化工企业化学实验室通风空调系统设计应用

焦耀武(上海生特瑞建设有限公司，上海 200335)

0 引言

随着我国化工行业的高速发展，各类化工产品的实验和检验均需在实验室完成。同时，伴随着各类新型化工产品在实验室中通过实验不断地推出，实验室在化工企业中的地位越显突出。但是在各类化学实验操作过程中会产生或者释放一些有毒、有害或有腐蚀性的气体和粉尘，为了确保实验操作人员的身心健康及生命安全，实验室中的通风空调系统运行必须稳定、安全、可靠，必须确保实验过程中的有害气体通过通风柜安全排放。同时，实验室中的气流组织必须符合相关的标准规范，以确保实验室中有害气体不扩散至相邻房间。

1 某化工企业化学实验室工程概况

1.1 实验室布局

该实验室是某化工企业的化学实验室，其布局与高低压配电室和中央控制室布置在同一幢建筑物内，其中分析化学实验室建筑面积为150 m2，其中了包括1 间化学实验室，1 间样品间和2 间实验室办公室，建筑层高均为7 m，实验室所有房间吊顶净高为3 m。

根据业主对实验室中各类分析物料的分析要求和安全储藏要求，实验室每个中央实验台操作两侧各设有1 台3 节式万向抽风罩，总计8 个；单边实验台各设有1 台3 节式万向抽风罩，总计4 个；除此之外，还有通风柜4 台，试剂柜1 台及安全柜1 台。化学实验室实验设备平面布置图如图1 所示。

1.2 工程设计参数

1.2.1 室外设计参数

本工程位于江苏省南京市化工园区，参照南京地区设计参数。

1.2.2 室内设计参数

根据业主对化学实验室内环境要求和相关的标准规范要求，实验室室内设计参数如表1 所示。

表1 室内设计参数

2 某化工企业化学实验室工程通风系统设计

2.1 通风系统设计主要原则

考虑到实验室中排放有害气体浓度的高低及排风设备同时使用率，以及根据HG 20698—2009《化工采暖通风与空气调节设计规定》中关于“每个排风系统所带的通风柜不宜超过4 个[2]”及节约能源等前提条件，实验室中的排风系统共分为3个系统，即：4 台通风柜单独设置一套VAV 变风量排风系统；12 个万向抽风罩，1 台试剂柜，1 台安全柜及样品间全面排风共用一套变风量排风系统；同时实验室设有1 套定风量全面排风系统；另外，为了保证实验室中基本维持-5 Pa 的负压环境，化学实验室设置了1 套全新风的空调补风系统。

2.2 局部排风系统设计

2.2.1 通风柜排风系统设计

(1)通风柜布置

图1 化学实验室通风设备平面布置图

实验室中共设有4 台全钢通风柜，其外形尺寸均为L×W×H =1 200 mm × 850 mm × 2 350 mm，通风柜操作窗口净尺寸为L×H =1 000 mm × 750 mm。为了便于实验操作和通风管道的布置，每两台通风柜为一组分别靠墙布置，紧邻单边实验台，其布置如图1所示。

(2)通风柜排风量计算

单台通风柜最大排风量按下列公式计算：

式 中：Q 为 通 风 柜 最 大 排 风 量(m3/h)；F 为 操 作 窗口最大净面积(m2)；V 为操作窗口安全面风速(m/s)，取0.5 m/s[1]。单 台 通 风 柜 最 大 排 风 量：Q=3 600×F×V=3 600×1.0×0.75×0.5=1 350 m3/h

(3)通风柜排风系统设计

考虑到通风柜的同时使用率和节约能源等因素，该排风系统最终采用VAV 变风量排风系统。根据HG 20698—2000《化工采暖通风与空气调节设计规定》、JG/T222—2007《实验室变风量排风柜》中的相关规定及变风量通风柜气流量随操作窗变化曲线图(图2)，每台通风柜最低排风量确定为300 m3/h，最高排风量为操作门全开时的排风量1 350 m3/h，故整套VAV变风量排风系统的排风调节范围为1 200～5 400 m3/h。如图2变化曲线所示，在0～20%操作范围内，单台通风柜排风量为恒定值，即300 m3/h；在21%～100%操作位置，单台通风柜排风量随着其操作窗口的变化而成线性变化。

为了保证排风系统能准确无误地随通风柜操作窗口的位置变化而迅速做出相应的排风量调整，在每台通风柜出口排风管上配置1 套Phoenix 的通风柜排风控制系统，包括：通风柜变风量文丘里排风阀，通风柜监控器和调节门传感器。另外，该排风系统的排风机上也安装了1 套风机控制系统，包括：风机变频器，信号控制器和压力感应器。

图2 变风量通风柜气流量随操作窗口变化曲线图

当工作人员在操作通风柜时，通风柜上的通风柜监控器从调节门传感器获得调节门开启开度，通风柜控制系统通过面风速控制系统计算出调节门所处位置的排风量，控制系统会自动根据该排风量调整通风柜文丘里排风阀的开启度，以保证操作窗口的面风速恒定在0.5 m/s。同时，由于通风柜文丘里排风阀的开启度的变化会直接影响到排风管道中静压的变化，当压力感应器感应到静压力大于设定值时，说明通风柜操作窗口面积在减小，排风风机变频器随之降低风机转速，反之亦然。通风柜VAV 变风量排风系统的流程图如图5 所示。

2.2.2 万向抽风罩，安全柜，试剂柜及样品间排风系统设计

(1)设备布置

化学实验室中除了一些危害较大的实验需要在通风柜中完成外，其它一些一般的实验操作均可以在中央实验台或单边实验台上完成，这些一般的化学实验有害气体的排放就可以利用简单操作且较为安全的万向抽风罩，所以，在中央实验台的两侧各设有一个3 节万向抽风罩，单边实验台共设有4 个3 节万向抽风罩，总计12 节万向抽风罩。3 节万向抽风罩结构尺寸简图如图3 所示。

图3 3节式万向抽风罩结构尺寸简图

(2)排风系统排风量确定

根据实验室家具厂家提供的设备资料显示，万向抽风罩的排风量为Q=180 m3/h，试剂柜和安全柜的排风量均为Q=100 m3/h。另外，样品间货架上主要存放了平时做实验所需要的化学物料，为了防止因样品间中化学物料泄漏而污染实验室，在样品间设置了4 次/h 的全天24 h 排风换气，即总排风量为200 m3/h。

(3)排风系统设计

根据业主所提供的信息，万向抽风罩的同时使用率为50%，试剂柜，安全柜和样品间为全天24 h 排风换气。因此，最低排风量：Qwl=12×180×0.5+100×2+200=1 480 m3/h，最高排风量：Qwh=12×180+100×2+200=2 560 m3/h。

为了确保排风风机做出实时准确的风量变化，该排风系统的排风机采用了变频风机，同时在排风系统上安装了1 套风机控制系统。当实验操作人员开启或者关闭万向抽风罩时，排风风道中的压力传感器检测到压力变化，联锁调节风机变频器使风机频率提高或降低，以达到调节排风机排风量的目的，排风系统控制流程图如图4 所示。

2.3 全面排风系统设计

因实验室中通风柜不使用时也有300 m3/h 的排风量，试剂柜和安全柜全年排风量均为100 m3/h，另外万向抽风罩的同时使用率按φ=50%考虑，因此，实验室最低局部排风量：QJL=300×4+180×12×0.5 +100×2 =2 480 m3/h。

根据上述计算风量，该最低局部排风量基本能满足实验室的全面通风要求，但是因业主对该实验室中的空气品质要求极高，且考虑到保证实验室工作人员身体健康的需要，最终实验室中额外增加6 次/h 的全面排风系统，即排风量为QT=1 890 m3/h，该排风系统全年24 h 运转，保障实验室中具有良好的空气品质[1]。

2.4 排风设备和材料的选择及有害气体的净化处理

根据业主所提供的相关信息，实验室排放有害物主要为有机烃类和酸性气体，经综合考虑后，所有排风风机选用了耐腐蚀的玻璃钢材质风机，排风管道、排风管件及风阀均选用了耐腐蚀的PP 材质。依据本项目环评报告和相关的标准规范要求，在3 套排风系统的排风风机入口处均设置了高性能可拆卸的活性炭吸附装置，经过吸附过滤的气体高空排放，以保证排向大气的气体符合当地环保要求。

3 某化工企业化学实验室补风系统设计

3.1 补风系统风量计算

实验室中的3 套排风系统的最低和最高排风量分别如下：

(1) 通 风 柜 排 风 系 统：Qtl=300×4=1 200 m3/h，Qth=1 350×4=5 400 m3/h。

(2)万向抽风罩排风系统：Ql=1 480 m3/h，Qh=2 560 m3/h。

(3)全面排风系统：QT=1 890 m3/h。

所以，实验室最低排风量：Qsl=1 200+1 480+1 890=4 570 m3/h。实验室最高排风量：Qsh=5 400+2 560+1 890=9 850 m3/h。

另外，实验室中需维持ΔP=-5 Pa 的微负压，实验室门窗渗透风量为710 m3/h。所以，实验最终补风量如下：实验室最低补风量：QOl=4 570-710=3 860 m3/h；实验室最高补风量：QOh=9 850-710=9 140 m3/h。

3.2 补风系统选择

根据上述的计算结果，验室中排风系统的最高排风量达到了Qsh=9 850 m3/h，补风量范围为3 860～9 140 m3/h。自然补风既不能满足补风风量要求，也不能满足实验室对其温度和湿度的要求。另外，考虑到实验室中的排风因含有高浓度的有害酸性气体而无法采用能量交换装置。综合以上因素，实验室补风系统采用直接蒸发式全新风空调机组的机械补风系统，以保证实验室中全天24 h 的温湿度基本恒定[2]。

3.3 补风系统设计

3.3.1 过渡季节空气处理

直接蒸发式全新风空调机组主要由进风段、过滤段、除湿段、蒸发段、加热段、中间段及风机段组成，其中过滤段由30%初效过滤和85%中效过滤组成。在春秋季节，室外空气温度和室内所要求的温度基本相同，所以，无须启动蒸发器或加热器，室外的空气直接经过初中效过滤器和除湿机除湿后，就可以满足实验室新风品质的要求。

3.3.2 空调季节空气处理

在南京地区，冬夏季的温湿度均不满足实验室新风质量要求，所以夏季室外空气必须经过降温除湿、冬季室外空气要经过加热后才能送入到实验室中。因实验室对温度有较高的要求，实验室中设置了温度传感器，与直接蒸发式全新风空调机组联锁。当夏季实验室温度超出t=26±2 ℃的范围时，温度传感器发出联锁信息，直接蒸发式全新风空调机组根据所接受到的信息，自动调整冷凝机组启停的台数以增加冷负荷或减少冷负荷；冬季实验室温度超出t=20±2 ℃的范围时，空调机组自动调节蒸汽总管上阀门的开度以控制通过加热盘管的热负荷。直接蒸发式全新风空调机组流程图如图4 所示[3]。

4 某化工企业化学实验室控制系统设计

图4 直接蒸发式全新风空调机组流程图

实验室控制系统包括通风柜VAV 变风量控制系统、房间温度控制系统及房间压差控制系统。通风柜VAV 变风量控制系统，房间温度控制系统已经在文章第3 节和第4 节均做了详细的叙述。以下主要叙述房间压差控制系统设计：

房间压差控制系统主要由室内压力探头、压力传感器和控制器组成。压力探头将室内压力变化传送到压差传感器与室外压力进行比较，当室内外压差大于或小于ΔP = -5 Pa 时，控制器自动发送联锁信号给直接蒸发式全新风空调机组，直接蒸发式全新风空调机组根据接收到的联锁信号自动调节空调送风机的频率，以满足实验室室内所需要的新风量，具体实验室控制系统流程图如图5 所示。

图5 实验室控制系统流程图

5 某化工企业化学实验室安全系统设计

5.1 紧急排风措施

实验室中虽然设置了局部排风系统和全面排风系统，但是实验人员在通风柜中做某些实验时，可能由于操作不当或其它原因，导致大量的有毒有害气体的产生。这种情况下，通风柜排风系统必须在最短的时间内排除这些有害气体。所以，在每台通风柜上安装有1 个紧急按钮，当发生上述紧急情况时，只要按下此按钮，排风机不管在什么状态下，都会自动调到最大排风状态，以保证实验人员的安全。

5.2 气体监测设施

实验室还会用到氮气、氩气及其它一些惰性气体，为了保证实验室中氮气等惰性气体浓度不超标，在实验室中南北侧内墙上各装有1 个氧气浓度监测仪。当氮气等惰性气体浓度超标时，氧气监测仪会发出警报声，提醒实验室工作人员及时撤离实验室。

6 结语

综上所述，化学实验室良好的通风空调系统设计需要满足实验室温湿度、废气排放及安全等方面要求。所以，随着我国化工行业的高速发展，化学实验室在企业中的地位越来越重要，企业应高度重视化学实验室的通风空调系统的设计理念及系统安全等方面因素，为实验操作人员提供一个安全、舒适的工作环境。