化学实验室通风系统设计方法分析及比较

张萍

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

近年来我国实验室建设发展迅速，实验室面临着能耗大、工作环境危险性大、空气污染严重等问题，为确保科学实验的精确性，保障实验室工作人员的安全与健康，保护大气环境，实验室的通风空调系统起到至关重要的作用。鉴于实验室通风空调设计没有完善的设计手册指导，笔者以某高校某层实验室为例，阐述实验室通风系统的设计方法以及实验室尾气处理方法，并比较了两种不同补风方式的优缺点。

1 实验室通风量计算

1.1 换气次数及常用通风设备通风量

根据联邦公报-美国职业安全和健康委员会（OSHA）、ASHRAE 110 Application Handbook、美国全国防火委员会（NFPA45）《化学实验室防火》 等标准对于实验室换气次数的规定，总结下来，实验室换气次数在正常工作模式为≥8 次/h，在节能工作模式为 4～6 次/h，在紧急工作模式为12 次/h。国内标准 《化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范》（HG/T 20711-2019）[1]规定，处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不应低于6 次/h。同时，这些标准都规定了实验室必须保持负压，确保气流单向性，以免交叉感染，根据 《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力》（2009），机械进风量可取排风量的70%，其余部分自然渗透。

某化学实验室通常包括以下通风设备：通风柜、通风试剂柜、原子吸收罩、万向排风罩等。综合各实验室标准规范，通风柜的面风速宜取 0.5 m/s，此时通风柜的气流抑制性及运行能耗达到比较好的权衡。介于通风柜有这样的风速要求，通风柜柜门根据不同工况会开启不同高度，因此通风柜应采用变风量通风系统。其他设备均只需定风量通风系统。我国常用通风柜及定风量设备排风量可参考表 1[2]（排风量的最小值是通风柜移门关至最小时的排风量。最大值是移门开到 工作高度的排风量）和表 2。

表1 常用通风柜排风量

表2 常用定风量设备排风量

1.2 通风系统计算举例

由于各实验室设备组合方式的不同，通风量计算方法也有所不同，现以某层实验室为例，计算较为典型的6 个实验室的通风量，其实验室布置如图1。注意：气瓶柜应放在主体建筑物之外的气瓶存放间。对日用气量不超过一瓶的气体，室内可放置一个该种气体的气瓶，但气瓶应有安全防护设施[3]。气瓶柜的放置应根据相关规范及气体种类综合考虑。

图1 典型实验室布置图

根据上述常用设备的排风量及实验室所需换气次数等数据，计算这 6 个实验室进排风量，计算结果见表3。

表3 典型实验室通风量计算

表3 中：

1）房间净高按4 m 计算，全室排风量按 8 次/h 换气次数计算。

2）通风柜按柜长1.5 m 考虑。排风罩按实际尺寸计算。通风试剂柜按每台300 m3/h 计算。各设备同时使用系均取1。

3）放置可燃气体气瓶柜的实验室按换气次数 12 次/h 计算事故的排风量，该实验室的排风机均为防爆风机。

4）*表示在同时设置通风柜和排风罩的实验室，由于风机是变频的，即使设备最小排风量＜全室排风量，可以调节风机风量，加大房间总排风量，无需另设房间排风口。

2 实验室通风系统设计方法

传统的定风量系统已无法满足实验室工作需求，现行的实验室多采用变风量通风系统，主要通过变风量阀（文丘里阀等），定风量阀及控制单元来控制通风系统的进排风量，以满足需求。

2.1 变风量系统控制逻辑

实验室变风量系统控制逻辑主要有两种，一种是压差控制，另一种是余风量控制。

压差控制，是通过设在实验室内的房间压差传感器，直接监控实验室与走廊或非实验区域的压差值，确保气流的单向性，保证实验室与其他区域无交叉污染。当房间内排风减少或增大时，房间压力传感器传输信号到控制单元，增大或减小补风机风量。压差控制多用于小型，封闭的实验室，控制更准确。

余风量控制，是通过调节实验室送风量和排风量，保持设定的风量差，维持风量平衡，确保气流的单向性。带流量反馈的变风量阀门用以监测风量。当房间内排风量减少或增大时，新风根据这个差值相应的减少或增大，保证差值不变。余风量控制适用于大型、开放型实验室，准确性没有压差控制高。

通风柜要求面风速控制在0.5 m/s，就需要柜门处的传感器，如红外线传感器，给通风柜的变风量阀传输信号，变风量阀门再将信号传输给控制单元，不管是压差控制还是余风量控制，都反应到排风机及相应送风机的变频控制柜，实现风量的平衡。

另外，控制系统会通过设定房间的长宽高，计算出全室排风量。以实验室3 为例，当 4 台通风柜均不工作时，房间排风量为 300×4=1200 m3/h，而计算得的全室 排风量为 2176 m3/h，当房间排风量（变风量阀处传输信号）小于计算得到的全室排风量时，打开房间排风口处变风量阀，使房间总风量满足全室排风量要求，同时控制单元将调整后的排风量信号，通过压差控制或余风量控制方法，控制送排风机的风量。

当然，不管是通风柜面风速的控制，房间内排风支管变风量阀开度的控制，还是排风机及送风机风量的控制，都是同时进行的。

2.2 变风量系统设计方法

典型6 个实验室的通风设计方法如图2 所示。每个实验室排风通过竖井内的立管升至屋面，每个房间为一个系统，设一台玻璃钢耐腐蚀风机，尾气高空排放，1～ 4 号实验室设变频风机，5～ 6 号实验室为定频风机。补风单层考虑，按最大补风量之和的60%（同时使用系数）计算，由新风空调箱经冷热处理后送入各实验室。通风柜排风支管及相应房间进风支管均需设置变风量调节阀，排风罩、通风试剂柜等设备排风支管及相应房间的送风支管均需设置定风量调节阀。

图2 典型实验室通风设计方法

设计过程中还需考虑以下几个问题：1）为保证通风柜的面风速稳定，通风柜前 1.5 m 的距离内最好不布置送风口。2）排风系统主风管内风速一般不超过 8 m/s，支管内风速一般不超过 6 m/s，风口颈部风速一般不超过2.5 m/s。3）排风机选型一般按照最大排风量和最大压力损失进行选择，不考虑通风柜的使用概率。4）排风管需要根据气体种类选择合适的材料，耐腐蚀风管可采用难燃材料制作，一般采用无机玻璃钢风管、PVC、PP 风管等。

3 实验室两种送风方式的比较

3.1 常用的两种送风方式

现阶段，实验室送风一般采用这两种方式。方法一是根据计算得到的送风量，由新风空调箱经冷热处理后送入每个房间，风口可为散流器或双层百叶。方法二是每个实验室分别设冷热盘管，靠内外压差自然进风，室外新风与盘管内的冷热水进行换热，再送入房间。现以设置两台通风柜，净高为3 m 的实验室为例，模拟通风柜全开时，两种送风方式下的冬季室内气流组织。模型设置如图3 所示，设置一面外墙，单位面积向外传热量为 60 W/ m2，每台通风柜风量均为 1500 m3/h，全开时操作口大小为 1400×600，其中方法一送风温度设置为 18 ℃，送风百叶 600×400，送风量为 2100 m3/h，方法二室外供暖温度为-9 ℃，盘管放热量设为 17 kW，送风百叶 1000×400，送风量为 2100 m3/h。

图3 两种送风方式模型设置图

3.2 两种送风方式对比分析

经过气流组织模拟软件 Fluent 模拟计算，截取h=1.5 m 两种送风方式下的室内温度场，如图4。

综合以上结果，对两种送风方式比较分析如下：

①温度值：如图4，方法二由于盘管传热效率不可能达到100%，实际送入房间的温度小于理论计算温度，即使设置在送风量一样的情况下，室内温度也低于方法一，更何况仅靠内外压差自然进风的方式，送风量也会小于方法一，实际室内温度会更低。

图4 两种送风方式室内温度分布

②温度分布：由于左边墙体为外墙，不管送风口是设置在靠内墙的上送风口还是靠外墙的侧送风口，在人员活动区域高度，内墙处都比外墙处温度高，因此，通风柜可考虑设置在靠内墙处，但同时要考虑送风口风速对通风柜操作口的影响。

③成本：在相同冷热水需求的情况下，方法一采用全新风经冷热处理的方法，能耗较大。且需要一台新风处理设备及一套送风系统，包括风管、阀门、控制单元等，增加造价。

④控制：方法一由于支管上安装变风量阀，送风机变频，送风量会随着室内排风量的变化而变化，准确有效。方法二只能依靠室内外压差，改变自然进风量，风量无法得到保证。

⑤其他：方法二的室外百叶需结合外窗，安装位置受限，室外百叶容易积灰，需要及时清洗更换。方法一的送风口可以灵活布置。

4 尾气处理措施

规范[1]规定，排风系统排出的有害物浓度和排放速率超过有关标准规定的允许排风标准时，应采取净化措施，排放标准可以参考 《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）。但是大多数实验室业主无法给出排放物的种类及具体浓度，笔者建议设计人员可考虑对设置有局部通风设备实验室进行尾气处理，对只需全面排风实验室，排风经耐腐蚀风机后高空排放。

现阶段实验室尾气处理一般有以下几种方法：

1）对于苯、醇、酮、酯等有机溶剂的废气，一般采用活性炭吸附，利用高性能活性炭吸附剂固体本身的表面作用力，将有机废气分子附着在吸附剂表面，从而降低有害气体浓度，活性炭吸附适用于大风量低浓度的有机废气治理。

2）对于酸性无机废气，一般采用洗涤塔，气相中的酸性物质与洗涤塔中的液相碱性物质发生化学反应，通过一级或者二级中和反应，生成洁净气体排至大气，但是，在严寒和寒冷地区，洗涤塔不适宜使用，液体有被冻住的可能性。另有一种吸附塔，以大比表面积碱性固体颗粒状的吸附剂作为填料，当废气中的酸性分子和水分子靠近吸附剂表面时，便会被吸附剂吸收，并与碱性物质发生化学反应，生成钙盐而被固定下来。

严格来讲，尾气处理应根据尾气种类及浓度比例等理化特性，制定专门的处理装置及吸附材料，不能一概而论。由于吸附填料的阻力损失都较大，塔体重量也较大，需要设计人员考虑风机的压头和设备平台的承重。

5 结语

变风量通风系统是现代实验室通风设计的主要方法，笔者列出了几种常用实验室局部通风设备的通风量，详解了变风量通风系统设计方法，基于气流组织模拟软件，比较了现行两种补风方式的优劣，并介绍了几种常用尾气处理设备，望对实验室通风设计工作者提供参考作用。