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          技術支持

          實驗室通風系統設計和文丘里閥

          實驗室氣體管路建設

          核心提示:實驗室通風系統是整個實驗室設計和建設過程中,規模最大、影響最廣泛的系統之一。

          實驗室通風系統是整個實驗室設計和建設過程中,規模最大、影響最廣泛的系統之一。其通風系統的設計,對于實驗室環境的舒適度、實驗工作人員的身體健康、實驗設備的運行維護等方面產生重要影響,并關系到實驗室的投資成本、能源消耗及后期運行費用。

          實驗室通風系統設計的目的,是為工作人員提供安全、舒適的工作環境,減少人員暴露在危險空氣下的可能。由于在實驗操作過程中可能產生有毒有害氣體,為確保實驗人員安全,此類可能產生有毒有害氣體的實驗,要求盡量在排風柜或生物安全柜內進行,不能在排風柜內進行的,要設局部排風設施,例如原子吸收罩、萬向排氣罩等,同時,實驗室要設全面通風(或稱輔助排風)系統滿足實驗室最小換氣量要求。通風系統的設計目標是使得實驗室通風效果好、噪音低、操作簡便、節約能源,室內壓差和溫濕度都能保持人體的舒適。

          01實驗室通風系統

          實驗室通風系統一般有定風量系統、雙風量系統、變風量系統的形式:

          1.1 定風量排風系統

          排風機采用單速定頻風機,排風量基本恒定不變,系統無法隨排風柜使用數量及排風柜門開啟高度而調節風量。該系統優點是設計直接、投資小、控制簡單;缺點是靈活性差、噪音大、排風柜面風速難以保證,會有部分有毒有害氣體從排風柜中逸出(面風速過小或過大都能造成氣體從排風柜中逸出),且運行費用高(排風機的電力消耗最大化,被排風機排出的熱能消耗最大化)。

          1.2 雙風量系統

          排風機采用雙速風機,在兩個預定的風流量值之間進行高-低(或者稱為最大-最?。┣袚Q,較定風量系統有所改進,但沒有從根本上改變定風量系統的缺點,目前應用不多。

          1.3 變風量系統

          排風機采用變頻風機,在排風或補風主風道上設壓力傳感器,利用靜壓控制器PID控制變頻器調節風機轉速,達到恒定靜壓或動壓調節風量的目的。高性能的氣流控制器可以快速、穩定的在大流量變化范圍內調節。在變風量系統中排風柜一般采用面風速控制,通過在排風柜前采用人體感應器檢測人員是否存在,來控制柜門面風速,當操作人員在排風柜前作業時,將排風柜面風速設定為工作模式,此時排風柜面風速控制在0.5m/s, 當操作人員離開的時候,將排風柜面風速設定為待命模式,此時排風柜面風速控制在0.3m/s,遵循《實驗室變風量排風柜》JG/T222-2007規范之要求。另房間還要設輔助排風,當排風柜排風量不滿足實驗室最小排風量要求時,輔助排風自動打開,保證實驗室最小排風量符合標準要求。自動變風量控制系統的優點包括:節能顯著、安全性高,易于適應風量變化需求。

          02實驗室全面排風

          當排風柜排風量不滿足實驗室最小排風量要求時,輔助排風自動打開,保證實驗室最小排風量,排風量換氣次數依照房間的功能與要求。

           

          03補風系統

          為了確保不出現氣流回溯,實驗室一般會設定較高的排風量,且連續排風時間較長(一般多為7*24小時全天候開啟排風系統),因此實驗室室內負壓過大的情況非常常見。為平衡室內外壓差,避免出現負壓過大的情況,實驗室在設計時就需要規劃實驗室補風系統,以維持房間設定的壓力,負壓防止實驗過程中有毒氣體和顆粒以及化學品存放過程中揮發的有害氣體向其他空間外溢,正壓實驗室不受外部空氣污染影響檢驗結果,并使得實驗室內換氣率能有效控制,室內空氣應充分置換,保證其新鮮度。

           

          3.1 補風量計算

          補風量的設定有相應的計算公式,應根據實驗室排風量及設定的負壓值(相對相鄰房間、走廊或大氣)計算確定,補風量按下列公式計算:Lb=Lp-Ly。式中,Lb 為補風量,m3/h;Lp 為排風量,m3/h;Ly為維持負壓所需風量,也叫余風量,m3/h;Ly可按負壓值與房間換氣次數的關系確定,也可按縫隙法計算,依照房間的壓差功能要求補風量比例在50%~90%不等,有正壓要求的房間補風量比例不低于110%,可參考下圖。

           

          ▲圖 氣流梯度控制

          3.2 補風方式

          實驗室的補風方法一般有兩種,分別是自然補風和機械補風。

           自然補風不安裝補風機,通過實驗室內外的壓差(室內為負壓)將室外新風經過濾器、管道吸入室內達到補風效果,由于新風是被室外的正壓壓入負壓的室內,所以自然補風可以使得氣流達到動態平衡,同時也保證實驗室氣流流向穩定,且始終處于負壓狀態。自然補風的優點主要是不需安裝補風機,節省了前期投資和補風機運行的電費;缺點是在設計裝修時需要提前擴大進風井或進風百頁面積,這需要占用建筑使用面積或影響建筑立面效果,其次是不通過補風機的自然風無法進行加熱或冷卻處理。

          機械補風設置引風機形成理想的氣流組織,將室外新風經集中處理后,由補風機經管道送入房間內,機械補風可以對其加熱或冷卻處理及過濾等預處理,進行采用定風量補風還是變風量補風系統,一般與排風系統對應,即排風為定風量系統,補風也為定風量系統,排風為變風量系統,補風也為變風量系統。

          3.3 補風地點

          室內補風的補風地點一般沒有很大的限制,可以直接補在排風柜內或柜門前,也可補在房間內,但是不同的補風地點有著不同的影響,在排風柜內或柜門前補風的優勢是不需要為新風做加熱或冷卻處理,可節省能源,節約成本;缺點則是新風會影響通風柜內實驗時的實驗數據,同時破壞操作人員工作環境舒適性,這種補風地點不適用有面風速要求的排風系統。與之對比,補風地點設置在房間內時,其優點是操作人員的工作環境基本不會受到影響,對排風柜面風速及柜內氣流亦無影響;缺點則是新風一般需要經過加熱或者冷卻處理,能量成本要比第一種補風地點高。

           

          04通風柜變風量控制器

          通風柜變風量控制器有一類是測量柜門面風速,通過與設定風速比較,調節風閥開度以達到設定值,風閥一般采用蝶閥,其缺點有:精度受測量點的位置和數量影響,比較容易受到安裝位置和內外氣流(紊流)影響,測量到的風速需要通過傳感器轉換成電信號調節風閥,系統反映速度稍慢,控制信號響應時間:<3秒,面風速控制精度一般在±20%。

           

          另一類排風柜變風量控制器,目前主流使用的是文丘里風量控制器,通過測量移門位置,借助位移傳感器測得移門開度并傳輸給控制器,控制器根據“流量=平均流速×面積”的公示計算出的風量來實時改變閥門的開度大小來調節排風量。該系統抗干擾性好,控制穩定,從理論上屬開環控制,在試劑應用中需另設風速儀或其他反饋裝置,以保證控制的準確性和可靠性。調節風閥開度具有精度不受柜前有無人員遮擋影響,調整風量過程迅速精準,響應時間短,可實現傳統的變風量閥不可能實現的高調節比(1:17~20)、與管道靜壓無關(150~750PA)、響應時間快(小于1秒)、風量控制精確到氣流控制信號的±5%等特性。

          05變風量通風系統控制

          5.1 常用的實驗室變風量通風系統控制原理

           

          5.2 通風柜面風速控制系統工作原理

          確定安全有效的面風速,對實驗室工作人員來說,通風柜集塵能力是關鍵問題。與正確的集塵能力相關的幾個因素是:面風速、交叉通風和工作實踐。研究與現場經驗使人們了解到通風柜有效的面風速設定值。通用的工業標準是0.3m/s~0.6m/s,現在很多設施中,0.5m/s被接受作為安全運行標準。有研究表明0.5m/s的面風速要求部分是因為操作人員的存在和移動。而未占用通風柜(即那些沒有人使用的通風柜)在面風速減少到0.3m/s的情況下運行時可以包容有害氣體。而占用的通風柜則需要較高的流速以保證通風柜正確的集塵能力。操作人員的移動在面風速為0.4m/s~0.5m/s時對通風柜集塵能力幾乎沒有影響。但在0.4m/s以下時,擾動會明顯導致有害氣體濃度升高。而當沒有操作人員移動時,0.3m/s以下面風速也可以滿足實驗室一般性集塵環境的使用要求。面風速控制圖解(下圖)。

           

          5.3 風量的控制方法

          目前對于風量的控制方法有面風速法和位移法。 

          面風速法,通常是利用安裝在排風柜入口邊緣處的風速傳感器測得風速并傳輸到控制器,通過比較和計算得到所需風量,然后改變風閥開度調整排風量,最終使其面風速保持在0.3m/s~0.6m/s(OSHA)的某個設定值或是某個較小的范圍。其特點是:結構簡單易安裝,控制相對容易;閉環反饋控制保證了安全性和節能性的控制效果;以一個點的風速來代替面風速,與真正的控制對象其面風速還會有些偏差,比較容易受到安裝位置和內外氣流(紊流)影響。

          位移法,配合使用VAV變風量文丘里閥,借助位移傳感器測得柜門開度并傳輸給控制器,控制器根據“流量=平均流速×面積”的公示計算出的風量來實時改變閥門的開度大小來調節排風量。該系統抗干擾性好,控制穩定,從理論上屬開環控制,在實際應用中需另設風速儀或其他反饋裝置,以保證控制的準確性和可靠性。調節風閥開度具有精度不受柜前有無人員遮擋影響,調整風量過程迅速精準,響應時間短,可實現傳統的變風量閥不可能實現的高調節比(1:17~20)、與管道靜壓無關(150~750PA)、響應時間快(小于1秒)、風量控制精確到氣流控制信號的±5%等特性。

          設備還可安裝紅外線人體監測器,自動控制系統可以通過不同的面風速設置值達到節約運行費用的目的,當操作臺前有操作人員工作時面風速控制在某一設定值(如0.5m/s),當通風柜前無人操作時,系統自動轉換到另一設定值(如0.3m/s)。通風柜移門位置過高時有明顯警報。發生機械故障導致面風速過高或過低時有明顯警報。當出現異常情況時,面風速控制系統可開啟事故排風模式,將風閥開到最大開度,不受面風速設定值的控制。

          06尾氣排放及排風處理

          有些實驗設備在工作過程中會產生尾氣,部分實驗室尾氣需經過處理后,才能外排,在排風系統劃分時,需將這部分排風集中在一個系統,以集中處理。采用何種處理方式,應根據排氣性質決定。

           

          07設計中要注意的問題

          在設計實驗室通風系統時,要將實驗性質相同或相近的排風設在一個系統,如果有混合后可能引起燃燒、爆炸或形成毒性更強的有害物質的可能,則需要另外分設排風系統。

          實驗室使用的通風系統設計首先要確保實驗室的安全性,就要確保有一定數量的換氣次數;還有實驗室的通風系統負壓的設計和系統控制很重要,要解決好;系統要能穩定可靠的運行;最后就是在確保了一定數量的換氣次數和全新風條件下,要將能耗降低到最低。要達到這些要求,通風設備尤其是通風柜就得有一定標準和要求。

          當實驗室排風量較大時,要在實驗室通風系統設計時在走廊、大廳等公共區域增設補風系統,以避免出現負壓過大造成的開門或關門困難。

          通風系統不僅對實驗室通風柜有特殊要求外,還對控制系統和其他設備有一定的要求和標準。設備型號、通風系統設計和控制系統都會影響到實驗室的壓力控制和最小通風量的控制,通風系統設計和控制系統最主要。通風系統不平衡會導致通風柜排風和捕捉能力散失,氣流流出實驗室,建筑物內壓力不穩定。

          通風系統的風量的變化不能因為風管內靜壓的變化影響其反應時間,從而影響通風量的準確性。壓力相關型的系統也會影響系統流量的精準控制,使得其反應時間變慢,從而導致送排風設備產生震蕩,速度不穩定,風量不平衡,最終導致控制系統沒法能調節。所有系統應選擇壓力變化無關型的。

          結語

          實驗室種類繁多,其通風系統的設計也應該因地制宜、與時俱進,在一個實驗樓內可能同時存在多種通風方式,而通風系統設計的首要原則是保證實驗室工作環境不損害工作人員的健康安全,在這個基礎上,則應盡量控制裝修和運行成本,為實驗室減輕經濟壓力。隨著實驗室建設標準的不斷提高,變風量通風系統應用越來越廣,實驗室通風系統設計也需要多傾聽使用人員及其他相關方面人士的意見,設計要有針對性,做到有的放矢。

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