南京某大学实验室通风系统设计

南京邮电大学 李智超

1 项目概况

南京某大学材料学学科楼总建筑面积19 443.59 m2，地上4层、地下1层，建筑高度23.90 m。地上建筑面积14 904.50 m2，地下建筑面积4 539.09 m2。实验楼1层层高5.4 m，2～4层层高均为4.5 m。

1层由办公室、会议室、11间仪器分析室、4间超净实验室(预留)、4间分析实验室组成；2层由办公室、会议室、21间模块化无机实验室组成；3层由办公室、会议室、7间模块化无机实验室、14间模块化有机实验室组成；4层由办公室、会议室及21间模块化有机实验室组成。

实验楼主要以开展分析化学、有机化学、无机化学等科研实验为主，引入PI制管理模式。在实验过程中可能会使用或产生《全球化学品统一分类和标签制度》(GHS)中如下化学品：H331(吸入会中毒的气体、蒸汽、粉尘、烟雾类物质)、H332(吸入有害的气体、蒸汽、粉尘、烟雾类物质)、H333(吸入可能有害的气体、蒸汽、粉尘、烟雾类物质)、H334(吸入可能引起过敏或哮喘病症状或呼吸困难类物质)、H335(可能引起呼吸道刺激类物质)、H336(可能引起嗜睡或头晕类物质)等。

2 局部排风设备(暴露控制设备)选型

排风柜、原子吸收罩、万向排气罩、通风试剂柜等局部排风设备旨在通过“源头控制”最大限度地减少实验室科研人员化学暴露的风险，提供主要的工程控制和职业健康防护手段。因此，选择和应用合适类型的局部排风设备对实验室内各类空气传播的危害源的暴露风险控制、提升实验室安全性能和安全等级都至关重要。

排风柜是目前应用最为广泛的局部排风设备(见图1)，其应用场景涵盖化学品用量和潜在化学物质产生率从低到极高、风险等级由低至极高水平的全面暴露风险防护。万向排气罩仅用于潜在化学物质产生率较低的低风险等级的应用场景。

图1 不同局部排风设备应用范围[1]

综合考虑材料学学科楼实验工艺、化学品用量、潜在化学物质产生率、实验室风险等级等，结合实际使用需求，28间模块化无机实验室每个实验单元均设置1台FGT-150型排风柜、1台通风试剂柜、1个万向排气罩，35间模块化有机实验室每个实验单元均设置6台FGT-150型排风柜、2台通风试剂柜、2个万向排气罩。

3 变风量控制系统

3.1 排风柜变风量控制

排风柜变风量控制策略可分为2类：1) 通过安装在排风柜侧壁或顶部的面风速传感器或其他技术来测量排风柜面风速，通过对变风量蝶阀的调节来维持所需的预先设定的面风速；2) 位移传感器测量排风柜拉门开度，变风量控制器计算出维持预设面风速所需的排风量，控制器对变风量阀门进行调节与控制以确保实际排风量为所需风量。变风量阀门的风量控制形式可以采用实测风量的“闭环控制”，也可采用线性校准的变风量文丘里阀来“开环控制”风量。

3.2 实验室变风量控制

实验室变风量控制主要有3种控制策略：直接压力控制、风量追踪控制、串级控制。

1) 直接压力控制(见图2)。直接压力控制策略通过测量实验室与压力参照区域的压差，通过调节进入或排出实验室的风量来维持所需的压差。此种控制策略的难点在于：在实验室开门时如何保持压差；如何找到合适的压力传感器安装位置并持续稳定的测量压力；如何保证实验室良好的密封性；如何保证压力传感器的精确性。

图2 直接压力控制原理

2) 风量追踪控制(见图3)。风量追踪控制策略通过既测量排风量(或通过阀门风量反馈值进行汇总求和)又测量送风量(或通过阀门风量反馈值进行汇总求和)，并控制送风量与排风量的差值以保持所需的压差。在进行风量追踪控制设计时，补偿风量一定要大于阀门流量测量的精度及控制系统的控制误差，避免出现气流逆转。

图3 风量追踪控制原理

3) 串级控制(见图4)。串级控制策略通过测量实验室与压力参照区域的压差以重置流量追踪的压差设定点，串级控制具有直接压力控制和流量追踪控制的优点。

图4 串级控制原理

3.3 风机变风量控制

风机变风量控制策略可分为3类：定静压控制、变静压控制、总风量法控制。

1) 定静压控制。定静压控制法的最大优点是控制简单，目前大多数变风量系统都采用此种控制方法[2]。定静压控制法简单、易于实施，但其缺点也较为明显，主要表现为静压波动影响大和静压设定值的确定难这两方面。

2) 变静压控制。采用基于变风量末端风阀阀位反馈，结合自控系统对静压值根据需求实时重新设定，以满足变风量末端阀位在70%～90%范围内。

3) 总风量法控制。基于风机相似律，建立设定风量与风机设定转速的函数关系，无需静压测定，用各变风量末端装置需求风量求和作为系统设定总风量，直接求得风机设定转速[2]。

该项目排风柜变风量控制根据防腐工艺需求、系统响应速度、性价比、安装尺寸等因素综合考虑，选用第二类控制策略，采用位移传感器+实测风量的“闭环控制”变风量防腐型蝶阀控制系统，变风量排风柜性能满足JG/T 222—2007《实验室变风量排风柜》标准要求。实验室变风量及压力控制采用基于实验室总排风量与新风机开启数量逻辑联动的控制方法。风机变风量控制采用基于定静压控制优化的双静压点控制法，当系统中变风量末端处于节能模式(实验室无人占用)时，静压控制器将自动切换至节能模式运行，此时风机按节能模式的静压设定点运行，进一步降低风机运行能耗。

4 风量平衡

4.1 换气次数确定

1) JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》中表8.1.3科研建筑室内设计参数中指出，化学类实验室换气次数为3～4 h-1[3]。

2) 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》中第5.2.1条规定，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 h-1，处于非工作状态的实验室、化验室，最小换气次数不宜低于4 h-1[4]。

不同风险控制等级对应换气次数见表1。

表1 不同风险控制等级对应换气次数[5]

基于实验过程中使用和潜在产生的危险化学品GHS分类、用量、潜在产生量等方面对各类型实验室通风风险进行评估，同时综合考虑国内规范标准要求，有机实验单元参照实验室通风风险评估LVRA-3级来设计，无机实验单元参照LVRA-2级来设计。换气次数最终确定为：有机实验单元8 h-1(有人占用时)，4 h-1(无人占用时)；无机实验单元6 h-1(有人占用时)，4 h-1(无人占用时)。

4.2 风量平衡

实验室送风量依据实验室的热舒适性、换气次数，补偿通过排风柜、生物安全柜或其他局部排风设备排出的风量，实验室压力控制要求、环境控制来确定，以满足实验工艺和实验标准的需求。

风量平衡按照下式计算[6]：

GZJ+GJJ=GZP+GJP

(1)

式中GZJ为自然进风量；GJJ为机械进风量；GZP为自然排风量；GJP为机械排风量。

4.3 压力梯度

采用缝隙法计算漏风量[7]：

(2)

式中L为漏风量，m3/h；E为缝隙流量系数，本项目取0.5；F为缝隙面积，m2；Δp为室内外压差，Pa；ρ为空气密度，通常取1.2 kg/m3。

5 有机实验单元典型实验室设计

该项目实验室均采用模块化、无吊顶设计。实验室按照功能用途分为：仪器分析实验单元(15个模块)、无机实验单元(28个模块)、有机实验单元(35个模块)。

有机实验单元面积52.5 m2，层高4.5 m，工作状态按换气次数8 h-1设计，无人占用时按4 h-1设计(见表2)。有机实验单元布置6台变风量排风柜、2个万向排气罩和2台通风试剂柜(见图5)。为避免排风混合产生交叉反应，每个实验单元独立1套排风系统(见表3)，所有实验单元排风均经废气处理装置处理后高空排放。

表2 有机实验单元不同模式下风量计算

图5 有机实验单元平面布置(单位：mm)

实验室采用变风量通风系统(见图6)，综合考虑实验新风和压力控制工艺需求，有机实验单元采用吊装6台管道静音风机，单台送风量1 050 m3/h，送风机启停控制与实验室总风量逻辑联动控制(见表4)，采用静压箱型送风口送风，尽量减少由于送风对实验单元气流组织和横向气流的干扰。

实验单元送风机开启数量N按下式计算：

(3)

式中QFH为排风柜排风量，m3/h；QW为万向排气罩排风量，m3/h；QG为通风试剂柜排风量，m3/h。

表3 有机实验单元排风系统风量计算

图6 有机实验单元控制流程图

当N<6时，对计算结果N取整，即为开启送风机数量；当N≥6时，开启全部6台送风机。

当实验单元无人占用时，通过一键节能按钮，实验单元切换至节能模式运行。不同运行工况及运行模式下风量对比分别如表5、6所示。

由表5、6可知，相较于定风量系统，变风量控制系统在提升实验室整体安全性能、系统设计、节能减排、运维调适等方面具有优势。

表4 送风机启停数量逻辑联动控制关系

表5 变风量控制系统不同运行工况对比

表6 定、变风量系统运行对比

1) 通过对排风柜面风速的精确控制来提升排风柜作为实验室第一道安全屏障的安全性能。

2) 通过对实验室稳定、可靠的压力梯度控制形成定向气流，提升实验室作为第二道安全屏障的安全性能。

3) 在设计阶段，通过合理利用“同时使用率”来优化系统设计，从而实现减小诸如排风机、管道系统、新风机、新风空调箱及主机(如有)等机电设备选型规格，可降低初始投资及后期运维费用。

4) 当变风量排风柜无人操作时，通过自动门管理系统或者手动关闭排风柜拉门来减少其排风量，提升安全性的同时实现节能减排。

5) 当实验室整体排风量减小时，变风量控制系统对送入实验室的送风量进行调节，送风量也随之减小，具有节能作用。

6) 通过变风量控制系统产品的无人占用运行模式，当实验室无人使用时系统可进入节能模式运行，减少对送排风量的需求，实现节能减排。

7) 通过对排风机、新风机、新风空调箱(如有)进行变频调节来减少其风机的运行能耗。

8) 当实验室排风设备位置移动或新增设备时，压力无关型变风量控制系统自动调整，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，简化调适和运维。

9) 当排风柜面风速、实验室压力或风量平衡、风机变风量控制达到潜在的不安全级别时，变风量控制系统会通过报警来提醒用户，提升实验室的整体安全性。

6 排风管道材质探讨

1) GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中第9.3.14条规定，“除下列情况外，通风、空气调节系统的风管应采用不燃材料：1.接触腐蚀性介质的风管和柔性接头可采用难燃材料……”[8]。

2) JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》中第8.3.5条规定，“实验室排风系统的排风装置、风管、阀门、附件和风机等选材应符合下列规定：1.应采用不燃烧材料制作。2.应综合考虑排风内有害物对系统风管、阀门、附件和风机等选材的影响”[3]。

3) ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第5.4.2.2条指出，固体塑料管道通常具有良好的耐腐蚀性能，但当地消防部门可能会不接受[9]。

就材料特性来看，达到难燃B1级同时兼具耐腐蚀性能和经济性能的材料主要为无机玻璃钢材质(防火等级可达到A1不燃)，但其生产工艺相对较落后。

不锈钢材质管道易受酸和氯化物的侵蚀，具体取决于铬镍的含量，且不锈钢管道造价较高，大范围使用难度较大。

镀锌钢板材质管道易受酸碱的腐蚀，不满足耐腐蚀工艺要求。

项目筹备阶段对已完成实验室项目调研时发现，目前实验室建设项目中普遍使用聚丙烯(PP)或硬聚氯乙烯(PVC)材质作为排风管道。对板材生产厂家调研时发现，板材生产厂家基本无法提供满足GB 8624—2018《建筑材料及制品燃烧性能分级》中难燃B1等级测试报告。同时，GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》中也去掉了对于聚丙烯(PP)材质作为管道的质量验收要求。

综上所述，该项目选用具有耐腐蚀性能同时兼具满足建筑设计防火规范要求的无机玻璃钢材质的排风管道。

7 防火阀设置问题探讨

1) GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中第9.3.11条规定，“通风、空气调节系统的风管在下列部位应设置公称动作温度为70 ℃的防火阀：当建筑内每个防火分区的通风、空气调节系统均独立设置时，水平风管与竖向总管的交接处可不设置防火阀”[8]。

2) JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》中第8.3.7 条规定，设在建筑物室内的竖向排风管应设在排风管井内。水平风管与竖向排风管连接处应设防火阀。当接触强腐蚀性物质的排风管道采用分层设置独立系统，且其水平风管不跨越防火分隔，竖向风管安装在具有足够耐火极限的管井内时，系统风管可不设防火阀[3]。

3) ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第5.4.3.7条指出，出于以下几个方面考虑，实验室排风管道系统不得设置防火阀：防火阀的误动作将会切断实验室一个或者更多排风柜的排风系统，可能会导致科研人员的意外伤害和化学暴露的风险增加；当实验室发生火灾时防火阀被激活，化学排风柜的排风系统被切断，迫使柜内变成正压，此时，火灾很可能从具有防火能力的排风柜扩散至实验室；当实验室一个或者多个排风柜排风系统被切断时，相较于走廊，实验室可能会变成正压环境，有助于燃烧产物扩散，致使火灾蔓延至其他相邻区域[9]。

从中美规范标准对比中发现，美国标准不主张在实验室排风系统中设置防火阀。在该项目中，每个实验单元均分层设置独立系统、水平风管不跨越防火分区且竖向风管安装在具有足够耐火极限的管井内，因此，水平风管与竖向总管交接处均不设置70 ℃常开防火阀。

8 废气处理工艺的选择

有机和无机实验单元排风均采用“湿法喷淋+干法吸附”废气处理方式，使其有害物质浓度低于环保要求排放允许限值。GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》大气污染物排放限值如表7所示。该项目中所有排风机均设置在18.85 m(结构标高)的屋顶并高出屋面3 m排放。

表7 GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》大气污染物排放限值[10]

ANSI/AIHA Z9.5-2012《Laboratory ventilation》中第9.2条规定，如有需要，实验室排风系统的空气净化系统应由负责人设计或指定，以保证空气净化系统满足监管合规所需的性能指标[9]。

由于科研未知性的特点，实验室废气的组分复杂，通常为混合型废气类型。同时，实验室废气呈现出风量大、浓度低、组分复杂、无规律等特点，极大地增加了实验室废气源确定的难度。

该项目采用组合式废气处理方式，将“湿法喷淋+干法吸附”相组合，针对实验室混合型废气具有处理针对性强、效率高等特点。在废气处理过程中，先采用湿法喷淋处理，“气相”废气与“液相”定制化吸收液在比表面积大的鲍尔环填料表面充分接触并产生反应，从而实现对废气的洗涤处理。经除雾处理后进入活性炭吸附段，依靠吸附剂自身独特的孔隙结构及大的比表面积，通过分子间引力(范德华力)对吸附质进行吸附，吸附法对有机废气具有较好的针对处理效果，再经吸附处理后达标排放。最大限度地减少活性炭的用量及活性炭固废的产生，减少后期的运维费用。

在实验室废气处理过程中所产生的废液由该项目配套的废液处理设施处理并实现达标排放，活性炭固体废弃物由具有处置资质的公司统一回收并进行无害化处理。在项目投入运行后，将定期对实验室废气排放浓度和排放速率进行检测，确保持续达标排放。

9 结语

局部排风设备旨在通过“源头控制”最大限度地降低实验人员化学暴露的风险，因此选择合适的局部排风设备对于提升实验室安全性能和安全等级均起着至关重要的作用。

变风量控制系统在提升排风柜作为第一道安全屏障和实验室作为第二道安全屏障的安全性能方面发挥着极其重要的作用，同时为实现“双碳”背景下的实验室的节能减排起着重大作用。

在材料选择、防火阀设置等方面均应满足GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的要求。在满足规范要求并征得当地消防部门许可的情况下，尽可能考虑其他国家好的技术措施和方法。

针对高校实验室废气所呈现出的风量大、浓度低、组分复杂、无规律、废气源确定难等特点，应采用多重组合式处理方法并举，避免采用单一处理方式并尽可能减少固体废弃物的产生，实现达标排放和减少运维费用的目标。