化工实验室变风量通风系统设计

高智杰

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 通风系统形式

实验室通风柜可以单独配置风机或者将多台通风柜并联，从而将这些设备集中通过1 台排风机排放。通常来说，通风系统可分为压力相关型和压力无关型。目前，工程设计中的定风量系统一般为压力相关型，该系统的定风量系统排风量不会发生变化，若系统内有多个通风柜时，则系统压力会因开启的通风柜数量变化而发生变化；值得注意的是，由于通风柜面风速会产生较大波动，因此，可能造成有害物质向室内扩散，从而影响室内气流组织及人员健康。

压力无关型系统不会因通风管网阻力特性的变化而造成各通风设备排风量发生变化。压力无关型系统可为定风量、变风量或这两者的组合。其中，“变风量系统”是指压力无关型的通风系统。对于压力无关型系统来说，其要求每台排风设备均应配备流量控制设备，故而具有2 个优势：（1）灵活性，即在增加排风设备的情况下，无须平衡整个系统；（2）可进行变风量控制，即能够利用系统的参差性。

目前，更多的化工实验室往往都倾向于采用变风量通风系统，这在提升实验室内空气质量的同时，还增加了系统的灵活性。

2 变风量通风系统的组成

化工实验室变风量通风系统由变风量排风系统和变风量补风系统组成：

1）变风量排风系统通常由排风设备（通风柜、万向排风罩、吸收罩、通风型试剂柜等）、变风量文丘里阀、定风量文丘里阀、风管、排风机及控制系统组成。其中，排风机通常“一用一备”，以保证排风系统的安全可靠。

2）变风量补风系统通常由送风口、变风量文丘里阀、定风量文丘里阀、全新风空调机组及控制系统组成。

3 变风量通风系统的控制

变风量通风系统控制目标为：（1）保证实验室工作人员的健康及安全；（2）正确控制实验室通风柜的排风，以保证通风柜面风速；（3）正确控制实验室补风，从而保证实验室空气的流向。

3.1 通风柜排风控制

在通风柜排风管上安装变风量文丘里阀。当通风柜调节门移动时，调节门位移传感器会将调节门开度信号传输给通风柜监控器，而监控器则计算出当前通风柜所需的排风量，并使文丘里阀在规定时间内调整至设定值，以控制通风柜面能够保持风速恒定（0.5 m/s 左右）；当调节门关闭后，通风柜就会维持最小排风量。值得注意的是，由于文丘里阀受控于通风柜监控器，因此可以实现通风柜变风量控制。

3.2 房间通风控制

在通常情况下，气流都是从办公室、走廊和辅助区域进入实验室区域。因此，相对于楼宇内的其他房间或空间，实验室均应维持负压。对此，实验室房间通风控制方式一般有压差控制、流量追踪控制：

1）压差控制能够维持实验室与走廊的压差，但存在房间开门时控制不精确且响应慢或不稳定等问题；

2）流量追踪控制可以维持恒定的补风量；

3）控制器会实时计算实验室内所有通风柜、排气罩、排风口的排风量总和，从而调节房间补风量，使排风量与补风量之差恒定，以避免压差控制所带来的问题。

3.3 通风系统控制

由于变风量通风系统通常服务房间多、区域较大，因此各实验室送、排风量的变化必然会引起系统风量和压力变化。针对这一情况，为了使通风系统的文丘里阀前后压差保持在其正常工作范围内，通风系统需采用定静压变频控制方式，且在送、排风主管道的末端1/3 处，不仅要设置静压传感器来测量风压变化[1]，还要设置DDC 控制器接收传感器信号以及设置输出变频器控制信号，从而调节送、排风机的转速，以更好地保持风管内的静压。

4 工程实例

以青海西宁某项目中央化验室为例，介绍化工实验室变风量通风系统设计。建筑面积为6 478.0 m2，共3 层。通风系统设计以竖向分层，横向按防火分区设置；由于灰分分析间散发高度危害物质，故设置独立排风系统，不影响其他排风系统的安全。本项目共设置9 个排风系统和3 个送风系统。

4.1 变风量通风系统主要设计参数

通风柜采用变风量控制来确保通风柜的安全防护性能。另外，在控制操作过程中，各组成的部分的主要设计参数为：

1）通风柜安全面需保持以下数据：（1）风速0.5 m/s；（2）变风量响应时间≤1 s；（3）面风速偏差≤±0.1 m/s；

2）各通风设备排风量为：（1）1.8 m 标准变风量通风柜为300～2 000 m3/h；（2）原子吸收罩为600 m3/h；（3）万象抽气罩/通风型药品柜为200 m3/h；

3）实验室排风量与送风量之差按照房间2 次/h 换气进行计算，风量从房间缝隙渗入；

4）根据HG/T 20711—2019《化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范》的规定，处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不应低于6 次/h[2]。

4.2 实验室风量计算

实验室最小排风量必须满足最小换气次数，排风量与送风量之差保持恒定，保证实验室安全。当新风处理到室内状态点送入室内时，新风不承担室内负荷。本文选取环保大气分析室为例计算实验室通风量，房间体积350 m3，设置2 个1.8 m台式通风柜，2 个万象抽气罩，1 个通风药品柜，房间通风柜按全部同时使用考虑。房间计算风量如下：

1）通风换气量为350×6=2 100 m3/h；最小排风量为300×2+200×2+200×1=1200 m3/h；

2）最大排风量为2 000×2+200×2+200×1=4 600 m3/h；

3）由于房间最小排风量小于房间通风换气的要求，故需要设置定风量辅助排风口， 辅助排风口风量为2100 -1200=900 m3/h；

4）房间排风量为2 100～5 500 m3/h。房间新风量为（2 100～5 500）-350×2=（1 400～4 800）m3/h。若房间通风柜数量≥4 个，考虑通风柜不同时使用。

根据排风系统划分，可计算本系统内各房间排风量（见表1）。

表1 通风量汇总表 m3/h

4.3 系统风量计算

变风量通风系统服务除房间较多外，所带通风柜也较多。因此，考虑到通风柜有不同时使用的情况，在计算系统最大风量时，应关注通风柜的同时使用系数，同时使用系数取0.6～0.7。不仅如此，还可以参考同时使用系数的方式，来减少通风设备容量、风管尺寸及建筑空间，以进一步节省投资。经检测，该系统的风量为：

1）最大风量：Σ[通风柜数量×2 000×（0.6～0.7）+ 定风量排风设备排风量+ 辅助排风量]=19 840 m3/h；

2）最小风量：Σ[通风柜数量×300+ 定风量排风设备排风量+ 辅助排风量]=9 030 m3/h；

同理，新风可系统根据所服务房间，计算出新风系统的最大风量和最小风量。

4.4 文丘里阀的选型

在文丘里阀的选型上，相关要点有：

1） 大气分析室每个通风柜设置1 个变风量排风文丘里阀，万向罩、药品柜、辅助排风等定风量排风设备共设1 个定风量排风文丘里阀；房间设置1 个变风量送风文丘里阀。

2）文丘里阀可根据风量进行选型；阀门的压降在150～750 Pa 时流量与压力无关；风量控制精度需达到控制风量的±5%；阀门安装前后无须直管段。

3）变风量阀：48 个出厂标定点；阀门调节开度信号与风量值相对应，提供实时风量反馈信号；最大及最小精确风量调节比＞16∶1；变风量响应速度＜1 s；平衡风管内压力的波动时间＜1 s。

4）定风量阀：出厂需标定固定风量位置。

4.5 排风系统设计

排风系统的风管、风阀等需耐酸碱腐蚀防腐处理。其中，排风系统采用楼顶排放方式，排风机安装在屋面；而风机则选用优质耐酸碱腐蚀的离心风机，且需保证“一用一备”。

对于从实验室通风柜及其他特殊排风系统排出的气体，应保持其相对于屋顶有足够的高度及射流速度，从而保证其有效排放，以防止回流而影响工作人员的安全。一般来说，排风会通过圆锥形风帽排放至高空，且通常高出屋面3 m 以上，排风口射流速度≥15.3 m/s。

4.6 新风系统设计

新风机组普遍选用组合式新风机组，并安装在各层空调机房内。机组由新风段、初中效过滤器段、电加热段、热水加热段、干蒸汽加湿段、送风机段组成。在冬季，新风处理到20 ℃、50%的状态点后，即会送入化验室以维持实验室压力平衡。由于本项目位于青海西宁，该地夏季空调室外计算干球温度为26.5 ℃，与室内设计温度基本相同，所以夏季、过渡季节室外新风过滤后可直接送入实验室，不需要冷却。

新风机组热源为95 ℃/70 ℃热水，加湿介质采用0.2 MPa的蒸汽。若厂区无95 ℃/70 ℃热水，则开启机组就需要电加热器来进行加热，从而提高送风温度来满足室内温度要求。除此之外，电加热器还有1 个优点，即：能够同时解决热水盘管冬季的防冻问题。

5 结语

本文介绍了化工实验室变风量通风系统的组成和控制，并结合实际工程案例分析了实验室风量、变风量系统风量的计算方法以及送、排风的系统设计，可为相关人员提供参考。