某有机化学实验室项目通风空调系统设计

2024-02-20吴玲红

暖通空调 2024年2期

吴玲红

(华东建筑设计研究院有限公司,上海)

0 引言

随着科学技术的不断发展,越来越多的科研机构、高等院校和生产企业通过科学实验来提升科学技术能力和发展生产力,各类实验室在科学研究中的重要性越来越大。

实验室是用于从事科学研究和实验工作的场所,按照学科可以分为生物、化学、物理等实验室。化学实验室在进行化学实验时会产生有毒有味气体,这些气体会给实验环境造成污染,给实验人员造成危害,所以通风系统在实验室项目设计中很重要。有机化学实验室根据功能可以分为合成实验室、分析仪器实验室等,不同功能的实验室通风量、室内温湿度等要求不同,应采用合理的通风空调系统。

本文结合实际工程,介绍了合成实验室和分析仪器实验室的通风空调设计,并对这2个不同功能实验室的通风空调系统进行了分析和比较,希望给实验室项目的通风空调系统设计提供一些参考。

1 工程概况

该工程位于上海,其标准有机化学实验大楼共9层,除1层为门厅、机房、会议等功能用房,2～9层均为实验室功能楼层。每个实验室楼层中,有9间合成实验室、3间分析仪器实验室。每间合成实验室面积约为70 m2,每间分析仪器实验室面积约为40 m2。实验室标准层平面图见图1。

图1 实验室标准层平面图

该项目建设阶段并不能确定实验室具体使用者,故实验室工艺根据统一要求进行设置,满足未来不同科研机构的入驻使用要求。

合成实验室及其办公室组成1个实验组,办公室为进行实验的科研人员办公的房间。合成实验室内以设置排风柜为主,排风柜数量较多,房间通风量大,仪器设备不多,室内温湿度要求不高。

分析仪器实验室中排风柜数量不多,房间通风量不大,但房间内有较多的仪器设备,对温湿度有一定的要求,并有一定的仪器设备发热量。

不同功能的实验室内部配置的实验设备不同,对室内环境的要求也不同,通风空调系统的设计采用了不同的考虑。合成实验室夏季室内设计参数为干球温度28 ℃、相对湿度65%,室内负荷不大,室内温湿度要求不高,新风经冷热等处理后送入房间,房间内不另设空调末端;分析仪器实验室夏季室内设计参数为干球温度24 ℃、相对湿度60%,室内仪器设备负荷较大,新风经冷热等处理后送入房间,房间内需另设空调末端。

2 实验室通风量的确定

有机化学实验室排风量根据实验室内的排风柜、药品柜、肘状排风罩等设备的排风量要求确定,同时应满足实验室换气次数要求。实验过程一般有污染物产生,要求房间为负压,新风量根据排风量及房间负压要求计算确定。

2.1 排风量的确定

该项目合成实验室和分析仪器实验室配置的通风设备及排风量见表1。

表1 实验室设备及风量

根据实验室相关规范和标准,有污染物产生的实验室换气次数不应小于6 h-1[1]9。实验室通风系统夜间按最小风量运行,合成实验室最小排风量大于满足换气次数要求的排风量,不另设房间排风口,每间房间总排风量为10 280 m3/h。分析仪器实验室另设置房间排风口,按换气次数计算风量为720 m3/h,每间房间总排风量为2 180 m3/h。可以看出,不同功能实验室的排风量差异较大。

2.2 新风量的确定

有机化学实验室内均考虑有放散污染物质,因此房间需保持相对于相邻走道或房间5～15 Pa的负压值[1]6。新风送风量经风平衡计算得出,式(1)为风平衡计算公式。

Gs=Gp-Gr

(1)

式中Gs为新风送风量,m3/h;Gr为通过门窗缝隙流入的风量,m3/h;Gp为机械排风量,m3/h。

该项目计算中实验室压力为-10 Pa,相邻的办公室压力为5 Pa,考虑到风压作用,室外压力取5 Pa。通过门窗缝隙流入风量包括内门和外窗两部分,需计算确定。

通过门窗缝隙流入的风量与门窗的特性有关,各种参考文献中有多种计算方式,该项目通过比较,参考洁净厂房通风空调常用的方式,按缝隙法进行计算。

1) 通过内门流入的风量Gr1：

(2)

式中CD为排放系数,一般取0.4～0.6;A为缝隙面积,m2;Δp为缝隙处压差,Pa;ρ为空气密度,kg/m3。

计算条件及结果见表2。

2) 通过外墙窗缝流入的风量Gr2与幕墙性能有关,参考GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》

表2 内门流入风量计算条件及结果

中表7(围护结构单位长度缝隙的渗漏风量)的数据,在压差15 Pa的条件下,单层固定密闭钢窗单位长度渗透风量为1.3 m3/(m·h),单层可开启式密闭钢窗单位长度渗透风量为6.0 m3/(m·h)。

该项目合成实验室和分析仪器实验室外墙条件相同,固定窗的窗缝长度为19.2 m,可开启外窗的窗缝长度为12.8 m。经计算,每间实验室Gr2为102 m3/h。

3) 根据上述计算,每间合成实验室新风送风量为9 815 m3/h,约为排风量的95%;每间分析仪器实验室新风送风量为1 715 m3/h,约为排风量的80%。

因不同实验室排风量差异较大,而渗透风量与门窗性能和参数有关,相对变化较小,若该项目的2个实验室的内门和外窗参数一致,流出风量相同,则新风量的确定不能简单取经验系数,尤其是对于排风量较大的实验室,应通过计算确定。若新风量偏小,会使实验室内负压加大,增加与办公室之间的门缝流入的空气量,引起对办公室室内环境的不利影响。

2.3 通风系统设计和系统风量的确定

合成实验室和分析实仪器验室设计要求不同,风量差异较大,室内温湿度要求不同,故分别设置新排风系统。

该项目新风系统和排风系统按楼层设置,9间合成实验室合用1套新排风系统,3间分析仪器实验室合用1套新排风系统,新风机组设置在该层空调机房,排风机设置在大楼屋顶(见图1)。

合成实验室通风系统负责的实验室数量比较多,且每间实验室排风柜数量多,系统连接的排风柜数量较多(共连接了36台1.5 m宽排风柜和18台3.0 m宽排风柜),风量很大,计算系统风量时有必要考虑同时使用系数。在确保实验室安全、正常使用的前提下,一般合用系统的同时使用系数为0.6～0.8[2]。结合使用方提供的已建成的规模相近的实验楼使用情况和该项目系统连接排风柜数量等情况,经论证分析,系统同时使用系数取0.65。经计算,排风系统风量为60 100 m3/h,新风系统风量为57 400 m3/h。

分析仪器实验室排风设备较少,每楼层实验室数量也较少,故系统风量不考虑同时使用系数。经计算,排风系统风量为6 540 m3/h,新风系统风量为5 145 m3/h。

实验用排风柜在实际使用中,存在不同时使用的情况,对于连接排风柜数量较多的合用系统,系统风量计算时应考虑一定的同时使用系数。选取合理的同时使用系数确定排风系统和新风系统的风量,在确保系统正常运行的前提下,可相对减小冷热负荷,降低冷热源设备的配置和造价,并与确定空调机房面积、风井尺寸、楼层净高等土建条件相关。

2.4 通风系统汇总

综合上述计算,合成实验室和分析仪器实验室通风量汇总见表3。

表3 实验室通风量汇总

2.5 其他考虑

根据建筑平面布置条件及使用方类似项目的运维经验,该项目每个楼层的合成实验室合用1套排风及新风系统。每个排风系统风量较大、连接排风柜数量较多。为提高系统可靠性,排风系统采用2台排风机并联运行,单台风机风量为计算风量的50%,当1台风机故障时,系统仍能运行,保证部分实验室排风柜可以正常工作,确保实验安全。

每个楼层的合成实验室合用1套通风系统,简化了系统管线、节省了楼层空调机房面积及屋顶通风和过滤设备的安装面积等,节省了初投资,但系统运行和控制的复杂性也相应增加,因此除了加强控制系统的优化设计之外,后续计划在实施、调试及运行过程中,配合调试单位和使用方,对排风柜的使用情况及通风系统运行控制情况要进行测试,并作好相关总结。

3 新风空调负荷

由于实验室新风系统风量很大,有机化学实验室新风负荷占空调总负荷的比例很大,新风负荷计算中进出风参数如何确定也值得研究,既要满足使用要求,又要适当考虑节能性。

1) 室内状态点。

合成实验室内除了排风柜,无仪器设备,室内温湿度要求不高,新风经处理后送入房间,房间内不另设空调,新风处理至房间等比焓点。

分析仪器实验室有较多的仪器设备,室内设备负荷较大,除新风处理后送入房间外,另设置多联式空调系统,处理室内余热。由于仪器设备对室内温湿度有一定要求,故新风处理到室内等含湿量点,除湿后再送入房间。

2) 室外状态点。

根据文献[1],对于实验室室外计算参数,当计算冬季通风耗热量时,采用冬季供暖室外计算温度;当计算夏季通风系统冷却量时,宜采用夏季通风室外计算温度,但对于室内要求较严格的工程,可以采用夏季空调室外计算温度。

该项目设计初期出于节能和节省初投资的考虑,采用通风温度计算空调冷负荷。但是采用通风温度进行计算,保证率相对较低,根据业主和使用方反馈的已建成实验室的使用情况,普遍反映高温天气实测实验室温度偏高,实验室内部存在结露等问题。故该项目计算中采用了夏季空调室外计算温度。

3) 新风空调负荷。

合成实验室和分析仪器实验室新风冷负荷见表4。

表4 实验室新风冷负荷

实验室新风冷负荷指标很大,该项目总冷量是常规项目的2～3倍。从表4可以看出,合成实验室和分析仪器实验室处理过程不同,单位风量冷负荷的差异比较大。对于要求比较低的实验组,可以处理到室内等比焓点;对于要求较高的分析仪器实验室,处理到室内等含湿量点,新风除湿后再被送入房间。

不同要求的实验室采用不同的送风参数,能较好地满足室内要求,也能适当减小冷负荷,降低初投资,节省运行费用。

4 通风系统控制

合成实验室通风系统为变风量系统。实验室变风量控制系统主要由变风量控制阀、定风量阀、控制器、风机变频器、主风管内压力传感器等组成,新风系统与排风系统联动控制,变风量运行工况和最小风量工况下,均须保证房间负压要求。

以该项目合成实验室通风系统为例,排风系统控制主要内容和逻辑为：连接每个排风柜的排风管上均设置变风量控制阀,通过柜门上的位移传感器或风速传感器、红外探测器等检测仪器,控制变风量控制阀的开度;连接药品柜的排风管上设置定风量控制阀,24 h开启;排风主风管上设置压力传感器,通过压力传感器控制排风机变频运转。新风系统控制主要内容和逻辑为：接至每个房间的新风管上设置变风量控制阀,该控制阀开度通过房间排风量进行控制;新风送风主风管上设置压力传感器,通过压力传感器控制新风机组风机变频运转。

合成实验室通风系统控制原理如图2所示。

为使排风柜面风速稳定并达到排风量要求,每个排风柜均设置位移传感器或风速传感器。风速传感器对排风柜入口处的气流稳定性要求比较高,若有气流干扰会导致测量偏差。对于排风柜设置密度较高的实验室,排风量和相应补风量都很大,很难完全避免气流干扰,因此推荐采用位移传感器。位移传感器实测排风柜拉窗的开启高度,控制器根据此开启高度和柜门宽度及设定面风速计算排风量,以此来控制变风量控制阀的开度。同时采用红外探测器,检测排风柜前是否有人员存在,当排风柜前有人时将面风速设为0.5 m/s,排风柜前没人时将面风速设为0.3 m/s,这样既安全、又节能。