对化学实验室暖通控制的探讨

刘海华

（江苏正大丰海制药有限公司，江苏盐城224100）

0 引言

化学实验室与其他类型建筑的区别在于，其化学品和其他潜在危险化学物质的使用会严重影响实验室操作人员的身体健康和生命安全。但是，所有的实验室又都不尽相同，不同的实验室有着不同的危害等级和使用要求。在实验室规划或改造过程中，一系列有关安全、节能减排、舒适度的规范标准必须被采纳和参考，以确保设计解决方案最佳。

为达到上述目的，化学实验室优良的暖通设计起到关键性作用，而暖通控制方式的选择是实现上述目的的具体手段。

1 概念的介绍

1.1 实验室通风

实验室通风的核心理念在于进入实验室的空气必须排出实验室。实验室的进风量通常由送风量和渗透风量组成，其等于实验室排风量，或等于通过房间综合排风、通风柜、排气罩、生物安全柜等设备排风量和渗出风量的总和。当设计一栋带有实验室的建筑时，所有的风量必须经过详尽的计算。

在实践中，通过实验室的送风量小于排风量来实现实验室的负压。额外的排风量形成的负压环境使得新风由相邻的区域通过门缝、窗缝以及其他缝隙扩散渗透进入实验室。

1.2 确定所需送风量

确定实验室所需的送风量的3个关键参数：温度、排风和通风换气。

1.3 不同实验室所需考虑的因素

以温度因素为主导的实验室设置有大量的化学分析仪器、烘箱或加速化学反应过程的加热元器件。如果没有足够的送风量的话，这些布置仪器设备的实验室将会变得炎热，从而导致舒适度下降。灯、实验室人员甚至通过建筑围护结构的热传导均是实验室冷负荷的组成部分，确定消除房间负荷所需的新风量时必须包含上述所有负荷。然而，除了建筑围护结构的负荷以外，其他负荷需根据预期使用情况来确定。例如，考虑到实验室仪器设备的同时使用概率，可以适当地减少送风量。

排风主导的实验室，诸如教学实验室，实际上实验室布满了通风柜和排气罩。通过通风柜排出大量的空气来实现对气体、蒸汽、粒子和其他污染物的有效控制。所有实验室排出的气体，包括通过通风柜排风的气体，必须进行新风补偿以免造成实验室的负压过大。

最后，还有一些冷负荷和通风柜及其他排风设备（即便有也很少）的实验室。这些以通风换气主导的实验室仍然需要较大的送风量来稀释房间的污染物。通风率通常以每小时的换气次数（ACH）为单位，通过每小时送入实验室总送风量除以房间的体积来计算。有人占用的实验室换气次数通常按照8～10次/h考虑，无人占用时换气次数可以减少至4次/h。

2 化学实验室暖通控制方式

2.1 定风量

具有机械通风的实验室以及现在许多实验室均采用CAV定风量系统设计。顾名思义，定风量系统就是实验室的送风量和排风量都是固定不变的。

定风量系统是以通风换气主导的实验室的最好选择，这种类型的实验室的送风量由实验室的换气次数来决定。以通风换气主导的实验室，其满足换气次数、换气率要求的送风量足以消除房间的冷热负荷，满足排风设备对于补风量的需求。因此，不再需要送入额外的送风量。

定风量系统具有以下一些优点：（1）设计简单；（2）节约控制系统成本；（3）易于控制。

定风量系统具有以下几种潜在的缺点：（1）机电设备必须按照最大量来设计和选型，增加了排风机、冷水机组和其他固定设备的初投资和运行维护成本。（2）增加了设备搬迁再就位的难度。由于系统缺少压力无关性控制，设备位置的改变可能会改变暖通空调系统压力分布，从而直接导致系统需要重新再平衡。（3）制约未来的发展，有限的系统容量无法再增加额外设备。（4）系统运行不安全状态的用户提醒功能受限。定风量系统没有固有的监视器和控制器。若需符合最新规范标准，系统额外增加监视器需要额外增加费用。没有安装监视器的老旧系统无法提供不安全状态用户提醒，存在潜在的风险。

2.2 双态

最初的有关降低高持续性运行定风量控制系统的运行费用集中在无人占用的实验室降低风量上。在此情况下，当实验室在使用状态时，实验室通风系统满载运行。当实验室无人占用时，此时通风柜不会由于人为因素而产生紊流，在此情况下降低系统风量成为一种可能。

与定风量实验室相比，对于以通风换气为主导的实验室，当排风或消除负荷所需更多送风量时，此时不能使用双态控制。

双态系统与定风量系统有着相似的优缺点。其优点：（1）设计简单；（2）与变风量系统相比，控制系统成本相对较低；（3）与定风量系统相比，当无人占用时降低风量有助于降低运行成本。

双态控制系统的缺点：（1）与定风量系统一样，双态控制系统的机电设备也必须按照最大量来设计和选型，增加了排风机、冷水机组和其他固定设备的初投资和运行维护成本。（2）当通风柜等装有压力无关性的定风量阀时，此时的双态定风量控制系统，一定程度上缓解了设备搬迁再就位的难度，相对减轻了系统再平衡的工作量和难度。（3）与定风量系统一样，其制约未来的发展，有限的系统容量无法再增加额外设备。（4）缺乏系统不安全运行状态的用户提醒功能，当采用双态控制系统时，通常也没有安装通风柜面风速监视器和控制器，若需符合最新规范标准，系统则需额外增加面风速监视器和控制器。”

2.3 变风量

变风量实验室通过减少送风量和排风量满足实验室温度、通风换气和通风柜安全面风速的最小风量来实现节能减排的目的。当通风柜移门开度降低时，通风柜变风量控制器通过减少通风柜柜门开口的排风量来保持面风速的恒定，同时房间变风量控制器相应的减少送风量以实现房间的风量平衡。同样，当实验室需要增加送风量来消除实验室的冷、热负荷时，此时房间变风量控制器通过增加房间的综合排风量来实现房间的风量平衡。

与定风量和双态实验室相比，变风量实验室具有众多优点：（1）当实验室负荷减小时，送风量和排风量均会减少，需要经过空调冷热处理的新风量也会减少，节约能源消耗成本；（2）通过使用无人占用模式来实现送、排风量的减小，进一步节省能源消耗成本；（3）应用同时使用概率来减少最大设计风量，从而实现诸如排风机、管道系统和空气处理设备等固定设备较小的选型；（4）当设备位置移动或再增加设备时，压力无关性的变风量控制器调整适应系统的变化，只需在受变化直接影响的区域进行再平衡，而不需要对整个系统进行再平衡；（5）当通风柜面风速、房间压差或风量平衡达到潜在的不安全级别时，变风量控制器会通过报警来提醒用户。

2.4 同时使用概率的概念

对于实验室的暖通空调系统来说，想要系统充分发挥其潜力的话，设备必须按照预期负荷和预期风量来进行合适的选型。与其他类型实验室相比，变风量实验室可以实现相对较少风量的预期。在进行设备选型时，应考虑到同时使用概率，即不需要按照最大可能风量进行，而是应该按照预期风量来选择。

这样的确存在一定的风险，当所有设备都运行时所需风量无法得到满足。由于没有2个实验室的使用方式是完全相同的，所以，当预测变风量系统的系统风量时，同时使用概率水平必须基于每个案例逐个决定，必须咨询相关专业人员来确定实验室存在的风险级别。只有经过上述步骤，才能确定符合实际需求的预期风量。

基于考虑同时使用概率，由此产生的成本节约源于所有实验室并不会同时全流量运行的假设，这些成本节约以减少固定设备选型和投资的方式体现。一栋大楼的暖通空调系统大部分成本在于冷冻机组、风机、空气处理设备以及其他大型设备。在设备选型时，按照预期负荷而不是最大可能负荷进行，由此节约的成本可以承担额外增加变风量控制系统绝大部分的成本。同时，暖通空调设备在全流量最高效率点运行，也可以节约运行成本，此时，按照预期风量选型的设备将接近峰值容量运行而不是部分负荷运行。

3 实验室房间的压力控制

实验室相对于周围的区域保持相对较低的压力值，称之为负压，以防止污染物扩散至楼宇其他区域。

在定风量实验室中，送、排风量间的平衡总是保持一个固定的风量差值。在双态定风量实验室中，送、排风量控制在保持全流量或低风量2个状态运行。这2种类型的实验室，通常会采用文丘里阀或其他类型暖通空调控制方式。当实验室气流或压差波动时，房间监视器也可用来提醒设备维护人员和实验室操作人员。

在变风量实验室中，由于通风柜移门开度和房间冷热负荷的不断变化造成实验室的气流几乎每时每刻都在变化。某些控制系统需要调节送风量和房间排风量来保持房间压力。工程师可以根据需要来选择直接压力控制、流量跟踪控制或带压力反馈的流量跟踪控制。为了更好地为每种情况匹配最合适的解决方案，首先需要了解每个系统的局限性。

3.1 直接压力控制

直接压力控制是最简单的房间变风量控制方式。在这种控制方式下，房间控制器调节送风和排风阀门，以保持实验室与参照区域的压差稳定。无论任何原因引起的房间压力变化，控制器都将会采取适当的措施。因此，直接压力控制可以保持实验室的压差最接近设定值，这一点对于存放高风险物质的房间尤为重要。

和所有控制系统一样，直接压力控制也有其局限性。只要房间压差产生变化，直接压力控制器将会调节送风和排风阀门。有效的应用直接压力控制器需要合理设计建筑，以保持压力参照点压力的稳定。

关键要求包括：（1）保持压力参照区域的压力稳定。参造区域的压力波动直接导致房间压差的相应的扰动。（2）保持实验室门的关闭。当实验室门关闭时，建筑围护结构、门窗缝隙以及其他任何缝隙的面积是非常小的，有利于保持房间的相对密闭性。当门打开时，实验室与参数区域的压力几乎相同，为了保持实验室的压差重新回到设定值，直接压力控制器将送风阀门关至最小开度的同时，将排风阀门打开至最大开度。这种排风和送风间的巨大流量差可能导致相邻区域房间压差甚至整个大楼的压力产生影响。门磁开关可用来锁定送、排风量或减小房间压差设定值，以此来进一步缓解由于实验室门打开引起的问题。（3）如果电梯没有前厅的话，避免电梯直接开向压力参照区域。当电梯在各层之间运行时，电梯轿厢将气流不断地出入电梯井，会不断地改变相邻区域的压力。（4）避免实验室门直接开向室外。即便是实验室门关闭时，吹过的阵风或拂过建筑物的风都会影响参照区域的压力。

3.2 流量跟踪控制

流量跟踪控制设计用于维持排风量大于送风量的控制。由于排风量比送风量大，因此实验室处于负压状态。额外的排风量通常称之为补偿风量或“余风量”，实际上这部分风量通过送入相邻区域，可能通过门或其他渗透方式进入实验室。风量跟踪控制器通过调节送风和排风量来实现余风量（补偿风量）的恒定不变。

为了系统的正常运行，使用流量跟踪房间控制器必须测量所有送、排风管道的风量。房间压力不再是流量跟踪控制的一部分（即房间压力的变化将不再受监视）。开门对于直接压力控制来说是个巨大的挑战，但是流量跟踪控制可以忽略这个问题。开门造成房间压差变为零，对于流量跟踪控制来说，开门将不会直接影响房间的送、排风量，房间控制器将不会动作。因此，流量跟踪控制适用于无门敞开型实验室。

一些工程师偏好流量跟踪控制，因为送、排风量很容易预测，大大简化了风机、空气处理设备、管道系统或其他固定设备的选型。在实践中，当设计流量跟踪控制的实验室时，余风量或补偿风量是基于房间门的数量和房间渗透量来计算的。一旦实验室建造完成，对实际的余风量或补偿风量进行调整直至实验室维持明显负压。然后，房间控制器被设置用来维持余风量值。

流量跟踪控制不适用于那些存放剧毒性物质的实验室。

3.3 具有压力反馈的流量跟踪控制

具有压力反馈的流量跟踪控制结合了流量跟踪控制和房间压差测量2种技术，这种控制形式综合了单纯流量跟踪控制和直接压力控制系统的优点。

当使用压力反馈流量跟踪控制系统时，和单纯流量跟踪控制一样，所有的送、排风流量均需被监测。送、排风风量调节至一个特定的余风量值，以实现实验室的负压平衡。同时，这种综合型控制系统也测量房间的压差值。

房间控制器使用房间压力测量来缓慢地调整余风量，对房间动态的长期的变化进行更正。如果房间压差变化太快的话，房间控制器会在潜在的不安全状况下提醒设施维护人员和实验室操作人员。

因此，开门对于压力反馈流量跟踪控制来说不会造成与直接压差控制相同级别的风险。当开门时，几乎立刻造成房间压差跌至零。此时，控制系统的压力反馈原件仅仅慢速调整余风量值来实现房间压力达到设定值。在短时间内，通常是正常情况下开门，压力反馈流量跟踪控制器不会明显地调整余风量值，其送、排风量几乎保持不变。当门敞开，最终和直接压差控制一样，压力反馈流量跟踪控制将会加大排风量，同时减少送风量，以实现压力维持在设定值。

4 结语

本文从实验室通风、确定所需送风量、不同实验室所需考虑的因素几个概念入手，探讨了定风量、双态、变风量这3种化学实验室的暖通控制方式，阐述了直接压力控制、流量跟踪控制、具有压力反馈的流量跟踪控制这3种化学实验室房间的控制。总之，化学实验室暖通控制方式的选择要综合安全、节能减排、舒造、可靠的原则，以达到最佳的效果。