实验室通风系统设计探究

王强

摘 要 基于分析实验室通风柜的工作原理，结合实验室的暖通相关设计要求，重点讨论了VAV系统的设计及控制逻辑，及其对实验室安全性、功能性的重要性。

关键词 实验室通风;通风柜;VAV;房间压力控制

前言

在对化工产品需求量不断增加的今天，很多企业均加大了对研发中心的投入，而实验室作为研发中心的核心区域，承担了新型材料的研发重任，研发人员作为研发企业的重要财富，如何让他们在处理化学品实验的时候确保他们的健康安全，以及化学实验顺利进行，其中暖通系统设计将是实现这些功能的关键。

在实验室，暖通系统负责创造一个良好的工作环境，包括温湿度，房间正负压，有害物质的及时排放，而通风柜则负责将有害物质集中起来，如何将两者有机结合，让两者能够完美契合的工作，则是暖通设计需要努力的方向，而通风作为暖通系统的一个重要组成部分，与实验室设备结合地更加紧密，本文重点探讨通风系统的设计。要想做好实验室的通风系统，除了基本的通风专业知识，还要熟悉通风柜的工作原理，以及最终如何通过合理的自控逻辑来实现我们想要的结果，这三个因素环环相扣，相辅相成，对于一个实验室通风系统的成败起到了决定性的作用。下面对这三个因素逐个进行剖析。

1通风柜的类型和工作特点

市场上存在着三种类型的通风柜，分别是定风量型、补风型以及变风量型通风柜。这三种类型的通风柜，虽然都能起到保护实验室人员安全的作用，但依然有着各自的特点，从最初的定风量通风柜发展到变风量通风柜，一定程度上也是暖通与自控技术日趋完善的结果。身处日新月异的21世纪，变风量通风柜已经占据了市场上的绝对份额。

面风速决定了通风柜柜门处的气流处于负压状态，确保有害气体无法溢漏出通风柜，从而保证使用者的安全，允许的面风速在许多关于实验室通风的标准中都有规定，例如SAMA标准LP-10-1980中规定0.5m/s为安全操作的理想面风速，对于不同的化学物品和实验状态，一般推荐面风速的范围为0.3～0.6m/s，在实际项目执行中，我们一般取0.5m/s。因为柜门的开启会影响到风量的变化，为了要保证柜门面风速，监测通风柜的柜门开启则变成了必须，因此在探究通风系统设计之前，有必要首先分析一下变风量通风柜的工作原理。

目前监测变风量通风柜开度的方法有两种：

（1）面风速法：通风柜入口边缘处安装风速传感器，用来测风速，然后通过传感器将信号传送到配套的控制器，控制器接到信号之后通过比较和计算得到所需的排风量，进而通过改变风机频率或控制风阀开度来调整排风量，最终使通风柜的面风速控制在设定值。

（2）位移法：通过安装在柜门旁边的位移传感器测得柜门开度并传输给控制器，控制器再通过计算得出所需风量，然后通过实时改变风机频率调节排风量，最终使面风速控制在设定值。

柜门开度的检测原理看似简单，但是它却是整个通风自控系统的信号发源地，而且整个通风设备参数的确定，都需要以变风量通风柜的排风需求和实验室的同时使用率为基础进行分析，合理的考虑同时使用率以及单台通风柜的风量可以有效降低初投资，在后续实际运行中，让通风设备处于最佳工作状态点保持高效率运行，同样可以减少运行成本，节能环保是一个永远的主题，所以作为能耗大户，暖通工程师应该自觉承担起这个责任。

从上述的工作原理可以得知，变风量通风柜的排风量会根据使用情况进行调整，因此，决定了变风量的通风系统将是必需的选择，而除了变风量通风柜的使用需求之外，变风量通风系统也的确具有众多优点：①当实验室的排风量减少的时候，可以相应减少送风量，尤其是新风量，这样可以节约能耗成本;②应用同时使用率的概念，让系统的容量更加贴近使用者的需要，以此减少不必要的建设成本，避免了大马拉小车的过度设计;③实验室的设备通常会有更新的情况出现，压力无关性的变风量控制器可以自动适应系统的变化，排风管路压力的变化并不会影响到控制阀的运行，所以当实验室系统安装调试完成之后，以后若再有局部区域改造，只需要在受变化直接影响的区域进行再平衡即可，而不需要对整个通风系统再次进行风平衡调节，让实验室的局部改造变得更加简单[1]。

2通风系统的理论计算

理解了通风柜的工作原理，确定了变风量通风系统，接下来就是要对暖通设计进行详细计算。由于实验室有一些有害气体排放，为了防止气体溢出到其他非实验室区域，所以要求实验室必须处于负压状态，因此，详细准确的风量平衡计算是必需的，通常确定室内风量平衡的步骤有：

（1）整理出实验室中的通风设备，比如通风柜、万象排气罩、药品储藏柜等。根据这些通风设备的尺寸和工艺要求，计算他们的排风量范围。比如通风柜，每个通风柜必须有最小排风量，以确保在柜门拉至最小时，柜子里的气体依然可以进行排放稀释，防止浓度积累过高导致操作人员再次开启柜门时发生气体逸漏从而造成危险，国内标准一般为250m3/h，而当通风柜的柜门开启到正常高度时，对于1500mm宽度的通风柜，在保证面风速0.5m/s的情况下排风量折算为1600m3/h。

（2）根据实验室的面积和换气次数等通风指标计算最小排风量。房间换气次数的指标，有人占用的实验室换气次数通常按照6～8次/h考虑，无人占用时比如夜间，则可以减少至2～4次/h。如果通风设备在最小排风状态时的总排风量比按照通风指标计算的最小排风量还要小，则必须配置室内辅助排风阀补充排风量，使得在正常工况下，总排风量能满足换气次数的要求。

（3）根據室内总排风量和室内压力要求，确定室内送风的范围。

（4）确定变风量阀的风量范围和要求，列入设备规格表。

按照上述4个步骤，假设20m2的一个实验室，里面包含1台1500mm的通风柜，1个万象排气罩，套用我们上述的步骤作室内风量平衡计算：

（1）根据通风柜的开窗最大开口尺寸和平均面风速，计算出他的排风量范围是250m3/h～1600m3/h。万象排气罩的排风采用定风量阀，风量为150m3/h。

（2）根据实验室的面积20m2，层高2.8米，通风换气次数8次/h，计算出室内最小排风量448m3/h。当通风柜在最小排风状态时的总排风量是250+150= 400m3/h，比按照通风指标计算的最小排风量448m3/h小，需另外配置一个室内辅助排风阀，使得在正常工况下，总排风量是满足室内换气次数要求。

（3）根据室内总排风量、室内负压要求以及房间门窗密闭性，估算送排風风量差为100m3/h，由此可以确定室内送风的范围。

（4）确定变风量的风量范围和要求。1个通风柜控制阀250～1600m3/h，1个室内辅助排风控制阀0～48m3/h，1个定风量阀150m3/h，1个室内送风控制阀348～1500m3/h。

依靠这4个步骤，将实验室的房间逐个统计，然后考虑同使用率进行设备选型，就可以得出整个通风系统的排风量、送风量以及控制阀的数量及参数，从而确定了整个通风系统的所有关键要素[2]。

3变风量通风系统中房间压力的控制原理

对于实验室来说，压力控制决定了实验室的安全等级，对压力的控制就只能通过控制送排风量来完成。在研发人员实际使用中，实验室的情况会不断地出现变化，那么就需要相应调整送排风量来控制房间室内外压差，然后再进行热湿调节等其他操作。比较主流的两种压力控制方法是直接压力控制、流量跟踪控制，接下来我们通过分析两种不同的控制方式来更好地了解他们，从而能够更好地让他们去服务通风系统。

3.1 直接压力控制

在直接压力控制方式下，房间控制器通过调节送风和排风阀门，来保持实验室与相邻区域的压差稳定。控制器将会根据实验室和实验相邻区域的压力传感器直接测得压差数据，然后采集压差信号并将其与原先设定的压差值进行比较，根据两者之间的差值来调节送排风量，因此，直接压力控制可以直接的反映到压差控制上，让其实验室的压差最接近设定值，但是他也有局限性，容易受到干扰，比如门窗的开启。

如图所示的工作原理图，可以看出系统相对简单，但是在我们实际的项目案例中，压力控制系统的表现并不是特别稳定，主要原因是这种系统对房间的密闭性要求非常，隔墙是否到结构顶、机电管线穿隔墙的密封是否严密，都将影响系统的准确性，因此房间压力要求高，密闭性好的实验室，将会更加适应这种控制系统。

3.2 流量跟踪控制

流量跟踪控制设计是利用风量传感器测得的送风量和排风量，利用控制器对房间的送排风量进行采集并做比较，使得送排风量的差值保持恒定，从而实现房间的压差控制。

从上图可以看出，流量跟踪控制系统的对象是风量值，必须测量所有送、排风管道的风量，房间压力不再是流量跟踪控制的一部分了，在这种情况下，直接压力控制系统因为门窗突然开启而使系统失灵的弊端就不再存在了，即使门窗突然开启，送风量和排风量依然不会改变，两者之间的差值依然也是固定值，从而使实验室依然保持负压。

如果要采用流量跟踪控制系统，则必须弄清楚余风量的概念，如何确定余风量，会影响到这套系统的准确性，余风量等同于送风量和排风量的差值，是基于房间门窗的数量和房间渗漏量来计算的，在实际案例中，理论值与实际值有一定的差异存在难避免，可以根据后续实际情况，通过矫正余压值的设定直到实验室最终达到稳定的负压。

在实际案例中，流量跟踪控制系统被更多的选用来控制实验室的压力，一方面，是因为送风量和排风量数值更加容易预测和计算，另一方面，即使房间门打开的情况下，房间送风量和排风量不变，负压依然存在，对人员健康依然有保障[3]。

4结束语

通风系统对于实验室的成败起到了决定性的作用，而经过几十年的实验室设备比如通风柜的发展，变风量系统顺应着时代发展走上舞台，通过剖析变风量通风柜的特点、通风系统的理论计算以及房间压力控制逻辑，可以更完整地帮助我们完成实验室的通风系统设计，让三者紧密结合。

参考文献

[1] 赵敏华，沈晋明.VAV在实验室通风空调中的应用和控制[J].洁净与空调技术，2014（1）：45-49.

[2] 高磊，沈晋明.实验室通风技术与控制[J].医疗卫生装备，2005（12）：31-34，36.

[3] 刘海华.对化学实验室暖通控制的探讨[J].机电信息，2014（23）：32-35.