系統也增加了此種類型的系統。

3) 由于補風型排風柜是將一部分新鮮空氣直接補到排風柜內部,易造成有毒有害氣體泄漏。因此,該圖集只推薦變風量控制系統而不推薦補風型定風量系統。

3 結束語

國標圖集22K523《化學實驗室通風系統設計與安裝》從圖集立項到送審稿評審、送印,經過多次編制組工作會及專家審查會,歷經了近2年的時間,目前已由中國標準出版社正式出版。圖集作為工程建設的參考,可以從技術上規范、引導化學實驗室通風系統的規劃和設計,推動行業朝著良性有序的方向發展,為化學實驗室室內環境的改善提供有力的技術幫助。望業界同仁能夠給予更多的關注,并提出寶貴的意見和建議。

4 致謝

圖集的編制工作得到了各界人士的關注,在技術條件審查會及送審圖審查會階段得到了眾多專家和同行的反饋意見,編制過程中也得到了同濟大學劉東團隊和同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司楊木和團隊的鼎力支持,在此表示感謝!