恒温恒湿科学实验室的空调系统设计

俞丽华 汪洪军



恒温恒湿科学实验室的空调系统设计

俞丽华 汪洪军

（中国计量科学研究院 北京 100013）

随着科技水平的不断提高和高精密仪器设备的不断投入使用，对科学实验环境的温湿度控制精度提出了更高的要求。然而在现有设计规范中，对恒温恒湿实验室的空调设计描述并不够详细，甚至对超精密恒温恒湿实验室的空调设计描述尚为空白。在此背景下，根据恒温恒湿科学实验室的分类对其空调系统设计进行讨论，为实验室尤其是超精密恒温恒湿实验室的空调设计提供参考。

科学实验室；恒温恒湿；超精密；控制精度；空调设计

0 引言

在科学技术飞速发展的今天，科学实验室的先进程度体现了其所在地乃至整个国家的科技先进性。实验室的先进程度不仅体现在其内部实验设备的精度以及科研人员的素质上，同时也需要有精确度高、稳定性好、不受外界因素干扰的实验室环境作为基础保障，而实验室内的温湿度控制精度便是其中的重要指标。

目前，我国还没有颁布科学实验室空调及通风系统的设计规范，恒温恒湿实验室的暖通空调设计可参考《科学实验室建筑设计规范》、《采暖通风和空气调节设计规范》、《实用供热空调设计手册》，以及美国ASHRAE手册和德国VDI规范等资料的相关章节[1]。对于超精密恒温恒湿实验室（如：±0.01℃，±1%），由于不具普遍性，其空调系统设计在上述规范中仍未涉及，目前可用于参考的资料有美国NIST先进测量实验室（AML）空调设计相关文献等。本文按照科学实验室所研究的专业及相应的温湿度控制工艺要求将其进行分类，并从温湿度控制精度的角度讨论恒温恒湿科学实验室的空调系统设计。

1 科学实验室的分类及温湿度控制要求

在不同的设计参考资料中，对科学实验室的分类不尽相同。例如：在ASHRAE手册中，根据所研究专业将实验室分为生物实验室、动物实验室、化学实验室及物理实验室等四类[2]；而在《科学实验室建筑设计规范》中，将实验室分为通用实验室和专用实验室两大类并分别做出规定[3]。

通用实验室是指适用于多学科的以实验台规模进行经常性科学研究和实验工作的实验室，其夏季空气调节室内计算参数为温度26～28℃，相对湿度小于65%，在规范中没有对温湿度控制精度及洁净度做相关要求。专用实验室是指有特定环境要求（如：恒温、恒湿、洁净、无菌、防振、防辐射、防电磁干扰等）或以精密、大型、特殊实验装置为主（如：电子显微镜、高精度天平、谱仪等）的实验室，其空气调节室内计算参数应按工艺要求确定。可见，恒温恒湿科学实验室属专用实验室。

在恒温恒湿实验室中，普通实验室温湿度控制精度分别为±2℃和±20%；生命化学实验室温湿度控制精度分别为±1～0.5℃和±10%；物理科学实验室温湿度控制精度分别为±0.5～0.25℃和±5%；高精度成像或纳米制造实验室温湿度控制精度分别为±0.25～0.01℃和±5～1%；半导体洁净室的温度控制精度一般为±0.6℃，光刻投影打印机需要±0.3℃，晶片或掩模写入过程区域为±0.06～0.3℃，利用电子光线技术的晶片标线写入需要达到±0.06℃，半导体所需相对湿度水平为30%～50%，根据不同的过程需要，控制精度为0.5%～5%[2]。

计量实验室是从功能角度划分的一类专用科学实验室，它涵盖了物理、化学、生物等专业实验室，并需综合考虑温湿度、振动、电磁、噪音和空气污染等因素，不同专业的计量实验室具有不同的环境控制需求。其中，温湿度控制精度对某些专业的测量结果具有直接影响作用，例如：对于长度计量，直线标度或量块高精度干涉测量的基准温度为20℃，只有当温度控制精度高于±0.1℃且保持稳定数小时，测量相对标准不确定度才能接近10-8的要求；对于质量计量，如果温度变化超过0.2℃，则质量误差的确定会变得十分困难[4]。表1列举了几个国家精密计量实验室的环境条件控制水平。

表1 不同国家计量实验室环境条件控制水平

综上，可将恒温恒湿科学实验室按照温湿度控制精度水平分为普通实验室、精密实验室和超精密实验室三类。各类实验室所对应的温湿度控制精度要求详见表2。

表2 恒温恒湿实验室分类

2 恒温恒湿实验室的空调系统设计

2.1 空调系统的选择

空调系统可按照空气处理设备的设置情况、负担室内空调负荷所用介质、集中系统处理的空气来源等不同划分方式进行分类。对于温湿度控制精度要求不高的普通实验室，可选用半集中式和集中式空调系统；而对于温湿度控制精度要求较高的精密实验室和超精密实验室，需选用集中式定风量空调系统。当选用集中式空调系统时，若实验室内产生有害物质不允许室内空气再循环使用时，应选用定风量直流系统；若室内空气可循环使用，恒温恒湿实验室一般采用定风量一、二次回风系统。

2.2 冷热源的选择

由于恒温恒湿实验室对温湿度控制精度要求较高，同时对空调系统运行稳定性要求也较高，通常选用电动压缩式冷水机组作为空调系统的冷源。对于分散设置或面积较小的精密实验室，可采用直接蒸发高精度恒温恒湿机组。对于需要热源的恒温恒湿实验室，通常选用热水锅炉作为热源以确保系统运行稳定。

2.3 空气处理设备配置

为满足实验室特殊环境条件控制要求，需采用专用高精度空气处理设备，内设初效过滤、制冷、加热、加湿、循环风机、中效过滤及亚高效过滤等功能段，新风采用集中处理方式。有洁净要求的实验室，风口采用高效过滤器，空调机组内设新风、初效过滤、制冷、加热、加湿、循环风机、中效过滤及亚高效过滤等功能段。对于温湿度控制精度要求高且不能中断运行的实验室，需考虑空气处理设备的备用。例如，在美国NIST的AML实验室中，每个功能实验室均采用空调机组一用一备的方式，以确保系统运行稳定。

2.4 气流组织设计

合理的气流组织设计是保证空调区域内温度、湿度、洁净度和空气流速等指标满足工艺要求的重要环节。对于普通恒温恒湿实验室，一般不考虑洁净度要求，其温湿度基数可根据工艺需要和卫生条件来确定。普通和精密恒温恒湿实验室的气流组织形式可根据《实用供热空调设计手册》表25.1-1来进行选择，送风方式有贴附侧送、散流器平送、孔板上送等方式。对于有洁净要求的精密实验室，应参考洁净室气流组织设计[6]。

表3 不同气流组织方式特性表

对于温湿度控制精度要求极高的超精密实验室和部分精密实验室（±0.25～±0.5℃），气流组织形式有竖直向下（上送下回）、竖直向上（下送上回）、水平方向（两侧中间送上回）和顶送顶回等几种方式。例如：在美国NIST的AML实验室采用竖直向下方式，在德国联邦物理技术研究院（PTB）的Paschen-bau采用竖直向上方式，在new METAS实验室和Justervesenet采用水平方向方式，在中国计量科学研究院光纤实验室采用顶送顶回方式。上述几种气流组织形式特性如表3所示。在采用水平方向气流组织形式时，为减小内部人员热扰，在满足卫生条件的情况下，气流应先经过工作区再到达操作员位置。

对于温度控制精度较高（高于±0.1℃）或洁净度要求较高（<5级）的实验室，由于换气次数大（AML实验室在控制精度为±0.01℃时已达到300次/h），应优先考虑采用全面孔板单向流送风方式，以有效降低空调区域内的风速。同样，有洁净度要求的精密与超精密实验室，应按照洁净室相关规范进行空调设计。在需要电磁屏蔽的实验室，空调气流应通过波导窗进入房间。

2.5 温湿度控制

通常普通实验室在其温湿度控制精度下，夏季室内温湿度指标通过控制冷冻水的电动二通阀来实现；冬季以室内温湿度与设定值的偏差值分别控制电加热器的电动二通阀和加湿器的加湿量[8]。

对于精密和超精密实验室，为实现空调区域高精度温湿度控制要求，除了采用PID控制算法分级调节送风参数外，还要在系统的设计上满足小送风温差和大送风量的控制；对管线做好保温避免在传输过程中产生温度波动；在控湿区设置阻湿隔汽层以有效阻止水蒸气渗入或渗出控湿区，并在入口设过渡门厅，从而防止空气湿度发生较大波动。同时，温湿度传感器的精度至关重要，要至少比温湿度控制精度高出一个数量级。例如：在AML高精度实验室中，为响应温度变化布置了高精度的热敏电阻和湿度传感器，特别是在±0.01℃温控要求的实验室中布置的热敏电阻由NIST研究者单独做了校准，以确保其公差小于±0.003℃[9]。

2.6 其他相关设计

2.6.1 考虑热扰动的相关设计

热扰动是指传递到空调区域内的各种热量，按照其来源可分为内部热扰和外部热扰[10]。内部热扰主要包括人员、设备和灯光。对于设备和灯光这样的固定装置，除尽量减小空调区域内的散热量外，其热量较容易处理。但对于人体热源，虽然平均每人只有125W的热量，却是非常难处理的。当实验室温度控制最高精度为±0.01℃时，不能有人在受控环境中；温度控制精度在±0.02℃时，可有1人在受控环境中[11]。外部热扰是指从室外向室内空调区域传递的各种热量，可通过维护结构设计的配合来减少对温度控制精度的影响。

2.6.2 维护结构设计

为减少外部热扰及湿负荷，实验室维护结构的设计及施工对其空调区域的温湿度控制精度亦起到至关重要的作用。对于控湿，维护结构需设置阻湿隔气层并保持严密。对于控温，首先要选用厚重且热阻大的墙体[12]。对高精度控温区应考虑设置于地下或采用房间套房间的形式，也可将维护结构设计与空调系统设计相结合，例如，在维护结构内部铺设辐射板等方式。

3 科学实验室空调设计问题考虑

科学实验室在其功能及环境控制要求上具有一定的特殊性，除了从温湿度控制精度角度讨论空调设计外，还需注意以下几点：

（1）科学技术具有发展迅猛之特点，在实验室设计时要考虑到未来几年甚至十几年的发展，要对制冷机房的平面与空间以及制冷系统管路的输送能力考虑一定的余量。同时，建议设置设备层或设备通道，为设备数量的增加提供有效空间。

（2）实验室为非生产型部门，某些科研项目具有极大的不均衡性，即复杂项目的设备需要连续运行数月，而平时则不需要长时间运转。因此，项目所在实验室的空调系统和供电系统要求不允许有任何中断，在设计时要尤为注意。

（3）为保证空调区域气流均匀、指标恒定，对环境控制精度要求极高的实验室，除上述空调系统设计外，建议实验室使用面积为20～30m2为宜。

4 结论

我国目前尚未颁布科学实验室空调及通风系统的设计规范。本文结合相关文献及部分工程实例，对恒温恒湿科学实验室的分类进行讨论，从空调系统及冷热源的选择、空气处理设备配置、气流组织设计、温湿度控制等几个方面讨论了恒温恒湿实验室的空调系统设计，并提出相关建议，供设计人员参考。

[1] 林忠平,张昊,杨云涛,等.某研发中心实验室空调通风系统案例分析与讨论[J].暖通空调,2013,43(5):28-33.

[2] ASHRAE. ASHRAE handbook-HVAC applications[M]. 2011.

[3] JGJ 91-93科学实验室建筑设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[4] A Lassila, M Kari, H Koivula. Design and performance of an advanced metrology building for MIKES[J]. Measurement, 2011,44:399-425.

[5] Ahmad Soueid, Hal Amick, Theodore Zsirai. Addressing the environmental challenges of the NIST Advanced Measurement Laboratory[J]. Building for Nanoscale Research and Beyond, San Diego, California, USA, 2005,5933:169-181.

[6] 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京:建筑工业出版社,2008.

[7] 陈雪芬.医院洁净手术室气流组织的研究[D].天津:天津大学,2005.

[8] 赵庆,苏伟胜.恒温恒湿空调方案的选用[J].制冷与空调,2009,23(5):57-60.

[9] C Londono, J Lawall, M Postek, et al. The NIST Advanced Measurement Laboratory: At the Leading Edge of Measurement Science and Technology! [C]. Proc. of SPIE Vol. 6292, 629209, 2006.

[10] 黄培雷,杨志新,蒋哲敏.高精度计量实验室空调系统设计[J].制冷与空调,2013,27(4):343-347.

[11] D Vukobratovich. Environmental Control of the Metrology Laboratory[J]. Vibration Control in Optics and Metrology, 1987,732:58-65.

[12] 杨德福.古籍库恒温恒湿空调系统设计[J].制冷与空调,2016,30(2):142-144.

Air-conditioning System Design in Constant Temperature and Humidity Science Laboratory

Yu Lihua Wang Hongjun

( National Institute of Metrology, Beijing, 100013 )

With the continuous improvement of science and technology and the usage of high precision instrument and equipment, the higher control precision requirements on temperature and humidity in scientific experiment environment are put forward. In existing design specifications, there is no detailed description about air-conditioning design of constant temperature and humidity laboratory, and is still no that of ultra-precise constant temperature and humidity laboratory. In this context, air-conditioning design is discussed according to the category of constant temperature and humidity laboratory, which provides reference to the related design work.

science laboratory; constant temperature and humidity; ultra-precise; control precision; air-conditioning design

TU831.3

A

俞丽华（1980.02-），女，博士研究生，工程师，E-mail：yulihua@nim.ac.cn

2018-03-09

1671-6612（2018）05-511-04