對化學(xué)實驗室暖通控制的探討

劉海華

（江蘇正大豐海制藥有限公司，江蘇鹽城224100）

0 引言

化學(xué)實驗室與其他類型建筑的區(qū)別在于，其化學(xué)品和其他潛在危險化學(xué)物質(zhì)的使用會嚴(yán)重影響實驗室操作人員的身體健康和生命安全。但是，所有的實驗室又都不盡相同，不同的實驗室有著不同的危害等級和使用要求。在實驗室規(guī)劃或改造過程中，一系列有關(guān)安全、節(jié)能減排、舒適度的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)必須被采納和參考，以確保設(shè)計解決方案最佳。

為達(dá)到上述目的，化學(xué)實驗室優(yōu)良的暖通設(shè)計起到關(guān)鍵性作用，而暖通控制方式的選擇是實現(xiàn)上述目的的具體手段。

1 概念的介紹

1.1 實驗室通風(fēng)

實驗室通風(fēng)的核心理念在于進(jìn)入實驗室的空氣必須排出實驗室。實驗室的進(jìn)風(fēng)量通常由送風(fēng)量和滲透風(fēng)量組成，其等于實驗室排風(fēng)量，或等于通過房間綜合排風(fēng)、通風(fēng)柜、排氣罩、生物安全柜等設(shè)備排風(fēng)量和滲出風(fēng)量的總和。當(dāng)設(shè)計一棟帶有實驗室的建筑時，所有的風(fēng)量必須經(jīng)過詳盡的計算。

在實踐中，通過實驗室的送風(fēng)量小于排風(fēng)量來實現(xiàn)實驗室的負(fù)壓。額外的排風(fēng)量形成的負(fù)壓環(huán)境使得新風(fēng)由相鄰的區(qū)域通過門縫、窗縫以及其他縫隙擴(kuò)散滲透進(jìn)入實驗室。

1.2 確定所需送風(fēng)量

確定實驗室所需的送風(fēng)量的3個關(guān)鍵參數(shù)：溫度、排風(fēng)和通風(fēng)換氣。

1.3 不同實驗室所需考慮的因素

以溫度因素為主導(dǎo)的實驗室設(shè)置有大量的化學(xué)分析儀器、烘箱或加速化學(xué)反應(yīng)過程的加熱元器件。如果沒有足夠的送風(fēng)量的話，這些布置儀器設(shè)備的實驗室將會變得炎熱，從而導(dǎo)致舒適度下降。燈、實驗室人員甚至通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)均是實驗室冷負(fù)荷的組成部分，確定消除房間負(fù)荷所需的新風(fēng)量時必須包含上述所有負(fù)荷。然而，除了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷以外，其他負(fù)荷需根據(jù)預(yù)期使用情況來確定。例如，考慮到實驗室儀器設(shè)備的同時使用概率，可以適當(dāng)?shù)販p少送風(fēng)量。

排風(fēng)主導(dǎo)的實驗室，諸如教學(xué)實驗室，實際上實驗室布滿了通風(fēng)柜和排氣罩。通過通風(fēng)柜排出大量的空氣來實現(xiàn)對氣體、蒸汽、粒子和其他污染物的有效控制。所有實驗室排出的氣體，包括通過通風(fēng)柜排風(fēng)的氣體，必須進(jìn)行新風(fēng)補(bǔ)償以免造成實驗室的負(fù)壓過大。

最后，還有一些冷負(fù)荷和通風(fēng)柜及其他排風(fēng)設(shè)備（即便有也很少）的實驗室。這些以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實驗室仍然需要較大的送風(fēng)量來稀釋房間的污染物。通風(fēng)率通常以每小時的換氣次數(shù)（ACH）為單位，通過每小時送入實驗室總送風(fēng)量除以房間的體積來計算。有人占用的實驗室換氣次數(shù)通常按照8～10次/h考慮，無人占用時換氣次數(shù)可以減少至4次/h。

2 化學(xué)實驗室暖通控制方式

2.1 定風(fēng)量

具有機(jī)械通風(fēng)的實驗室以及現(xiàn)在許多實驗室均采用CAV定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計。顧名思義，定風(fēng)量系統(tǒng)就是實驗室的送風(fēng)量和排風(fēng)量都是固定不變的。

定風(fēng)量系統(tǒng)是以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實驗室的最好選擇，這種類型的實驗室的送風(fēng)量由實驗室的換氣次數(shù)來決定。以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實驗室，其滿足換氣次數(shù)、換氣率要求的送風(fēng)量足以消除房間的冷熱負(fù)荷，滿足排風(fēng)設(shè)備對于補(bǔ)風(fēng)量的需求。因此，不再需要送入額外的送風(fēng)量。

定風(fēng)量系統(tǒng)具有以下一些優(yōu)點：（1）設(shè)計簡單；（2）節(jié)約控制系統(tǒng)成本；（3）易于控制。

定風(fēng)量系統(tǒng)具有以下幾種潛在的缺點：（1）機(jī)電設(shè)備必須按照最大量來設(shè)計和選型，增加了排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組和其他固定設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)成本。（2）增加了設(shè)備搬遷再就位的難度。由于系統(tǒng)缺少壓力無關(guān)性控制，設(shè)備位置的改變可能會改變暖通空調(diào)系統(tǒng)壓力分布，從而直接導(dǎo)致系統(tǒng)需要重新再平衡。（3）制約未來的發(fā)展，有限的系統(tǒng)容量無法再增加額外設(shè)備。（4）系統(tǒng)運(yùn)行不安全狀態(tài)的用戶提醒功能受限。定風(fēng)量系統(tǒng)沒有固有的監(jiān)視器和控制器。若需符合最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)額外增加監(jiān)視器需要額外增加費(fèi)用。沒有安裝監(jiān)視器的老舊系統(tǒng)無法提供不安全狀態(tài)用戶提醒，存在潛在的風(fēng)險。

2.2 雙態(tài)

最初的有關(guān)降低高持續(xù)性運(yùn)行定風(fēng)量控制系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用集中在無人占用的實驗室降低風(fēng)量上。在此情況下，當(dāng)實驗室在使用狀態(tài)時，實驗室通風(fēng)系統(tǒng)滿載運(yùn)行。當(dāng)實驗室無人占用時，此時通風(fēng)柜不會由于人為因素而產(chǎn)生紊流，在此情況下降低系統(tǒng)風(fēng)量成為一種可能。

與定風(fēng)量實驗室相比，對于以通風(fēng)換氣為主導(dǎo)的實驗室，當(dāng)排風(fēng)或消除負(fù)荷所需更多送風(fēng)量時，此時不能使用雙態(tài)控制。

雙態(tài)系統(tǒng)與定風(fēng)量系統(tǒng)有著相似的優(yōu)缺點。其優(yōu)點：（1）設(shè)計簡單；（2）與變風(fēng)量系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)成本相對較低；（3）與定風(fēng)量系統(tǒng)相比，當(dāng)無人占用時降低風(fēng)量有助于降低運(yùn)行成本。

雙態(tài)控制系統(tǒng)的缺點：（1）與定風(fēng)量系統(tǒng)一樣，雙態(tài)控制系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備也必須按照最大量來設(shè)計和選型，增加了排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組和其他固定設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)成本。（2）當(dāng)通風(fēng)柜等裝有壓力無關(guān)性的定風(fēng)量閥時，此時的雙態(tài)定風(fēng)量控制系統(tǒng)，一定程度上緩解了設(shè)備搬遷再就位的難度，相對減輕了系統(tǒng)再平衡的工作量和難度。（3）與定風(fēng)量系統(tǒng)一樣，其制約未來的發(fā)展，有限的系統(tǒng)容量無法再增加額外設(shè)備。（4）缺乏系統(tǒng)不安全運(yùn)行狀態(tài)的用戶提醒功能，當(dāng)采用雙態(tài)控制系統(tǒng)時，通常也沒有安裝通風(fēng)柜面風(fēng)速監(jiān)視器和控制器，若需符合最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)則需額外增加面風(fēng)速監(jiān)視器和控制器。”

2.3 變風(fēng)量

變風(fēng)量實驗室通過減少送風(fēng)量和排風(fēng)量滿足實驗室溫度、通風(fēng)換氣和通風(fēng)柜安全面風(fēng)速的最小風(fēng)量來實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。當(dāng)通風(fēng)柜移門開度降低時，通風(fēng)柜變風(fēng)量控制器通過減少通風(fēng)柜柜門開口的排風(fēng)量來保持面風(fēng)速的恒定，同時房間變風(fēng)量控制器相應(yīng)的減少送風(fēng)量以實現(xiàn)房間的風(fēng)量平衡。同樣，當(dāng)實驗室需要增加送風(fēng)量來消除實驗室的冷、熱負(fù)荷時，此時房間變風(fēng)量控制器通過增加房間的綜合排風(fēng)量來實現(xiàn)房間的風(fēng)量平衡。

與定風(fēng)量和雙態(tài)實驗室相比，變風(fēng)量實驗室具有眾多優(yōu)點：（1）當(dāng)實驗室負(fù)荷減小時，送風(fēng)量和排風(fēng)量均會減少，需要經(jīng)過空調(diào)冷熱處理的新風(fēng)量也會減少，節(jié)約能源消耗成本；（2）通過使用無人占用模式來實現(xiàn)送、排風(fēng)量的減小，進(jìn)一步節(jié)省能源消耗成本；（3）應(yīng)用同時使用概率來減少最大設(shè)計風(fēng)量，從而實現(xiàn)諸如排風(fēng)機(jī)、管道系統(tǒng)和空氣處理設(shè)備等固定設(shè)備較小的選型；（4）當(dāng)設(shè)備位置移動或再增加設(shè)備時，壓力無關(guān)性的變風(fēng)量控制器調(diào)整適應(yīng)系統(tǒng)的變化，只需在受變化直接影響的區(qū)域進(jìn)行再平衡，而不需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行再平衡；（5）當(dāng)通風(fēng)柜面風(fēng)速、房間壓差或風(fēng)量平衡達(dá)到潛在的不安全級別時，變風(fēng)量控制器會通過報警來提醒用戶。

2.4 同時使用概率的概念

對于實驗室的暖通空調(diào)系統(tǒng)來說，想要系統(tǒng)充分發(fā)揮其潛力的話，設(shè)備必須按照預(yù)期負(fù)荷和預(yù)期風(fēng)量來進(jìn)行合適的選型。與其他類型實驗室相比，變風(fēng)量實驗室可以實現(xiàn)相對較少風(fēng)量的預(yù)期。在進(jìn)行設(shè)備選型時，應(yīng)考慮到同時使用概率，即不需要按照最大可能風(fēng)量進(jìn)行，而是應(yīng)該按照預(yù)期風(fēng)量來選擇。

這樣的確存在一定的風(fēng)險，當(dāng)所有設(shè)備都運(yùn)行時所需風(fēng)量無法得到滿足。由于沒有2個實驗室的使用方式是完全相同的，所以，當(dāng)預(yù)測變風(fēng)量系統(tǒng)的系統(tǒng)風(fēng)量時，同時使用概率水平必須基于每個案例逐個決定，必須咨詢相關(guān)專業(yè)人員來確定實驗室存在的風(fēng)險級別。只有經(jīng)過上述步驟，才能確定符合實際需求的預(yù)期風(fēng)量。

基于考慮同時使用概率，由此產(chǎn)生的成本節(jié)約源于所有實驗室并不會同時全流量運(yùn)行的假設(shè)，這些成本節(jié)約以減少固定設(shè)備選型和投資的方式體現(xiàn)。一棟大樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)大部分成本在于冷凍機(jī)組、風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備以及其他大型設(shè)備。在設(shè)備選型時，按照預(yù)期負(fù)荷而不是最大可能負(fù)荷進(jìn)行，由此節(jié)約的成本可以承擔(dān)額外增加變風(fēng)量控制系統(tǒng)絕大部分的成本。同時，暖通空調(diào)設(shè)備在全流量最高效率點運(yùn)行，也可以節(jié)約運(yùn)行成本，此時，按照預(yù)期風(fēng)量選型的設(shè)備將接近峰值容量運(yùn)行而不是部分負(fù)荷運(yùn)行。

3 實驗室房間的壓力控制

實驗室相對于周圍的區(qū)域保持相對較低的壓力值，稱之為負(fù)壓，以防止污染物擴(kuò)散至樓宇其他區(qū)域。

在定風(fēng)量實驗室中，送、排風(fēng)量間的平衡總是保持一個固定的風(fēng)量差值。在雙態(tài)定風(fēng)量實驗室中，送、排風(fēng)量控制在保持全流量或低風(fēng)量2個狀態(tài)運(yùn)行。這2種類型的實驗室，通常會采用文丘里閥或其他類型暖通空調(diào)控制方式。當(dāng)實驗室氣流或壓差波動時，房間監(jiān)視器也可用來提醒設(shè)備維護(hù)人員和實驗室操作人員。

在變風(fēng)量實驗室中，由于通風(fēng)柜移門開度和房間冷熱負(fù)荷的不斷變化造成實驗室的氣流幾乎每時每刻都在變化。某些控制系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)送風(fēng)量和房間排風(fēng)量來保持房間壓力。工程師可以根據(jù)需要來選擇直接壓力控制、流量跟蹤控制或帶壓力反饋的流量跟蹤控制。為了更好地為每種情況匹配最合適的解決方案，首先需要了解每個系統(tǒng)的局限性。

3.1 直接壓力控制

直接壓力控制是最簡單的房間變風(fēng)量控制方式。在這種控制方式下，房間控制器調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)閥門，以保持實驗室與參照區(qū)域的壓差穩(wěn)定。無論任何原因引起的房間壓力變化，控制器都將會采取適當(dāng)?shù)拇胧?。因此，直接壓力控制可以保持實驗室的壓差最接近設(shè)定值，這一點對于存放高風(fēng)險物質(zhì)的房間尤為重要。

和所有控制系統(tǒng)一樣，直接壓力控制也有其局限性。只要房間壓差產(chǎn)生變化，直接壓力控制器將會調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)閥門。有效的應(yīng)用直接壓力控制器需要合理設(shè)計建筑，以保持壓力參照點壓力的穩(wěn)定。

關(guān)鍵要求包括：（1）保持壓力參照區(qū)域的壓力穩(wěn)定。參造區(qū)域的壓力波動直接導(dǎo)致房間壓差的相應(yīng)的擾動。（2）保持實驗室門的關(guān)閉。當(dāng)實驗室門關(guān)閉時，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門窗縫隙以及其他任何縫隙的面積是非常小的，有利于保持房間的相對密閉性。當(dāng)門打開時，實驗室與參數(shù)區(qū)域的壓力幾乎相同，為了保持實驗室的壓差重新回到設(shè)定值，直接壓力控制器將送風(fēng)閥門關(guān)至最小開度的同時，將排風(fēng)閥門打開至最大開度。這種排風(fēng)和送風(fēng)間的巨大流量差可能導(dǎo)致相鄰區(qū)域房間壓差甚至整個大樓的壓力產(chǎn)生影響。門磁開關(guān)可用來鎖定送、排風(fēng)量或減小房間壓差設(shè)定值，以此來進(jìn)一步緩解由于實驗室門打開引起的問題。（3）如果電梯沒有前廳的話，避免電梯直接開向壓力參照區(qū)域。當(dāng)電梯在各層之間運(yùn)行時，電梯轎廂將氣流不斷地出入電梯井，會不斷地改變相鄰區(qū)域的壓力。（4）避免實驗室門直接開向室外。即便是實驗室門關(guān)閉時，吹過的陣風(fēng)或拂過建筑物的風(fēng)都會影響參照區(qū)域的壓力。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設(shè)計用于維持排風(fēng)量大于送風(fēng)量的控制。由于排風(fēng)量比送風(fēng)量大，因此實驗室處于負(fù)壓狀態(tài)。額外的排風(fēng)量通常稱之為補(bǔ)償風(fēng)量或“余風(fēng)量”，實際上這部分風(fēng)量通過送入相鄰區(qū)域，可能通過門或其他滲透方式進(jìn)入實驗室。風(fēng)量跟蹤控制器通過調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)量來實現(xiàn)余風(fēng)量（補(bǔ)償風(fēng)量）的恒定不變。

為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使用流量跟蹤房間控制器必須測量所有送、排風(fēng)管道的風(fēng)量。房間壓力不再是流量跟蹤控制的一部分（即房間壓力的變化將不再受監(jiān)視）。開門對于直接壓力控制來說是個巨大的挑戰(zhàn)，但是流量跟蹤控制可以忽略這個問題。開門造成房間壓差變?yōu)榱?，對于流量跟蹤控制來說，開門將不會直接影響房間的送、排風(fēng)量，房間控制器將不會動作。因此，流量跟蹤控制適用于無門敞開型實驗室。

一些工程師偏好流量跟蹤控制，因為送、排風(fēng)量很容易預(yù)測，大大簡化了風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備、管道系統(tǒng)或其他固定設(shè)備的選型。在實踐中，當(dāng)設(shè)計流量跟蹤控制的實驗室時，余風(fēng)量或補(bǔ)償風(fēng)量是基于房間門的數(shù)量和房間滲透量來計算的。一旦實驗室建造完成，對實際的余風(fēng)量或補(bǔ)償風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整直至實驗室維持明顯負(fù)壓。然后，房間控制器被設(shè)置用來維持余風(fēng)量值。

流量跟蹤控制不適用于那些存放劇毒性物質(zhì)的實驗室。

3.3 具有壓力反饋的流量跟蹤控制

具有壓力反饋的流量跟蹤控制結(jié)合了流量跟蹤控制和房間壓差測量2種技術(shù)，這種控制形式綜合了單純流量跟蹤控制和直接壓力控制系統(tǒng)的優(yōu)點。

當(dāng)使用壓力反饋流量跟蹤控制系統(tǒng)時，和單純流量跟蹤控制一樣，所有的送、排風(fēng)流量均需被監(jiān)測。送、排風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)至一個特定的余風(fēng)量值，以實現(xiàn)實驗室的負(fù)壓平衡。同時，這種綜合型控制系統(tǒng)也測量房間的壓差值。

房間控制器使用房間壓力測量來緩慢地調(diào)整余風(fēng)量，對房間動態(tài)的長期的變化進(jìn)行更正。如果房間壓差變化太快的話，房間控制器會在潛在的不安全狀況下提醒設(shè)施維護(hù)人員和實驗室操作人員。

因此，開門對于壓力反饋流量跟蹤控制來說不會造成與直接壓差控制相同級別的風(fēng)險。當(dāng)開門時，幾乎立刻造成房間壓差跌至零。此時，控制系統(tǒng)的壓力反饋原件僅僅慢速調(diào)整余風(fēng)量值來實現(xiàn)房間壓力達(dá)到設(shè)定值。在短時間內(nèi)，通常是正常情況下開門，壓力反饋流量跟蹤控制器不會明顯地調(diào)整余風(fēng)量值，其送、排風(fēng)量幾乎保持不變。當(dāng)門敞開，最終和直接壓差控制一樣，壓力反饋流量跟蹤控制將會加大排風(fēng)量，同時減少送風(fēng)量，以實現(xiàn)壓力維持在設(shè)定值。

4 結(jié)語

本文從實驗室通風(fēng)、確定所需送風(fēng)量、不同實驗室所需考慮的因素幾個概念入手，探討了定風(fēng)量、雙態(tài)、變風(fēng)量這3種化學(xué)實驗室的暖通控制方式，闡述了直接壓力控制、流量跟蹤控制、具有壓力反饋的流量跟蹤控制這3種化學(xué)實驗室房間的控制?？傊?，化學(xué)實驗室暖通控制方式的選擇要綜合安全、節(jié)能減排、舒造、可靠的原則，以達(dá)到最佳的效果。