科研实验室通风空调的设计

2022-09-11

近年来, 随着我国科学技术的不断发展, 国家对科研领域的投入也在不断增加, 改建、新建的高标准现代化实验室项目越来越多, 同时, 实验室温湿度、洁净度、噪声等要求也必须得到满足。为了保证实验人员身心健康、创造安全舒适的实验环境, 实验室空调通风系统设计显得尤为重要。本文结合一些国内和国外的实验室设计手册和工程实践, 对实验室通风空调设计进行探讨。

1 实验室通风空调设计理念

1.1 通风设计

一般实验室有两种通风方式, 即局部排风和全面通风。实验室中一般采用局部排风。但对于有些区域不能使用局部排风, 或者局部排风满足不了要求时, 应该采用全面通风。

1.1.1 局部排风

局部排风是指在有害物产生后立即就近排出, 这种方式能以较少的风量排走大量的有害物, 能量省而效果好。实验楼局部排风末端设备主要用到通风柜 (或称毒气柜、通风橱) 、外部吸气罩 (万象排气罩、固定式排气罩) 两种, 根据实验室操作的工艺要求设置。

通风柜将产生有害气体的实验仪器设备全部放在罩内, 罩的工作面有可上下移动的柜门, 根据实验需要, 可以任意设置其开启高度, 全开全闭或是开启一部分。

1.1.2 全面通风

设有通风末端的房间, 可以备上一套全面通风系统, 但其排风不能影响到局部排风, 根据需要启用。通风柜、固定吸气罩均有可能因为各种原因有害气体逸至排风设备外面而无法排除, 在房间最高处 (吊顶上) 和最低处 (地面附近) 设置排风口, 以备不时之需。

实验室最小排风量按德国标准D I N 1 9 4 6, 即换气次数约为每小时8次。为防止实验室的空气扩散到周围区域, 实验室内需保持负压, 通常实验室的负压值为-2 0P a~-1 0P a, 要维持室内负压就应使室内总排风量始终大于送风量。偏差的风量来自实验室门窗周围的缝隙渗透。

1.1.3 通风柜排风系统的风速

通过通风柜工作面的风速过大, 则不仅排风量过大, 风机功率大, 运行费用高, 而且通风柜内局部易产生涡流, 导致部分污染气体不能排除, 而且实验功能也可能受到影响, 如酒精灯火焰易被吹灭、滴水滴落在工作台面上等;风速过低, 则污染气体可能外逸至柜外, 对人体健康不利。因此控制通风柜工作面的面风速是通风柜排风系统设计的关键环节。

通风柜排风量计算公式:

式中:L1为柜内污染气体发生量, (m3/h) ;

V为工作面上的控制风速, m/s;

F为工作面的面积, m 2;

Β为安全系数, β=1.0 5~1.1;

A为通风柜柜门开启的长边;

B为通风柜柜门开启的高度。

通常, 柜内污染气体发生量较小, 相比通过通风柜工作面的通风量可以忽略不计。因此, 式 (1) 、 (2) 可以简化为:

根据《工业通风》的规定, 通风柜的工作面面风速应控制在表1所述的范围内。

1.2 空调设计

空调方式可采用全分散系统和集中系统。全分散系统具有排风送风、空调系统各自相互独立, 具有较大的灵活性、控制简单、造价低等优点, 但每个系统在实际使用中又是相互影响的。集中空调的造价昂贵、控制复杂。但能在恒温的情况下提供确实的通风和过滤的空气, 运行效果及费用远远好于分体空调, 所以, 集中空调是实验室空调设计的最佳选择。

2 实验室通风空调系统的设计

2.1 排风系统

实验室的排风系统包括通风柜的排风和无通风柜房间的排风。它们所排出的空气不可再循环使用。一个好设计的排风系统与通风柜相配合, 可使有害气体经过最短途径从管道排出屋面, 并远离相近的其它建筑物。

2.1.1 传统的排风系统

传统通风柜排风系统有以下两种模式, 即“通风柜+定频风机”和“通风柜+电动阀+变频风机”模式。这两种模式均能满足表1的风速指标控制, 有效的排除污染气体, 且系统简单可靠, 但用电量较大, 增加了运行成本。

2.1.2 新的排风系统

(1) “通风柜+文丘里阀+风道静压传感器+变频风机+自动控制系统”模式

通风柜上设置控制面板、风速传感器、风机的启动按钮 (若室内有多台通风柜也可设置在门边等方便控制的地方) , 通风柜支管上设置文丘里阀, 在总风管上距风机不远处设置风道静压传感器, 风机附近设置变频控制器。风速传感器实时监测通风柜工作面面风速, 并将风速值信号传递给监控器;监控器收到信号后, 与设定值比较, 当面风速不在设定范围内时监控器发出声光报警, 同时调节变风量阀上的执行器, 改变阀门开度来调节排风量, 使面风速快速回归设定值;通风柜排风量变化, 会改变总风管的排风量及管内静压, 总风管上的风道静压传感器根据感应结果与设定值比较, 将结果通知变频控制器, 变频控制器调节风机转速, 使风机的排风量相应变化, 使风道静压传感器的监测数值回归设定值, 从而使排风系统稳定运行。

这套系统控制相对精准、及时, 但造价颇高, 但排风效果非常好。

(2) “通风柜+V A V变风量阀+风道静压传感器+变频风机+自动控制系统”模式。

电动抗腐蚀变风量阀安装在通风柜的排风支管上, 因此, 可根据通风柜柜门开启的位置调整到对应风量, 以保证面风速稳定在设定值0.5m/s左右。阀门上安装连续比例型调节的电动风阀执行器。通风柜安装有门高传感器来测量柜门高度变化, 实时检测柜门开启程度, 同时, 将信号传至通风柜VAV控制器, VAV控制器计算设定风速0.5 m/s所对应的排风量, 通知通风柜排风阀调至此风量, 使通风柜面风速始终在设定值0.5m/s。通风柜的排风支管上装有风量传感器对实际排风量进行实时测量, 并将测得的风量值通知风量控制器;风量控制器将计算的风量和实际风量进行实时比较, 当出现偏差时调节排风变风量阀门开度, 实现要求的风量和面风速。

这套系统通风柜工作面风速能满足表1的参数, 且达到安全卫生和节能的要求。同时, 由于其造价比较经济, 目前, 在我国得到了较为广泛的应用。

对于这两种比较先进的控制模式, 可以增加有红外探测器接口功能的控制器, 实现红外监测控制排风量。

2.2 空调系统

如前所述, 应采用全空气直流式集中空调系统向实验室输送足够数量的、经过一定处理了的空气, 用以吸收室内的余热和余湿, 从而维持室内所需要的温度和湿度。它的基本计算公式是:

式中:L为送风量, m 3/h;

Qx为空调送风所要吸收的显热余热, W;

ρ为空气密度, kg/m3;

C为空气定压比热, k J/k g·℃;

(tn-ts) 为室内空气温度和送风温度, ℃。从式5中可以看出, 当室内余热值Qx发生变化而又需要使室内温度tn保持不变时, 可定风量一固定送风量L而改变送风温度ts, 又可变风量一固定送风温度ts而改变送风量L。

定风量空调系统经过空调设备处理过的空气其送风温度一定, 为了适应某个房间的负荷变化 (如通风柜的使用状态, 发热设备的启与停等) , 往往需要设置再热装置, 才能维持该房间的温湿度在所要求的范围内。否则, 因为送到各房间去的风量是按它们的最大负荷求得的风量, 且送风温度相同, 在这些房间出现部分负荷时, 势必产生过冷现象。迫使经过冷却去湿处理过的空气又需进行再热处理, 这种冷热抵消的处理过程, 显然是能量的浪费。根据实验室的这一特点, 一天中最大负荷出现的时间很少 (如实验状态等) , 而通常为部分负荷时间 (如夜间等) , 因此采用定风量系统会造成能量和设备的大量浪费。

变风量系统则具有如下优势。

(1) 能充分利用了实验室各个房间在同一时刻负荷参差不齐这一特点, 减少整个系统的负荷总量, 能实现局部区域的灵活控制, 从而使设备规格减小, 初投资和运行费都可以减少。

(2) 自动调节各个房间的送人能量, 在考虑同时使用系数的情况下, 空调器总装机容量可以减少10%~30%。

(3) 配以合理的自动控制, 空调和制冷设备只按实际需要运行, 耗电降低, 运行费可进一步减少。

(4) 室内无过冷过热现象, 由此可减少空调负荷15%~30%左右。

(5) 可适合实验室的改建和扩建。

因此, 根据实验室内各种设备的同时使用系数, 采用变风量空调系统, 即可减小空调设备的规格和风管尺寸, 又可降低运行费用, 是实验室较为合理的空调方式。

综合以上特点, 实验室房间空调系统可设计为通过排风量来控制空调系统的送风量, 但是与排风量对应的送风量并不是都能满足室内空调设计参数的要求。因此在此基础上可进一步进行改进, 增加一个综合排风。使室内每一刻的送风量都能满足室内空调设计参数的要求, 并仍使室内保持相对负压, 即通过综合排风排出多余空气。