国标图集《化学实验室通风系统设计与安装》详解

张 兢 孙永霞

(中国建筑标准设计研究院有限公司,北京)

1 图集介绍

1.1 立项背景

科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。2015年,习近平总书记在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》的说明中首次提出要以国家目标和战略需求为导向,瞄准国际科技前沿,布局一批体量更大、学科交叉融合、综合集成的国家实验室。随着国家目标和战略的需求,我国投入大量的经费到实验室建设中,从而使实验室建设项目数量激增,其中化学实验室的建设比例最大。

化学实验室是提供化学科学研究和实验教学的重要场所,分布在多个行业,如石油石化、医药、海关、质检、医疗、疾控、科研院所、高等院校等。相关标准更新速度较缓慢,不能很好地适应化学实验室快速建设发展的需要。同时,化学实验室作为能耗大户,节能减排也成为必然趋势。及时总结我国化学实验室建设和管理的发展成就、经验及不足,已成为非常重要且迫切的工作。

2020年6月,由同济大学、中国建筑标准设计研究院有限公司、同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司共同承担了国标图集22K523《化学实验室通风系统设计与安装》的主要编制工作。

1.2 图集适用范围

该图集适用于新建、改建和扩建的科研机构、高等院校、医疗机构等化学实验室的室内环境污染控制。其他行业、企业的化学实验室、化验室及中等职业学校教学实验室等,当与该图集使用条件一致时可参考相关内容。

该图集不适用于生物实验室。

1.3 图集主要内容

该图集为新编图集,包含以下几方面主要内容:实验室工艺布置平面示例、化学实验室通风系统设计和典型案例(图集编入了4种化学实验室的典型通风系统流程图及与之对应的4种典型通风系统的控制调节策略、控制原理图。图集中所给出的5个典型示例既能覆盖五大气候分区,也已包含最常用的各种通风系统)、局部排风设备选用与安装、风阀与其他设备选用与安装、实验室运行维护管理要求及附录。

2 图集详细解读

2.1 化学实验室现状及问题

图集编制工作启动前,编制团队对企业及科研单位的化学实验室进行了实地调研,并对排风柜的制造企业进行了实地考察。针对化学实验室的使用现状进行了较深入的摸底。

据了解,使用单位普遍反映的问题是实验室使用过程中排风柜气味外溢很明显,使用之后室内异味很久都不能清除。

实验室是教学、科研的重要基地,实验室的安全管理是实验室正常运行的基本保证。为了更好地使实验室为教学和科研服务,实验室的安全问题应排在第一位。该图集重点解决实验室排放物对室内外环境造成的安全隐患问题。

2.2 图集解决思路

2.2.1从前期化学实验室的工艺布置入手

1) 化学实验室工艺布置的重要性。

化学实验室工艺布置包括人员及物品的流线,各种实验家具,局部排风设备,必备的应急设施,实验用易燃、易爆、极低温、易泄漏等危险化学品的液体罐、气体罐等,以及管道井等空间。

化学实验室通风系统的好坏与工艺布置密切相关,设计人员应从前期工艺开始介入配合,尤其要重点关注排风柜的布置位置。

2) 排风柜布置位置的合理性。

实验室中的排风柜是一个专门设计的安全装置,其主要作用是排风和换气。实验操作时会产生各种有害气体、蒸汽、粉尘等污染物,为保证实验室中有良好的室内环境,使工作人员免受人身伤害,在污染源附近要设置排风柜。

现行行业标准JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》[1](以下简称《规范》1)第4.2节中有关于排风柜、实验台及实验仪器设备之间的最小净距要求,此处的净距要求更侧重于保证实验工作的正常操作和人员的安全疏散,缺少对人员走动、排风柜之间气流及实验室内气流等对排风柜安全高效运行的影响等相关考量。

从众多实际案例中可知,排风柜在工作状态时,周边人员的移动、相邻排风柜的气流干扰及实验室建筑门窗等洞口形成的对流气流都可能导致排风柜中有害气体的外溢或外溢加剧。

《规范》1中的第4.1.14条“排风柜的设置应避开主要人流及主要出入口,并应避开送风口及外窗气流的干扰”和第8.3.3条“实验室排风柜应布置在不受气流扰动的位置”、HG/T 20711—2019《化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范》[2](以下简称《规范》2)中第5.4.3条“排风柜应布置于远离人或物体频繁经过或移动的位置,且应避开从门窗流入的气流”,这些规定的目的都是为了防止外界对排风柜气流造成干扰,保证人员及环境的安全,但无相关数值规定,缺乏具体要求,对实际项目的操作没有实质性指导。

澳大利亚标准AS/NZS 2243.8:2014[3]对通用实验区实验台、排风柜或实验仪器设备等均有明确的工艺布置间距要求,且对土建的关键部位如门、窗等洞口距离排风柜的间距均给出了相关推荐值,如图1所示。

该图集采纳并借鉴了澳大利亚标准AS/NZS 2243.8:2014,在实验室工艺布置平面图示例中划出了排风柜操作柜门前的阴影“防干扰区”,供设计师在作实验室工艺布置时参考,相关布置图见图2。

图2 实验室工艺布置平面图示例

在此需要重点提示的是:

① “防干扰区”不得作为排风柜工作时的通道使用。当排风柜处于工作状态时,非实验操作人员应避免从“防干扰区”通过。

② 排风柜不得设置在实验室门窗可能产生对流气流的通道上。

③ 应保证排风柜距实验室门窗等洞口间距的最小值。

2.2.2化学实验室通风系统

1) 化学实验室通风系统的选用。

化学实验室通风系统有局部通风和全面通风两部分内容。除特殊要求必须独立设置通风系统外,可根据排放物质种类、安全性、运行操作、运行时间、设备数量、平面布置、室内环境一致性等因素适当合并通风系统。

2) 同时使用系数的合理设定。

在化学实验室通风设计中,通常采用一对多系统(即1台排风机服务多台末端排风设备或房间),选择风机时会考虑同时使用系数。有关同时使用系数的取值,编制团队查阅相关资料,在现行标准和规范中均未找到明确的数值规定。与一些设计院的专家交流时了解到,业内设计师通常按照经验值0.7来选定。最终在确保实验室安全、正常使用的前提下,该图集给出合用系统同时使用系数的建议值为0.6～0.8。

3) 重点关注实验室送风散流器的设置位置。

将排风柜放置在离送风口很近的位置时,可能会在排风柜柜门处产生交叉气流或温度梯度,造成乱流和可能的外逸。与图2相同,现行标准对实验室的送风口布置并未作出明确规定,仅《规范》2第5.4.4条规定“送风风口宜远离通风柜前实验区,空气流速不应干扰通风柜的排风气流”。

国外的相关实验数据表明,在离实验室排风柜至少1.5 m(5 ft)的地方设置适当大小的送风散流器,可以减少排风柜因交叉气流和送风温度变化而产生的湍流。该图集第16页的示意图摘自加拿大标准MD 15128-2013 《Laboratory fume hoods: guidelines for building owners, design professional, and maintenance personnel》[4],如图3所示。MD 15128-2013中将排风柜正面和侧面大约1.5 m(5 ft)的距离定义为1个区域(无扩散区,简称NDZ),提示设计师应避免在该区域放置送风散流器,除非散流器的送风不影响排风柜的性能,并且应避免在实验室排风柜附近安装出风速度较高的散流器。

图3 实验室送风散流器设置要求示意图

如图3所示,在无扩散区周围确定了3个区域,扩散区1和扩散区2是设置送风散流器的首选位置。在排风柜柜门前的扩散区3设置散流器时应谨慎。

《规范》2第5.4.4条规定,干扰气流流速不宜大于排风柜操作面风速的1/2,最好是1/5,即不受超过0.1 m/s的横向气流干扰。为了避免送风口的空气流速对排风柜排风气流的干扰,建议选用条缝型送风口、旋流式送风口、径向或半球形孔板送风口。

需要注意的是,该图集第8页中所列的薄壁台式、落地式、低台式、补风型、自净型排风柜,当2台及以上排风柜并排布置时,柜与柜之间应留有不小于100 mm的间距。该要求是为了避免排风柜使用时彼此间的气流干扰。

2.2.3局部排风设备及其他设备的选用

1) 国内局部排风设备的现状。

① 产品标准滞后。

国内目前有关排风柜的产品标准有3个,分别为JB/T 6412—1999《排风柜》[5](以下简称《规范》3)、JG/T 222—2007《实验室变风量排风柜》[6]、JG/T 385—2012《无风管自净型排风柜》[7]。最新的产品标准距今也已有10年之久。尤其是《规范》3,年代过于久远,其中对产品的外观尺寸没有具体要求,导致市场流通的接风管的排风柜产品实属标准框架下的“非标产品”,更新时互换性差。

② 产品种类繁多,五花八门。

根据《规范》3可知,排风柜仅包含标准型、补风型、台式和双面式4种。但现有市场上流通的排风柜种类繁多,远超出标准涵盖的内容。

③ 暂无产品相关的验收检测标准。

目前排风柜的生产企业只能向用户出具制造检测报告。由于国内标准体系不完善,排风柜现场安装完成后,对排风柜和通风系统的安装测试无据可依。

2) 局部排风设备的选用说明。

对收集到的12家企业资料进行整理后发现,各企业的命名存在很大差异。如垂直可视窗可落至地面高度的排风柜,有的企业命名为步入式,有的企业命名为走入式。再如柜壁相对较薄的排风柜,有的企业命名为节能型排风柜,有的企业命名为欧式排风柜。

在图集编制过程中,首先对排风柜的种类进行分类和命名,将步入式和走入式统一命名为落地式,将节能型和欧式统一命名为薄壁型。其次,该图集对收集到的各家企业产品资料分类整理,以量大面宽、通用性高的提取原则,形成各局部排风设备的外形尺寸表。最后采取合并同类项的方法,对参编企业的众多产品进行梳理、汇总,给出同类型“多元”的性能参数表(即部分参数给出范围值),供设计师参考。

该图集中接风管的排风柜的排风量基于以下参数确定:

① 竖直型柜门开启高度为457 mm或500 mm。

② 通用型排风柜的操作口设计面风速为0.5 m/s,高性能排风柜的操作口设计面风速为0.3 m/s。

③ 对于竖直型柜门开启高度不是457 mm或500 mm的排风柜,或是采用水平型可视窗的排风柜,其性能参数应以实际选用企业的资料为准。

3) 其他设备的选用说明。

化学实验室的通风设计不仅要保证室内的环境安全,对于室外环境的保护同样不容忽视。化学实验室在实验过程中产生的主要有害气体可分为有机气体和无机气体,针对不同的气体成分,该图集的废气净化装置分为吸附法和吸收法2种方式。实际工程中应根据化学实验室产生的废气成分、浓度大小及有无恶臭来选用不同的组合式废气净化装置。需要一再强调的是,无论采用哪种废气净化装置,最终排至大气中的气体,其污染物排放浓度及排放速率均要符合国家、地方及行业现行有关污染物排放标准的要求。

此外,图集中也给出圆锥形风帽和冲高风机的内容,需要说明的是,两者的使用前提均是其污染物的排放浓度等符合国家、地方及行业现行排放标准的要求。

2.3 节能环保的相关考虑

化学实验室在运行中会产生有毒有害气体,处理不当会造成人员身体损害和环境污染,因此化学实验室的通风系统有高换气次数、全新风运行、一定的房间压差等要求,从而造成化学实验室的通风和空调能耗远大于一般建筑。

该图集在解决实验室环境安全之余,也在节能方面有以下几点考虑:

1) 在“典型通风系统”部分,该图集主推节能效果显著的变风量控制系统。但考虑到仍有规模较小、通风末端集中启停的工程,图集的典型通风系统1仍给出定风量控制系统以满足业内需求。

2) 无风管自净型排风柜虽然在使用中有一定的局限性,但只要在使用前通过安全评估适用性判定,其系统、控制简单,初投资、运行费用较低的优势仍很明显。因此,典型通风系统也增加了此种类型的系统。

3) 由于补风型排风柜是将一部分新鲜空气直接补到排风柜内部,易造成有毒有害气体泄漏。因此,该图集只推荐变风量控制系统而不推荐补风型定风量系统。

3 结束语

国标图集22K523《化学实验室通风系统设计与安装》从图集立项到送审稿评审、送印,经过多次编制组工作会及专家审查会,历经了近2年的时间,目前已由中国标准出版社正式出版。图集作为工程建设的参考,可以从技术上规范、引导化学实验室通风系统的规划和设计,推动行业朝着良性有序的方向发展,为化学实验室室内环境的改善提供有力的技术帮助。望业界同仁能够给予更多的关注,并提出宝贵的意见和建议。

4 致谢

图集的编制工作得到了各界人士的关注,在技术条件审查会及送审图审查会阶段得到了众多专家和同行的反馈意见,编制过程中也得到了同济大学刘东团队和同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司杨木和团队的鼎力支持,在此表示感谢!