高校化学实验室通风系统设计方法

高校实验室是进行学生培养、实验教学、开展科研课题的重要场所。随着国家对高校科研重视程度的不断加强，实验室在高校培养人才、取得科研成果中起着越来越重要的作用。频繁的高校实验活动也产生了一些问题，其中安全与能效是目前高校实验室所面临的两大难题。

与化学化工的工业化生产车间相比，高校的科研类实验室会根据研究人员的研究课题发生相应功能上的更改，且同一实验室中也可能有不同课题人员同时进行不同实验。实验室功能的复杂性、实验过程的不确定性及实验室空间布置的集成性，给高校化学实验室带来极大的安全隐患。火灾、爆炸是实验室安全事故的主要类型，占85%~95%，其中发生在化学实验室的安全事故约占80%。从危险化学品种类看，气体引起的事故伤亡人数占总伤亡人数的90%。因此高校化学实验室的安全监管尤为重要。有效的实验室通风系统作为预防和减少实验室安全事故的措施之一，应引起暖通设计师的高度重视。

为有效控制室内污染物、满足人员安全要求，绝大多数化学化工实验室的通风系统采用直流式系统，其空调负荷远大于甲类办公室负荷，实验室的单位建筑面积能耗甚至达到办公建筑的 5~10倍。

本文调研了现有高校化学实验室的设计、研究及应用案例，对具有代表性的国内外相关标准、规范与指南进行分析，介绍实验室通风系统的设计原则，并对高校化学化工实验室的排风系统及补风系统进行归纳总结，提出不同系统的适用场景及设计应用要点，为我国高校化学实验室的通风设计提供参考。

根据实验室功能，高校实验室分为教学类与科研类实验室。教学类实验室主要以辅助教学实验课程为目的，实验过程相对稳定；科研类实验室主要为研究生、高校老师提供实验平台，实验内容包括检测、制备、检测分析等。

目前针对我国高校化学化工实验室的相关规范较少。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》作为实验室设计的基础性规范，除了满足一般建筑的防火、无障碍等统一设计标准外，对科研通用实验区、科研专用实验区、科研办公区、科研展示区、科研教学实验室区、科学试验区等空间分区作出相关规定，其中科研专用实验区对洁净实验室、生物安全实验室、实验动物设施等提出要求。

与此同时，中国化工行业标准HG/T 20711—2019《化学实验室化验室供暖通风与空调设计规范》除对供暖、通风及空调提出一般要求外，还针对不同的专用实验室提出通风系统、通风设备及室内环境要求，包括爆炸危险性实验室、放射性实验室、核磁共振实验室、电镜实验室、高温老化实验室、二英实验室等。该标准还对设计系统的节能与通风排放作出了规定。

与JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》相比，国家图集22K523《化学实验室通风系统设计与安装》更多关注到化学实验室的通风设计，给出了4种典型通风系统（定风量控制排风柜+定风量补风系统、变风量控制排风柜+变风量补风系统、变风量控制补风型排风柜+变风量补风系统、无风管自净型排风柜+房间全面通风系统）的系统流程、控制原理及调节策略说明，提供了局部排风设备、风阀与其他设备的选用与安装说明。但该图集没有涉及实验室补风系统的新风热湿处理方式和要求。

对于化学化工实验室的关键设备排风柜，行业推荐性标准JG/T 222—2007《实验室变风量排风柜》规定了排风柜的相关术语定义、排风柜的型号及规格、技术要求及测试方法。对变风量排风柜提出了响应时间、控制浓度、面风速等参数要求。另外还有行业推荐性标准JB/T 6412—1999《排风柜》和JG/T 385—2012《无风管自净型排风柜》。

对于实验废弃化学品，GB/T 31190—2014《实验室废弃化学品收集技术规范》提出了实验室废弃化学品的产生者对实验室废弃化学品进行分类、收集、贮存、日常管理的要求。GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》对于大气污染物，包括实验产生的废气提出了相应处理要求。

自化学研究开展初期，实验室中就采用了通风。最早托马斯·爱迪生（Thomas Edison）利用壁炉的自然通风和烟道排出实验废气；1790年约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestly）创建了第一个实验室化学排气罩；1923年英国利茨大学安装了第一台管道排风柜，使用了最早的现代意义上的排风柜之一。目前世界上最流行的排风柜性能测试标准主要是由美国标准协会与美国供暖、制冷空调工程师协会共同制定的ANSI/ASHRAE Standard 110-2016和欧盟及英国国家标准协会制定的BS/EN 14175-3：2019，它们均对实验室排风柜性能测试方法提出了具体标准。刘斯玮等人对比了这2个标准与我国标准JB/T 6412—1999《排风柜》中的测试方法。

美国应用的实验室通风标准是美国国家标准与工业卫生协会制定的ANSI/AIHA Z9.5-2012《实验室通风》。ASHRAE编制的《实验室设计指南》详细描述了实验室通风空调系统的设计与运行。

本文主要针对高校化学化工实验室，对其通风系统的设计原则进行梳理综述。

实验室通风系统经历了技术上的革新。周祖毅根据大量实验室通风空调的工程案例，总结了实验室通风工程设计的基本原则，分析了实验室新技术与传统设计方法的冲突，指出了以定风量排风柜为例的传统实验室通风系统存在的问题，介绍并认可了基于压力无关型文丘里变风量阀的变风量排风柜的应用，并提出系统典型模式与自动控制原理，推动了实验室新技术的应用。

在实验室的通风设计标准方面，根据实验室通风设计等级分类要求，ASHRAE将实验室按照有害物质量与潜在挥发量的风险等级划分为LVDL-0~4共5个等级，并提出实验室控制策略、设计特征与典型应用；赵侠等人对比了国内外实验室设计标准中的通风设计参数，包括新风量、排风柜面风速、排风柜排风量；张萍、刘珂等人比较了国内外设计标准中对实验室换气次数的要求。但由于国内外实验室设计标准中实验室分类、排风柜使用场所分类不同，无法直接对比几项设计参数的严格程度。

另外，在排风柜设计参数方面，Neuman等人提出了实验室通风柜的差异性系数与使用系数2个概念，其中差异性系数为排风柜的实际排风量与最大可实现排风量的比值，使用系数为实验人员在通风柜前实验的时间占总上班时间的比值。而实际工程设计中更多应用的是同时使用系数概念。22K523《化学实验室通风系统设计与安装》提出全面通风系统的同时使用系数应根据建设方的要求选取，当无要求时，在确保实验室安全、正常使用的前提下，取合用系统的同时使用系数为0.6~0.8。HG/T 20698—2009《化工采暖通风与空气调节设计规范》提出同时使用系数一般取0.6~0.7。文献调研及工程经验显示，实际工程中高校的化学化工实验室同时使用系数会根据实验室覆盖层数、排风柜数量、实验项目取0.5~0.8。

在实验室通风系统的设计方面，工程中通常存在排风量无法达标、排风系统不平衡、室内负压过大、室内温湿度无法控制等问题。朱轶勋等人以面积为420 m ² 的一化工厂实验楼的通风空调系统为例，分析了实验室内湿度过大、送风口结露、房间负压过大、室内冷热不均问题的原因及解决方案。林忠平等人介绍了某跨国化学工厂大型研究中心实验室的空调通风系统设计案例，其排风柜存在面风速不足的问题就是因为集中排风系统风量不平衡及复杂控制系统未正常工作。按一般舒适性空调的要求对化学实验室通风空调进行设计会出现后期运营上的许多问题。设计过程中应该强调补风系统与排风系统、空调系统与通风系统的配合设计，应重视渗入室内的空气对室内湿度的影响及湿度控制方法，强调控制系统的有效性。

实验室暖通空调系统的能耗大，调研显示由通风系统引起的新风负荷占实验室空调总负荷的40%~90%。左鑫针对实验室空调通风能耗，提出了一些节能设计方法，包括根据适当的设计标准确定排风量与新风量、根据实验室建筑性质配置不同冷热源方案、应用变风量排风与新风补风、采用排风柜自循环过滤系统。阙炎振等人基于排风柜的差异性系数与使用系数，对某有机化学研究所实验室进行了调查统计，比较分析了排风柜拉门下拉至50%、面风速一定的情况下定风量与变风量系统的风机能耗，结果表明变风量系统的风机能耗可减少87.1%。赵侠等人对比了不同排风换气次数下不同通风方案的初投资、运行能耗、改造灵活度。目前考虑实验室能耗主要集中在不同通风方案下的风系统能耗，未考虑室内环境的控制与补风空气处理，而新风系统的处理过程极大地影响着系统能耗，一旦处理不当也会导致室内环境控制问题。

由于化学实验室的废气需要经过集中处理后才能排放，因此除特殊危险实验室外，通常排风系统为集中排风、集中处理。另外，由于高校实验室的实验复杂性及相比于化工厂的不可控性，一般不采用自净式排风柜。根据排风量变化特性，排风系统分为定风量排风系统和变风量排风系统。

3.1 定风量排风系统

根据调研考察，建设时间较早的高校实验室采用定风量排风及自然补风系统较为常见。排风柜采用定风量排风柜，排风系统风阀均为手动调节阀，风量整定完成后不作调节。排风系统启动后定风量运行，补风由室外或走廊补充进入。这种情况下采用这种做法的实验室对室内环境要求较低，排风柜开启时室内温湿度不作保障，相应通风空调系统的投资与能耗也最低。部分实验室为改善室内温湿度条件，利用空调新风取代外窗自然渗透的新风。

当实验室排风柜等通风设施数量较少、折算换气次数小于或接近实验室最小换气次数时，采用定风量通风系统较为合理。为避免柜门关小带来的面风速过大的问题，定风量排风柜选型建议采用旁通型（见图1），其柜门上方设置旁通百叶，柜门降低时旁通排风量增大，以保证总排风量稳定。

3.2 变风量排风系统

高校化学实验室通常排风柜布置密集，通风强度大，新建实验室排风系统一般采用变风量系统。实验室中排风设备主要包括排风柜与药品柜。变风量通风系统配置中，排风柜采用变风量排风柜，排风管上的变风量调节阀保证排风柜门启闭时面风速满足控制要求。调节阀采用压力无关文丘里阀或电动蝶阀，阀门开度通过面风速信号或柜门位移信号控制。其他需保持稳定排风量的排风设施如药品柜等的排风管可采用压力无关定风量阀，维持排风量恒定。

变风量排风系统设计时应考虑保证最小排风量。当室内通风设施最小排风量之和大于等于实验室要求的最小排风量时，此风量即为实验室的实际最小排风量；当室内通风设施最小排风量之和小于实验室要求的最小排风量时，排风柜设限位器限定最小关闭高度（增大排风柜的最小风量），使室内的排风总量满足最小换气次数的要求，也可设置独立排风口（该排风口设置变风量调节阀，排风柜风量减小时增大排风量），保证最小换气次数满足要求。

排风柜风量控制一般是利用安装在排风柜中的风速传感器测得风速，直接由位移传感器测得柜门开度并传输到控制器，根据计算出的风量来改变风阀开度。风量调节阀目前以文丘里调节阀或实验室专用电动蝶阀为主。文丘里阀反应迅速，蝶阀在系统成本及安装方面有优势。

排风机可采用定静压法或总风量法实现变频控制。定静压法是在排风干管上设置静压传感器，通过控制器和变频器调节风机转速，维持管道静压，使风机能根据各排风柜风量的变化自动调节系统风量，达到减小风机能耗的目的。通风管道内风压的测定，除了正确使用测压仪器外，还应合理选择测量断面，减少气流扰动对测量结果的影响，因此测压点应尽量选择在气流平稳的直管段上。当测压点设在弯头、三通等异形部件前面（相对气流流动方向）时，距这些部件的距离应大于2倍管道直径；当测压点设在上述部件后面时，距这些部件的距离应大于4~5倍管道直径。

总风量控制方法中，风机控制器根据各房间控制器反馈的需求排风量直接计算出要求的风机转速，与定静压控制相比，避免了使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节，控制性能上具有快速、稳定的特点，并且降低了后期调试的难度。

变风量排风系统除上述正常工作模式外，尚应具备切换至夜间最小排风量工况及紧急排风工况的功能。其中在紧急排风工况下，当系统检测到实验室内发生有害气体泄漏等情况时，自动或手动启动紧急排风工况，实验室内所有的排风柜切换到全开状态，同时设置在室内的紧急排风口联动开启，排风机启动工频运行模式，以保证实验区域的安全。

4.1 实验室补风系统设计参数

实验室补风系统设计参数包括补风量及补风处理的空气状态参数。

补风量受建筑室内风平衡影响，一般化学实验室需保持微负压。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》指出，设置机械送排风的实验室建筑应进行风平衡及热平衡的分析计算，在排风量较大时应设置机械补风系统，间歇使用的排风系统且排风量（换气次数）不大于2 h ^-1 时，可设置有组织的自然进风。房间负压控制及补风量的确定受房间门窗密闭性、人员进出频率等多种因素影响。设计过程中主要根据房间门窗渗透量来确定补风量。

实验室内温湿度条件应优先满足实验工艺要求，无特殊要求时，JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》指出，在供冷工况下控制室内温度为26~28 ℃，相对湿度不大于65%；供热工况下室内温度为18~20 ℃。这一要求也同时能满足GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中Ⅱ级热舒适度的条件要求。但对于高校实验室，排风柜通常布置密集、通风强度大，如果完全满足上述室内温湿度条件，不仅空调能耗巨大，空调补风管线及风口等也难以布置，可以考虑对室内温湿度降低相关要求。

4.2 变风量补风系统风量控制

实验室集中式补风完全由集中式新风系统提供，新风经空调机组集中处理后送入室内，每间实验室送风支管上设置变风量阀，根据室内排风量或室内外压差值调节送风量。集中式变风量补风系统的风量控制包括各实验室的补风量控制与补风系统总风量控制。

实验室风量控制一般采用余风量法或余压控制法，余风量法利用排风阀所反馈的排风量减去保持实验室负压所需风量差作为补风量目标值来控制补风变风量阀，而余压控制法则直接以实验室相对走道间的负压值作为控制目标控制补风变风量阀。

集中式补风系统的风量控制一般采用定静压法或总风量法。定静压法通过补风干管压力信号对补风系统风机进行变频调节；总风量法则利用所有补风控制阀所反馈的补风量累加值来调节补风总风量。当集中式补风系统承担的实验室较多、系统总风量较大时，单个实验室末端调节对系统的影响较小，系统的整体稳定性较好。

分散式变风量补风系统以实验室为单位，分散布置各补风装置，每个实验室独立补风，补风系统风量的控制方式主要为2种：利用房间风量控制器累加实验室内排风量来控制新风机组风量，以维持实验室内的风量平衡；通过房间压差传感器直接测量房间与走廊的压差，调整控制新风机组风量。

分散式变风量补风系统相比于集中式系统，补风系统独立，通过单个实验室风机变频的方式实现风量调节，控制系统相对简单，可以节省文丘里阀或电动蝶阀等风量调节设施，降低补风初投资。但同时补风量通过风机变频控制实现，其控制精度及响应时间不能与排风柜风量调节阀相匹配，短时间内可能出现实验室负压过大或产生正压的状况。与集中补风系统相比，系统管道占用空间减小，可以降低对建筑层高的要求（集中补风系统一般要求层高不小于4.8 m，分散式补风系统要求不小于4.2 m），同时也节省了新风机房占用的建筑面积，控制系统也相对简单。此外，由于分散式变风量补风系统直接就地吊装于实验室吊顶内，对新风机组的噪声及振动影响较大。在检修空间允许的情况下，建议采用设置消声器、加装隔声罩等措施加以改善。

4.3 实验室补风的空气处理过程

在一般空调设计场所的全空气系统中，送风量通常是根据空调机组处理的空气送风状态点及室内热湿平衡进行确定，同时复核新风量满足人员最小新风量的要求。但高校化学实验室中补风系统的风量则是根据风量平衡进行确定，由于风量较大常常无法同时实现室内的热湿平衡。

通常实验室夏季补风的空气处理过程及承担的负荷包括以下4种情况：

1）补风通过冷却除湿到室内等湿点后经再热处理到室内状态点的理想情况。补风不承担室内热湿负荷，空调末端独立承担室内所有热湿负荷。

2）补风通过冷却除湿后经再热处理到送风点，并承担室内所有热湿负荷。

3）补风通过冷却除湿处理到室内等焓点。补风进入房间时为低温高湿新风，不承担室内热负荷，但带来新风湿负荷，空调末端承担室内所有热湿负荷及新风湿负荷。

4）补风通过冷却除湿处理到室内等温点。补风进入房间时为等温高湿新风，不承担负荷的同时带来新风热湿负荷，由空调末端承担室内所有热湿负荷及新风热湿负荷。

前2种补风空气处理过程能实现较好的室内温湿度控制，但由于存在冷热抵消过程，能耗巨大，实际项目中应用较少。部分工程由于其运行能耗巨大，实际运行时未启用再热装置，会造成补风温度过低，导致室内温度过低。

由于空调末端的热湿处理能力有限，第3种、特别是第4种处理过程容易带来室内结露的问题。

由于实验室补风量大，热湿处理过程的合理确定对实验室运行能耗有极大的影响，建议根据项目所在地的气象条件、能源环境，同时结合实验室使用要求及运行经费条件，通过经济技术比较后确定。对于室内环境要求较高及夏季湿热地区的实验室，采用上述第3、4种补风处理方式时，需充分考虑室内湿度过高带来的影响和风险。

高等院校的化学实验室承担着教学与科研双重任务，在保证满足使用需求的前提下，结合学校实验室的使用特点和要求，充分减少运行能耗、降低运行费用，合理选择通风及控制系统，是高校实验室通风设计的重要任务。

结合国内外相关规范、标准与指南及当前我国高校实验室的通风系统设计应用现状，对未来实验室暖通空调设计的发展方向提出以下建议：

1）在实验室通风系统的应用中，传统的补风空气处理过程会导致室内环境条件不达标或能耗大等问题，亟需在实验室应用场合提出新的实用且节能的空气处理过程。

2）高校实验室中变风量排风柜的应用较多，控制复杂，对运行过程中的排风、补风、空调的控制提出了较高的要求，在设计及运营阶段需明确并强化通风空调系统、室内温湿度控制能力。