实验室通风气流控制系统及节能技术探讨

李晓丽，朱小社

(江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226007)

0 引言

实验室通风工程是整个实验室设计和建设过程中规模最大、影响最广泛的系统之一。通风工程的完善与否，直接对实验室环境、实验人员的身体健康、实验设备的运行维护等方面产生重要影响。实验所产生的有毒气体会影响研究人员的身体健康，为此需要利用通风柜清除有害气体。不过实验室普遍是以风空调为主，会产生较多的通风换气量，而且需要很长的运行时间，所以运行状态下的通风空调系统会耗费大量的能源。为此要有效控制通风气流，以在确保实验室安全性的同时，提高能源使用率，达到最为理想的节能效果。

1 研究背景

实验室通风是通过先进的风系统，不采用再循环空气，这让实验室的单位面积能耗高出了普民用建筑的范围，而空调通风系统主要是管控实验室空气污染，并且会产生过多耗能。排风柜属于不可或缺的实验室局部排风设备，其性能如何将直接决定对污染物的控制质量，同时也会影响实验工作者的身体健康情况。为确保排风柜的设计、测试等工作达到理想的效果，美国早在20世纪90年代就明确了 ANSI/ASHRAE110排风柜标准，该标准详细规定了排风柜的测试基本条件、面风速测试及控制浓度测试等。该标准明确说明，排风柜捕集污染物的性能是由排风柜结构、柜内所使用的仪器设备(柜内障碍物)、柜内热源、实验室气流组织(送风、排风气流组织)、实验人员的走动和门窗的开启以及所设置的实验室送风口等决定。

有关专家通过实验就排风柜前有站立假人和实际操作人员两种情况下柜前污染物的泄漏量进行了对比，同时还分析了人员活动路线能够给柜内污染物泄漏造成的干扰。结果证实：柜前若有操作者，会导致污染物的泄漏量上升60%，同时不管是假人还是真实的工作者，对排风柜的影响没有区别；当人员活动路线与排风柜操作窗的水平距离达到1 m的情况下，人员活动形成的干扰气流不会明显影响到排风柜。

2 实验室气流控制特性

对实验室的气流进行控制关乎实验工作者的生命健康，所以一定要避免通风柜的有害气体泄漏，这也就意味着实验室气流控制和以往的变风量控制具有本质上的差异。其中实验室气流控制最突出的特性是要确保控制系统以最快的速度趋于平稳，控制回路平稳的响应时间不可超过1 s。通常通风柜排风量会从350 m3/h上升到1 750 m3，一般情况下，从调节门转移到通风柜实际排风量的跟随，一共有0.6 s的响应时间。若控制回路的平稳响应时间不稳定，那么在调节门开度从高转低以后，就会导致通风柜里的气流产生“混乱”，这种情况下，通风柜里的有害气体就很有可能泄漏，而且里面的玻璃器皿还会被破坏；而调节门从低升高后，则会导致面风速降低，最终就会使有害物体遭到泄漏。

同理，控制实验室进风量也要达到理想的平稳响应时间，以此确保实验室能够始终维持标准的负压，否则对通风柜的排风控制响应和防护就难以达到理想的效果。

气流控制的独特性还包括通风柜的风量控制能够凸显线性调节，并形成理想的调节比。在通风柜处于停止状态的情况下，风量调节阀要把通风柜的排风值限调增至最小的状态，这个时候通风柜的调节阀门就会处于最低开度，通风柜就会“值班”运行。在通风柜运行以后，通风柜调节门开度会变大，这种情况下风量调节阀要实时调整，以达到最理想的节能效果。通常，通风柜排风量的调节体为5∶1，若实验室负压风量达到了200 m3/h，那么实验室在送风量方面的调节比就是9∶1，而传统对开式风量调节阀无法形成这一比例。

3 通风柜面风速控制方案

实验室通风气流控制系统流程如图1所示。

图1 实验室通风气流控制系统流程

实验室通风是实验室设计中不可或缺的重要组成部分。为了使实验室人员活操作不吸入或咽入一些有毒的、可致病的或毒性不明的化学物质和有机体，阻止一些蒸气、气体和微粒(烟雾、煤烟、灰尘和气悬体)的吸收，所有污染物质都需要用通风柜、通风罩或局部通风等设备进行去除。通风柜在排风口处都会设有风量调节阀，主要容纳了控制器、风量监控器等，能够按照风量指标对调节阀门开度进行针对性的调整。阀体采用了椎体构件，里面装设了不锈钢弹簧，能够按照系统压力情况对阀门的打开程度进行调整，进而避免空气流动量超标。同时，通风柜的上端都会设置传感器与调节门开度传感器，主要作用是在没有专业人员时，能够监管通风柜调节门的开度情况。通风柜安设于面板中，可收到传感器和调节开门开度传感器的信号，同时能够把风量指令传送到风量调节阀中。其中风量指令的运算方法为：Q风量=H×W×V×3 600(m3/h)。在本公式里，Q代表风量，单位为m3/h；H代表调节门高度，单位为m，是通过调节门开度传感器进行监管；W代表调节门的宽度，单位为m；V代表面风速设定值，单位是m/s。若有专业的工作者监管传感器，则取值0.5 m/s；若没有专业的工作者进行监管，则取值0.3 m/s。

根据调节门的空气流速在断面上的平均布局，采取以上方式对面风速进行控制。通风柜调节门断面上所有点的风速数据为：0.61 m/s，0.52 m/s，0.52 m/s，0.54 m/s，0.58 m/s，0.59 m/s，0.53 m/s，0.48 m/s，0.55 m/s，0.57 m/s，全部数据都达到了精度要求。

另外，通风柜在进行工作时，应尽量避免外部气流对通风柜的影响。一般而言，如果实验人员没有关紧视窗，并在通风柜前来回走动，则带起的气流会影响到内部气流的走向，进而引发气流紊乱的现象，影响通风柜的排风性能。

4 系统的节能性分析

一般实验室房间换气频率要不小于4次/h；有轻度污染的实验室房间换气次数宜为6次/h～8次/h；有大量污染的实验室房间换气次数宜为8次/h～12次/h，实验室要在实际的通风设计和技能设计中对此保持高度重视。实验室通风气流控制系统节能性重点表现在以下方面：(1)系统主要采用了调试程度大的文丘里风量调节阀，能够使系统在运行时很大程度地减少风量。该调节阀能够达到20∶1的可调比，而变风量蝶阀可调比为5∶1～10∶1。风量少时，可调比不大的调节阀不能使风量控制达到理想的精度，特别是通风柜处于最低位置的情况下，运算偏差会超过150%，完全不具备安全性。所以，通风柜的风量为1 700 m3/h时，通过变风量蝶阀的最低风量务必要超过450 m3/h，才可让通风柜面具有足够的安全性，但文丘里调节阀只需达到300 m3/h便可。(2)应用UBC变风量控制方式。在没有人使用通风柜面的情况下，系统能够以最快的速度把通风柜的面风速从0.5 m/s下降到0.3 m/s，可减少系统运行风量，降低能源消耗。

例如，若通风柜的额定风量达到了1 700 m3/h，对比传统风量、Phoenix变风量、UBC变风量的差异性。若运行实际情况是：(1)每天在早上8点到下午6点运行，每人每天使用通风柜的平均时间是3.5 h，在此期间通风柜处于最大位置，有将近一半的时间处于1/3位置，同时不关掉最小位置。(2)每天在下午6点到第二天上午8点运行，关闭通风柜最低排风位置。晚上实验室每小时进行3次换气。而在3种方式下的系统每天运行风量情况为：常规VAV系统白天为9 458.3 m3、晚上为6 300.0 m3、总风量为15 758 m3；PhoenixVA系统白天为9 233.3 m3、晚上为4 200.0 m3、总风量为13 433.3 m3；UBCVAV系统白天为8 100.0 m3、晚上为4 200.0 m3、总风量为12 300 m3。通过对比能够了解到，和常规VAV系统相比，UBC变风量方式能够减少22%的风量。因通风机运行功率和风量近似三次方具有密切的联系，所以能够达到特别理想的节能性。

另外，实验室在具体的系统节能设计过程中，如果要满足局部排风性能需求，就需要尽可能采取局部排风，而非传统的全面排风。因为二者相比，局部排风的效率更高，与实验室自身通风控制需求也具有比较高的契合性。具体的局部排风设计可以从以下几个方面开展：首先，在高温状态实验室中，实验员可以在马弗炉的排风设计上设计钢材质的抽气罩，从而避免高温废气扩散造成破坏；其次，实验室中的气相色谱、液相色谱等常见的实验室仪器通风设计可以采取局部的万向抽气罩设计，保障仪器中的废弃能够排出到室外；最后，在实验室的配制溶液时，可以设置局部的通风柜，保证易挥发的实验室溶剂不溢出到室内。

5 结语

随着市场的需求、实验室建筑日益增多，实验室通风系统的能耗控制一直是实验室行业悬而未解的难题。一个既能满足工艺需求又能满足舒适性需求的实验室，能耗比普通办公室高6～7倍(未考虑使用时间)，不重视控制的情况下，会形成比较大的能源损耗，不符合我国一直以来贯彻和落实的可持续发展战略目标。因此，对于实验室通风气流控制系统而言，一定要确保实验性运行的安全性和通风系统达到节能效果，这样才可保证实验工作的顺利开展。为此本文对实验室气流控制系统的设计、控制措施和节能性进行了讨论，并着重强调了实验室气流控制系统要具备高调节比和迅速响应的特性。而所取得的成果会在一定程度上让实验室气流控制系统采用到最为合理的控制方式。