一种通风柜双稳态系统变风量的实验室通风系统

张 喆

（北京石油化工工程有限公司，北京 100020）

0 引言

在有人操作期间，典型的双稳态系统以最大风量运行，在无人操作期间系统以最小风量运行，投资少、运行费用高，在大型实验室难以使用。典型的变风量系统是在每个通风柜排风支管上设置压力无关型变风量排风阀，根据通风柜柜门的开启高度，自动调节通风柜的排风量，保持通风柜的面风速不变；系统中1 个或几个通风柜排风量的变化，不会引起其他通风柜面风速的变化，从而保障了操作的安全性。这是目前最节省运行费用的方法，发展、推广速度很快，但投资费用很高。

在某石化企业新建中心化验室，共2 层，建筑面积约1920 ㎡，共设有40 台通风柜和40 台万向排气罩，由于投资限制，无法采用典型的变风量通风系统，而采用典型的双稳态系统将导致很高的运行费用。

在不采用典型的通风柜变风量通风系统的情况下，还要满足健康安全的要求，降低通风系统能耗，设计的系统必须要解决3 个主要问题：一是如何实现一个通风柜门的开关基本不会影响同系统中其他通风柜的面风速；二是如何实现随着通风柜门的开关，风机转速能随之变化以降低系统的能耗；三是在排风系统风量变化时，维持实验室相对走廊和办公区域的负压。考虑该厂的化验室操作管理相对严格，该文创新地设计了一种通风柜双稳态、系统变风量的通风系统，基本解决了上述3 个问题，解决了投资和运行费用之间的矛盾。

该文结合该中心化验室的具体情况，对设计方案包括上述3 个问题的解决方案进行介绍。

1 排风系统设计方案

1.1 排风静压箱方案

根据陆耀庆主编的《实用供热空调设计手册》，排风系统中风管的压力损失如下。

式中：ΔP为风管的扬程压力损失，单位Pa；ΔP 为风管的局部压力损失，单位Pa。

其中沿程压力损失：

式中：为摩擦阻力系数；d为风管当量直径，单位m；为风速，单位m/s；为空气密度，单位kg/m³。

其中局部压力损失如下。

式中：为局部阻力系数；为风管内该压力损失发生出的空气流速，单位m/s；为空气密度，单位kg/m³。

从公式（1）～（3）中可以看出，在通风柜、风管已确定，风阀开度不变时，、、、都不变，某段风管的阻力仅风速的平方成正比。如果在同一排风系统中，一组通风柜的某段风管的阻力在其中某台通风柜排风量发生变化时维持不变则就可以解决前述的第1 个问题，即实现1 个通风柜门的开关，基本不会影响同系统中其他通风柜的面风速。

该文提出将1 组邻近的通风柜用1 个静压箱连接起来，只要维持静压箱内的静压恒定，那么同组通风柜中任一风阀动作，由于静压箱的静压不变，就不会影响其他风阀开度不变的通风柜的风量，即其他通风柜的面风速维持不变。在静压箱上选择1 处不易受进出静压箱气流扰动的位置设置压力传感器，用变频风机控制静压箱该处，静压恒定不变。

静压箱的压力设定值需要在系统安装完毕后，通过测量、调试确定。静压箱压力设定值的确定原则是，当柜门开启到最大安全高度处时，通风柜的平均面风速在0.5m/s 左右；同时同一组通风柜中任何1 个通风柜门的开、关所引起的静压箱压力变化，应能引起排风机变频器的动作。

1.2 通风柜排风阀方案

在通风柜柜门的最小开度处设置限位开关，在通风柜的排风支管上设置电动风量调节蝶阀（以下简称电动风阀），电动风阀与限位开关联锁：当柜门接触到限位开关时，电动风阀关至最小开度的位置；当柜门脱离限位开关时，电动风阀开至最大开度的位置。

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》5.2.15 第2 款“通风柜风量控制相应时间不应大于3s”的要求，电动风阀配置快速执行机构，要求从通风柜门限位动开关动作到电动蝶阀的启、闭结到位结束时间不超过2s。同时，在设计说明中要求用户在编制分析化验室操作手册时，要求通风柜操作者在离开通风柜时应将柜门关闭到限位开关处，在开启时将柜门开启到接近最大安全高度处。

通风柜调节风阀动作时会引起通风柜风量变化，静压箱的静压会相应偏离设定值，风阀开度变小，静压箱静压上升；风阀开度增大，静压箱静压下降。这时静压箱压力联动排风机变频动作，调节风机转速，使静压箱的静压值回到设定值。如此解决了前述的第2 个问题，即实现了随着通风柜门的开关，风机转速能随之变化以降低系统的能耗。

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》5.2.1 条规定：“1.处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不易低于6 次/h；2.处于非工作状态的实验室、化验室，最小换气次数不低于4 次/h。”由于该工程中心化验室全天运行，因此，每个房间最小全面通风换气次数取6 次/h。

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》5.4.5 条规定：“通风柜操作口的面风速应根据有害物种类、实验室操作特点等工艺要求确定，宜采用0.4～0.6m/s。” 该工程的通风柜面风速取0.5m/s。

根据各房间的最小换气次数和房间面积、净高度，便可计算出当该房间所有通风柜门处于关闭状态时每个通风柜的最小排风量；再根据通风柜面风速为0.5m/s 要求和通风柜的宽度，便可得到通风柜的限位开关的设置高度。

电动风阀启闭状态时的开度设定要求：在静压箱的设定压力下，通风柜门在最大安全开启高度处，当位于最大开度时，通风柜的平均面风速应维持在0.5m/s 左右；通风柜门在限位开关位置处，当为最小开度时，通风柜的平均面风速仍应维持在0.5m/s 左右。

由于静压箱的静压保持恒定，与它相连的通风柜排风支管上的电动风阀的每个开度，在通风柜柜门处于开大和关小状态下，面风速均可得到有效保证，由此保障了通风柜操作人员工作时的安全。

1.3 通风柜排风系统方案

通风系统数量越少，每套系统中的通风柜数量越多，同时使用系数降低，系统设计规模变小，投资变少。经过与上游分析化验专业人员充分的沟通讨论，将每个分析化验的房间的面积尽可能做大，通风柜尽可能成组布置且每组通风柜数量尽可能多。最终将40 台通风柜设置成6 组，相应设计了7 套通风柜排风系统，最小的1 套有5 台通风柜，最大的1 套有12 台通风柜。经过调研并与业主操作人员确认，5～7台通风柜同时使用系数取70%，8 台及以上的通风柜同时使用系数取60%。

1.4 万向排气罩排风系统方案

该中心化验室工程还有40 套万向排气罩。参考JG/T222-2007《实验室变风量通风柜》，通风柜的阻力≤70Pa，而万向排气罩的设计阻力高达500Pa。如果将万向排气罩并入通风柜系统，则将导致通风柜排风系统的风机压头大幅提高，从而增加运行能耗。因此，须为这些万向排气罩独立设置1 套排风系统。

每个万向排气罩带有1 个手动调节阀。根据调研发现，分析化验人员实际上很少有人会去操作该手动调节阀。因此，万向排气罩排风按照同时使用系数100%设计该系统的排风量。

考虑到万向排气罩有被调节的可能，按照如果使用时打开阀门，不用时关闭或者关小的要求写入操作手册，则实际执行的概率会变大，因此该系统也设置了变频风机，在排风总管上设压力传感器，用该测点的静压控制风机的变频。为了保障安全，该静压设定值为所有万向排气罩调节阀全部开启状态下该测点的静压值。

1.5 排风系统的其他方案

该工程中的加热室、药品储存间、留样间等设置独立的排风系统，其中药品储存间、留样间的排风系统24h 不间断运行，并设置备用风机。

通风柜和万向排气罩排风系统的风机露天设置在中心化验楼的屋面上，不设备用风机，但排风机全部采用直联连接，以保证风机运行的可靠性。其排风口采用无风帽排气筒高空排放。排气筒的高度为3m，位于盖楼的空气动力阴影区外；排气筒排风口的最小排风风速取4m/s，大于当地室外平均风速的1.5 倍。排风口垂直向上排放，不设任何挡雨风帽。为了减少阻力，同时保证最小系统排风量下的排风口风速不低于4m/s，并减少雨水的进入，排风筒仅在排风口处渐变成一段较小口径的排气直管，外套口径稍大的一段有一定长度的直管，这样雨水就可以沿着外筒内壁从外筒与内筒之间的缝隙流下而不会进入内筒。同时，在排气筒的最底部设排水孔，万一有雨水进入排气筒，雨水也会在重力和排气压力的作用下及时排出。

2 补风系统设计方案

该工程设置了1 套补风系统，采用1 台新风处理机组将经过过滤和温、湿度处理过的新风送入所需要的房间和走廊。送风机为变频风机，最大补风量取最大排风量的90%。

由于该工程的排风系统所采取的自控方式较为简单，电动风阀只是普通的阀门配快速执行机构，风阀的执行机构为开关量输入控制，投资费用可以有效降低但导致自控系统无法知晓各排风系统的排风量，也就不能直接采取排风量来控制送风量。通风柜门启闭时，会引起室内排风量产生较大变化。如果补风系统设计未考虑排风系统风量变化的情况，就会导致实验室出现正压的情况，使污染空气渗出试验区。为保障操作人员的职业健康安全，实验室一直保持负压，办公区一直保持正压确保分析化验室的污染空气不至扩散到其他房间，该工程的送风系统设置如下所述。

给会议室、办公室、资料室等洁净区域送新风的管道设计在送风系统末端，并设置通定风量阀。在此定风量阀前的送风管上设置压力传感器，用于控制送风机的转速，维持该测点处风管压力的恒定，来保证办公区域的房间维持基本恒定的正压。

如果新风全部送入走廊，再从走廊进入各分析化验室，相较走廊，能有效保证分析化验室处于永远负压。但因为送风量较大而走廊面积有限，会导致走廊的换气次数非常多，吹风感较为强烈。考虑到该工程通风柜有40 个，每班定员却不到10 名的情况，通风柜门同时启闭，尤其是同1 组通风柜的柜门同时启闭的数量很少，发生概率很低，因此只将部分新风定风量送入走廊。走廊的送风量为6 个通风柜的最大排风量，加上卫生间、加热室、药品储存间等房间的排风风量，以及建筑物外门关闭时的渗透风量。这样可以基本维持走廊相对实验室永远处于正压，防止分析化验室的污染空气进入走廊。

每个化验室的送风管道上设置电动风阀，用走廊和化验室之间的压差控制电动风阀的开度。走廊和每个化验室之间的隔墙上设置余压阀。走廊和化验室之间的设计压差为15Pa。余压阀的设计风量是一个通风柜的最大排风量，为1650m³/h。

对只设有轴流排风机的房间，其与走廊的连通门下设置百叶窗进行补风。

通过上述补风系统设计方案，解决了前述的第3 个问题，实现了在排风系统风量变化时，维持实验室相对走廊和办公区域的负压。

3 通风系统调试

3.1 通风柜排风系统调试

该方案的控制系统无法实现工厂初始标定，只能现场经测量、调试确定。编制的每套通风柜排风系统的调试方案如下。

第一步，静压箱静压值的设定：同一系统内的所有通风柜柜门开启到最大安全开启高度处，电动风阀全开，测量每个通风柜的面风速，通过调整电机频率，使每台通风柜的面风速不低于0.5m/s。测量此时静压箱的压力，将此压力值作为对应系统变频风机调频的设定值。

第二步，电动风阀最大开度的设定：将风机与静压箱压力传感器联锁，维持静压箱在第一步中所设定的压力值不变，同一系统内的所有通风柜柜门开启到最大安全开启高度处，调整电动风阀的开度，同时测量通风柜的面风速，当通风柜的平均面风速为（0.5±0.15）m/s 时，将这时该通风柜对应的电动风阀的开度确定为最大开度设定值。

第三步，电动风阀最小开度的设定：继续将风机与静压箱压力传感器联锁，维持静压箱在第一步中所设定的压力值不变，将所有通风柜柜门都关至限位开关处，调整电动风阀的开度，同时测量通风柜的面风速，当通风柜的平均面风速为（0.5±0.15）m/s 时，将这时该通风柜对应的电动风阀的开度确定为最小开度设定值。

第四步，检测不同通风柜使用数量下的通风柜面风速：继续将风机与静压箱压力传感器联锁，维持静压箱在第一步中所设定的压力值不变，将所有通风柜柜门都关至限位开关处，开启其中1 个通风柜柜门至最大安全开启高度处，测量各通风柜的面风速，当各通风柜的平均面风速≥（0.5±0.15）m/s 时即为通过；再开启2 个通风柜柜门至最大安全开启高度处进行测量，以此类推。如果出现某一通风柜的平均面风速≤（0.5±0.15）m/s 时，则将该通风柜对应的电动风阀开度调大，直至该通风柜的平均面风速≥（0.5±0.15）m/s。

3.2 万向排气罩排风系统调试

将所有万向排气罩延伸至工作状态，并将所有排气罩的调节阀开启到最大开度，测量排气罩口的风速，调节风机转速，使所有排气罩口的平均面风速≥（0.6±0.15）m/s，测量这时该系统排风总管上测点的静压，该值即为控制该系统风机转速的设定值。

3.3 补风系统调试

将所有分析化验房间与走廊的压差设定为-5Pa；所有排风系统调试好后，将其开到最大风量运行，将送风机转速调整到设计最大转速，测量这时在办公区域定风量阀前的送风管上的静压，将该测量值作为控制送风机转速的压力设定值。

将分析化验房间的房门关闭，通过开启、关闭通风柜门，检查该房间的压差变化情况，确认送风管上的送风电动阀开、关正确。

3.4 调试、运行结果

该工程经过调试后移交用户，用户对通风系统所达到的使用效果比较满意，顺利通过了工程验收。有其他石化兄弟企业来参观考察后，也对该中心化验室的通风方案表现出较大兴趣，希望在自己企业的中心化验室中继续采用该方案。

4 结语

该工程所设计的通风柜双稳态、系统变风量的通风系统，与典型的双稳态系统相比，投资增加不多，但由于可以根据通风柜门的开启数量自动调节排风系统的风量，使系统在满足安全性的条件下以较低排风量运行，节省了系统的运行费用（经计算，每年可以节省运行费用接近100 万）。与典型的变风量系统相比，通风柜面风速控制精度和节省运行费用方面并不突出，但由于无须使用特殊而昂贵的压力无关型变风量排风阀，大幅节省了投资费用。（压力无关型变风量自控部分的基础设计概算为300 多万，而最终该工程所设计的通风柜双稳态通风系统的自控部分供应商的中标价不到70 万）；而且，由于通风柜电动风阀是定开度的，不像压力无关型变风量排风阀会随压力变化而调整，因此系统震荡很小。

该设计方案受通风柜布置限制很大，对操作行为要求较高，因此仅适用于操作管理水平较高、通风柜布置相对集中、规模不是很大的实验室，而且现场调试的工作量比较大，在使用上受到一定的限制。