实验室气流控制的安全性设计

于承志 倪训松

摘要：洁净实验室的建设过程中，气流控制的效果直接关系到实验室的安全标准能否实现。本文从暖通自控的角度重点阐述了实验室气流控制需要考虑的几个重要参数。

关键词：气流控制 面风速 响应时间 负压 压力无关

目前，在我国洁净实验室的发展进入了一个新的发展阶段，在实验室的建设中对通风控制有着严格的要求，洁净度、压力、自控等都围绕暖通来展开，这是实验室建设工程中的重要一环，也是实验室安全保障建设的重要方面。

实验室的通风设计首要解决的问题是安全性问题，通风柜的捕捉集尘能力要符合一定的标准和规定，气流方向为流向实验室，实验室要随时保持负压。

传统的实验室控制方式采用的是定风量控制方式。70年代，又出现了双稳态控制方式，通过不同工况下的气流控制以提高效益，例如降低夜间设定值。80年代出现的变风量控制方式是更加复杂的实验室气流控制方法，在这种方式下，空气流量根据通风柜调节门位置进行变化。目前，新的控制方式是适应性的控制方式，气流速率保持在最低安全限上，根据使用者的状态进而调整通风柜的工况，系统响应灵敏，控制精确，确保人员安全，尽量降低能源消耗及维护费用。为了确保操作人员及环境的安全，以下几点是现代实验室建设需要重点考虑的因素。

一、稳定的通风柜面风速

在定风量通风系统中，当调节门降低时，会产生多余的面风速，从而产生涡流干扰，影响通风柜集尘能力，释放出有毒颗粒。变风量的通风控制系统中，排风量和调节门开度为线性函数关系，如60%的流量对应60%的调节门开度，通过这一闭环控制系统，可以保持通风柜开口的面风速恒定，消除面风速过大产生的风险。

通风柜有效的面风速设定值，通用的工业标准是60—100fpm（0.3—0.6m/s），一般100pfm(0.5m/s)被接受作为安全运行标准。图1所示，操作人员的移动在面风速80—100 fpm时对集尘几乎没有影响，但在80 fpm以下时会有扰动影响。在没有操作人员移动时，60 fpm 以下一般性集尘可以实现。

图1 操作人员对通风柜保护性能的影响

二、快速的系统响应时间

该响应时间主要是指实验室范围内通风柜及其阀门调节系统。响应时间的大小将直接决定气流控制的效果。快速、稳定的控制会防止有毒颗粒跟随调节过程可能产生的振荡或过冲逸出通风柜。排风量对调节门开度的快速响应时间必须在调节门到位后1秒钟内达到其指令值，有效保证通风柜的集尘能力。图2中从调节门移动到通风柜排风量的总的响應时间大约0.6秒。缓慢的响应时间将会产生多余的面风速，危害到实验的安全，例如燃烧器被吹灭，器皿被吹翻，或者药品等受到损失。

图2通风柜响应速度测试

三、保证房间压力

房间净负压主要控制房间气流由外到内的流动，防止房间外部被污染，是实验室安全控制的一个重要指标。负压的产生也就是房间的排风量或补风量和送风量之差等于房间的余风量。余风量是送风以外从房间门、传递窗或其他缝隙进入房间的空气量。

当房间温度调节与通风所需气流量大于通风柜所需气流量的时候，房间的送风量增加了，这就要求控制系统还必须把这部分“过剩”的送风量排出去，以保证房间负压。实验室总的空气交换率由总的排风、制冷负荷和最低通风率决定。最小通风速率一般为占用时每小时 6–10 次换气。这可通过增大房间综合排风阀门的开度来实现，该控制涉及房间总送风量和排风量的计算，以及信息采集、风机变频的控制等，系统调试的难度大为增加。

四、压力无关性

通风柜调节门的移动造成风量快速变化导致风道静压发生变化，或者在通风柜面风速未要求变化时，总管中风压的变化也会引起排风柜上部支排风管道中风压的变化，如果此时风量控制系统不能化解管道的风压变化，就会使排风柜的排风量变大或变小，进而影响此时本该稳定的面风速。

传统的变风量调节系统是根据管道的压差反馈信号进行排风量的调节，响应速度一般在20~30s之间，为了保证实验室的安全性，实验室气流控制系统的响应时间必须控制在1s之内。目前，采用文丘里阀的通风柜控制系统可以很好的解决这一问题。

阀门是一个椎形的构造，内置不锈钢弹簧，根据系统压力的变化调整文丘里打开的面积，以维持固定的空气流量。压力降低时，弹簧张开，阀芯分离，增大通风量，如图3；压力增大时，弹簧压缩，阀芯接近，减少通风量，如图4。

图3图4

五、精确的控制系统

系统排风量控制如果不能跟随风管内静压的变化快速、精确的变化 ，就会造成排风柜流量无法精确控制，而产生振荡（如图5），将会使房间压力变成正压或者增大房间余风量的要求。风速的不稳定会产生大量的平衡问题，波动的送、排风系统使气流平衡复杂化，自控系统实现自动调节功能将变得更加困难。

面风速要在一个大的风量控制范围内得到精确控制。在达到理想的控制值时，控制系统应保证调节的过调量和欠调量小于5％，确保通风柜的集尘能力及操作人员的安全。

图5气流的振荡

完备的通风及控制系统确保实验室的安全性，这也是关系到实验室建设的成败的关键。因此系统的设计、设备的配置等必须满足以上所讲到的几点基本要求，但高标准、高质量的实验室不仅仅局限于此，还要解决好温度、气流、噪音的问题，同时要保证最低的能源消耗，系统稳定，容易控制，易于操作管理。简而言之就是要从安全、舒适、节能、可靠运行方面进行全盘的考虑设计。

参考文献

1. GB 50346-2004《生物安全实验室建筑技术规范》

2.<美>丹尼尔•••D••沃奇/帕金斯与威尔公司 2004 研究实验室建筑 中国建筑工业出版社

3.费根林 化学实验室通风空调系统工艺设计方案探讨 2005年1期 科研工程

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。