实验室的通风空调工程设计应用

实验室通风工程设计基本原则：

国内外关于实验室通风工程设计的相关技术规范和标准在总的精神和原则上大都具有某些共性和一致性，归结起来大致有如下几点：

1）实验室内的实验操作应在排风柜内进行。

2）为有效控制污染物不逸出，排风柜的排风量应确保工作窗口的面风速大于或等于0.5/S。

3）新建和改建实验室所用排风柜应装有实时监控显示和声光报警装置，以便实时显示排风柜使用前和使用中的性能参数，并在面风速或者排风量降低到容许下限时，发出声光报警信号。

4）新建和改建实验室所用排风柜应采用压力无关型风量自动调节、监控与声光报警设施。

5）凡排风柜排出的有害气体与别的排风柜排放的气体混合后，可能引起燃烧、爆炸或者毒性加剧，不应合并于一个系统。

6）除排风柜的局部排风外，实验室内还应有全室排风。实验室内的总排风量折合房间换气次数应大于或等于6h-1。

7）实验室内的供暖和空调不得采用循环空气（回风）。

8）用于补给实验室内排风的新风补给送风系统应是不含回风的直流式系统。

9）除非是洁净型实验室，一般实验室的新风补风量应略小于房间的总排风量，以使室内相对于走道或办公室保持微负压。需要特别说明的是，上述第2）和3）条是近年来国际上技术先进国家相关标准和规范中的新内容。与此相对应的是，我国的JG/T222-2007《实验室变风量排风柜》也加入了相关内容，按笔者的理解，这正是与国际接轨的一项必要举措。

传统实验室通风工程设计模式：

1.


老式排风柜的结构、操作及其性能：

过去常用的排风柜及其排风方式如图１所示，

利用上下拉窗2靠手动实现开关，即当工作人员在工作台前做实验时，拉窗上移，窗口开大，直至全开；离开时下拉，窗口关小，直至关到最小开度。设计计算排风量则是按相应拉窗处于最高位置时，窗口最大开度下确保平均面风速大于或等于0.5ｍ/S确定。调节阀3是一种调节性能很差的手动蝶形阀，其只是用于安装施工完成后系统调试时，按设计计算排风量整定。阀位一经整定后便定位并固定锁住，不再改变。由此可见，由这样的排风柜及其风阀所构成的简单排风系统的运行主要有如下特点：

1）由于所用排风机是一台固定转速通风机，其运行风量是固定不变的。它的运行状态只有开和停两种，相应的风量为最大和零。所以，这样的排风柜和排风系统便称为定风量排风柜和定风量排风系统。

2）上下拉窗需由实验人员手动操作，实验人员做完实验或者离开后，往往不会总是循规蹈矩，按操作规定拉下窗门。

3）窗口面积随拉窗上下位置的变化而变化，但由于设计计算排风量是固定不变的，所以，窗口的平均面风速必会随着拉窗的下移而不断增大。

当它处于最小开度时，窗口风速可能会变得很大，

以致吹灭正在进行加热实验的酒精灯。

4）不管排风柜的工作状态如何变化，系统始终按最大设计计算排风量运行，其运行能耗大；补风量及其输送功耗也随之增大。

5）上述还只是涉及通风输送能耗的增大。过去囿于工作、生活条件和科学技术发展水平的限制，实验室很少采用空调，充其量只是在寒冷地区的冬季采用热风补风，以满足室内正常供暖或值班供暖。如今，随着科学研究技术水平的快速提高，对实验的精确度、可靠性、重复性要求也越来越苛严，相应地对实验室环境的要求也在不断提高，先是一般舒适性空调，后来则是恒温恒湿空调环境，再后来的发展是洁净室环境要求。在这种情况下如果还是采用定风量排风系统，其能耗是不堪设想的。仅仅从能耗这一角度说，其应用也是难以为继的。

2.


多台传统排风柜并联运行的系统典型模式

随着研发中心实验室规模的增大，不可能每台排风柜构成一个独立系统，而是需要多台排风柜并联运行，共用一个系统。当多台排风柜接入同一系统时，可能引起的问题很多。

1）首先是系统的初始调试和整定问题。图2是由不同数量排风柜并联运行组成的排风系统示意。假定每个排风柜的设计计算风量都是1500ｍ3/ｈ，那么图2中所示的两个系统的总排风量分别为7500ｍ3/ｈ和4500ｍ3/ｈ。按照GB50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》要求，工程完工验收前必须进行系统调试。调试的基本目标有二：一是使系统总风量达到设计计算风量；二是调整各支风管风阀的开度，确保每台排风柜的排风量均衡，都能有1500ｍ3/ｈ的排风效果。

实际上这种费时、费力、十分烦琐的工作很少有单位能够认真实施，最后的结果必然是顺其自然。系统投入使用运行时，必然会出现有些排风柜窗口的风速过大、有些风速太小的不均衡现象。

2）即使是上述初始调试和整定工作按标准规定圆满完成并得以严格验收，那也只是系统某一特定的运行工况，比如所有排风柜都处于最大开度情况下的运行状态。而实际上，并联于同一系统中的任何一台排风柜的开－停或者拉窗位置的变化，都会引起别的排风柜排风量的变化。这是因为风管系统内水力相关，无法避免各个末端之间相互干扰。

为便于各支管的水力平衡，有利于各个排风柜正常、稳定运行，一个系统中不宜接入太多的排风柜，比如，不超过４台成了一项不成文的约定。当然，这种俗成约定是不具严格科学意义的，它只是在低水平科技手段条件下针对这类定风量排风系统模式的一种无奈的折中处置。

3.


采用定风量型排风柜排风系统和相应房间全室通风的传统模式

图3为采用定风量型排风柜和相应房间全室：

通风的传统模式。在寒冷地区，该系统的进风除需经粗效过滤外，还需进行加热，以实施热风补给。

从图3可看出，全室排风系统P-2和局部排风系统P-1是分开独立设置的。至于全室通风是否必须与局部通风分开独立设置，虽然未见教科书有所记述，也鲜见有什么设计标准或规范条文予以明确规定，不过，这一做法却几乎已成为通风工程设计不成文的俗成约定。

另外，如图3所示，过去，囿于技术经济条件的限制，多数实验室内不设空调，只是要求冬季温度不低于510℃而已。所以，新风补给系统的全年运行能耗尚属有限。

现代自动化、智能化实验室的通风空调工程设计模式

1.


实验室变风量排风柜的应用：

JG/T222-2007《实验室变风量排风柜》是一项与美国ASHRAE标准和国际标准等效的标准。

该标准规定实验室排风柜需采用自动化控制手段，以保持工作窗口面风速恒定为目的而实施变风量控制。

图4所示为最简单的只有单一排风点，没有分支风管的情况。图中1为可自动或手动控制的上下拉窗；2为安装于窗口的风速传感器；风速显示控制器3根据面风速给定值与风速传感器2的实时测定值进行比较，作出判断；操控变频器4，调节风机运行转速，增大或减小排风量。

对于面风速的感测，这里只是为了能比较直观地阐述原理，才在图4中借用了风速传感器2。在现实情况下，采用这种有形的风速传感器显得有些碍手碍脚，也难以找到恰当位置安放。在实践中广泛采用的是间接的机械式替代方式，即利用卷轴行程传感器对其牵拉线缆拖动的窗门位移高度进行精确的感测，从而相应地加大或者减小排风量，以达到始终保持恒定面风速的效果。其工作原理可用式（１）表示。

Ｌ＝３６００ｖｂｈ


（１）

式中Ｌ为排风量，ｍ3／ｈ；ｖ为恒定的平均面风速，0.5ｍ／ｓ；ｂ为窗口宽度，ｍ；ｈ为窗口开启高度，ｍ。

式（１）中的ｖ和ｂ都是常量，唯一的变量是ｈ。所以，排风量Ｌ与窗口高度ｈ（即卷轴行程传感器所感测到的行程）之间存在着简单的线性关系。

为了使窗口保持恒定的面风速，只要感测出窗口的高度（开度），即可计算并实施控制所需排风量Ｌ。这样，卷轴行程传感器的感测效应与面风速传感器便是完全等效的。后文中除非特别说明，在讨论相关自动控制原理时，将一律采用排风量（风速）传感器代之。

对于变风量排风柜，如果要求进一步提高其自动化程度，还可增设区域存在传感器，在一定距离处（比如距排风柜0.5ｍ）感测操作人员的有无，自动操控工作窗口的开闭。当排风柜前有操作人员时，传感器发出信号给控制器，命令将排风柜设置到使用模式（开窗和正常排风量）；当操作人员离开后，传感器和控制器便发出指令，将排风柜设置于待命模式（关窗和最小排风量）。实际工程中常见的是具有多个排风点的系统形式。图5所示的是含有2个排风点的系统，在这种情况下，每个支风管所连接的变风量排风柜都需

采用压力无关型变风量阀４，以确保每个排风末端的排风效果不受别的支风管及其末端设备运行状况的干扰影响。

接入系统的任一排风柜分支风量彼此之间互相不受干扰的根本原因，在于其所用变风量阀的压力无关特性。实践中应用最多的压力无关型变风量装置为文丘里变风量阀（文氏风阀）。变风量通风柜与文丘里变风量阀及卷轴行程传感器结合使用的集成模块见图6。

图5中，卷轴行程传感器2感测到拉窗位置改变后，发出信号给控制器3（VIC），后者即命令变风量阀４的阀位作出相应的变化，以达到所需的风量（风速）；同时，风量数据信号也由变风量阀４传输给风量叠加计算给定器5（DI）。总风量显示控制器6（FIC-101）在获得其计算结果数据信号后，控制变频调速风机7的运行转速，以满足总风量要求。显然，这是一个开环控制，如要实现闭环控制，补充一个总风量反馈信号即可。

2


压力无关型文丘里变风量阀的构造和工作原理：

文丘里变风量阀消除了排风系统（或空调送风系统）中各支管或末端之间水力工况的相关性，可以说是变风量通风与空调技术应用中的关键性设备。只有了解其结构和工作原理（见图79），才能洞察它的压力无关特性。

如图7所示，文丘里变风量阀的外形是一个文氏管型的筒体1，内部有一装有压力补偿弹簧3的锥形阀芯2。4为安装于阀体上的执行机构。它接收来自风量显示控制器（VIC）的控制信号，通过连杆7牵动锥形阀芯2前后移动，改变环形流道截面，实现风量调节。显然，这是属于主动性质的控制效应。压力补偿弹簧3吸收风管系统中压力在一定范围内的波动，从而赋予文丘里变风量阀压力无关特性，因此，弹簧3在文丘里变风量阀中被称为定风量机构。当排风系统总风管内压力（图7和图9ａ中文丘里变风量阀的左侧）降低时，或送风系统总风管内（文丘里变风量阀右侧）压力升高时，文丘里变风量阀前后压差增大。这一增大的压差一方面会导致风量有增大的趋势；另一方面也会加大施加于锥体弹簧上的压力，压缩弹簧，推动锥形阀芯稍稍向左移动，使阀内环形流道截面积减小，流动阻力增大，使之呈现风量减小的趋势。这样，本来因压差增大而可能导致风量增大的趋势，便在后因素作用下，获得补偿或平衡，最终得以消除。反之亦然。

图8中风量曲线a，b，c，…，n，与图7所示的阀位一一对应。图中纵坐标显示的是压力补偿弹簧的正常工作压力范围，只要总风管内压力波动引起文丘里变风量阀前后压差的变化不超出所示压力范围，文丘里变风量阀即可完全排除风管系统内无序的压力波动干扰，而达到压力无关的控制效果。图8中的A和B分别表示文丘里

变风量阀两个互不相关操作机构的控制功能：前者根据自动控制器指令信号，对风量进行调节；后者为阀件本身为排除系统压力波动干扰因素影响的定风量作用。

3.


现代化实验室通风与空调工程设计的典型模式：

１）大型变风量排风系统

图10所示的排风系统是一个大型变风量排风系统。并联接入该系统的变风量排风柜１，仅图中所示的一个房间就有5台，另外，图中未示出的其他房间可能还有很多台。还有一个与传统做法明显不同之处，房间全室通风的排风管４也与各排风柜局部排风支管并联于一个系统。需要注意的是，系统的每个支管上都装有压力无关型文丘里变风量阀2，而且，系统的动力部分采用的是变频风机3。采用变风量排风系统的实验室和实验中心，可能采用的排风柜数量少则几台，多则十几台、数十台。从理论和技术层面上说，并联接入同一系统的排风柜或其他设备数量可以不受限制，而且，全室排风风管的并联接入也属正常和必要。更有甚者，同一个排风系统还可连接若干个不同实验室的排风。其实，这一切都是由于并联各支路的水力工况，以至其风量，均被赋予了压力无关特性的缘故。另外，借助于智能化的自动控制技术，可确保系统总是以必要的最小排风量运行，从而在最大程度上减少通风和空调能耗。

需要补充说明的是，有的实验室要求恒温恒湿空调环境，甚至是洁净空调环境，但更多的只是要求保持舒适性环境即可。不同空调环境参数的要求，其系统运行能耗显然是大相迥异的。

2）大型变风量排风系统的风量自动控制原理：

变风量排风柜的应用和变风量排风系统的自动控制技术，对于确保实验室排风柜的排风效果，保障整个排风系统运行的可靠和稳定，改善实验室研究人员的职业卫生环境，降低实验室的通风和空调负荷、减少能耗都具有很大意义。图11所示的是一个跨房间的多室共用系统，首先它所连接的排风柜及其他设备的数量很多（远远超过了传统习惯的3～4台）；其次，在符合某些规定的条件下它容许把作为局部排风的排风柜、储存柜、活动风口等的排风与房间全室排风合并成一个系统。如图11所示，从风量（风速）显示控制器１（CIC-101～105）到变风量阀2的控制，等同于图5。凡是接入同一系统，包括来自别的房间的各排风末端风量控制器的风量输出信号，都各自输入变风量阀2，3，以控制自身所需排风量。同时，各路

排风量数据信号经由各变风量阀2，3输入风量叠加计算给定器４（DI-101）。给定器４的计算结果数据信号即作为总风量显示控制器5（FIC-101）的系统总风量给定值，用于控制变频调速风机6的转速。总风量传感器７测得的总风量值是控制动作后的实际风量，作为反馈信号再输入总风量显示控制器5（FIC-101），与之前的计算给定值进行比较，构成带反馈的闭环控制回路，从而可实现变风量排风系统总风量的精确控制。

3）全室排风量的确定及其自动控制原理：

对于房间的全室排风而言，由于它只与该房间的容积相关，理应在每一房间（实验室）层级基础上考虑问题。实验室的日常全室排风量应确保换气次数不小于６h-1。由于室内的局部排风也是来自同一实验室内，其实时量值也应计入全室排风内，室内局部排风量是时时变化的，因而，全室排风量也需随之时时改变才行。

图12所示的只是整个排风系统（图11）中所涉及实验室的一部分。来自各变风量阀2，3的风量数据信号，输入风量叠加计算给定器４（DI-102），其计算结果数据信号有两路输出：一路传输给补风量差值计算给定器SP-201（见图13），以供送风系统补风量控制用；另一路则传送给全室排风量显示控制器5（FIC-102），与房间按照最小换气次数计算的排风量给定值进行比较。如果前者实时量值与后者给定值相等，则变风量阀3开度保持不变；如果前者大于后者，阀3关小，直到全关；反之，若前者小于后者，则阀3逐步加大开度，直到补全不足部分风量为止。

图12中的给定值可按照实验室工作班制定时

改变，比如白天工作期间，室内最小换气次数按6h-1计算；夜间最小换气次数按2h-1计算。定时改变给定值，即可实现节能的值班通风控制。

4）变风量空调送风系统风量的自动控制：

图10中S-1系统是一个典型的跨区域（房间）、多区域（房间）共用的直流式变风量空调送风系统。其单一实验室和系统总送风量的自动控制原理见图13。

实验室空调自动控制有两个方面须考虑：一是室内微负压（洁净室空调时微正压）的保持；另一个是室内环境要求的空气参数的保持。对于室内微负压的控制，有两种方案可供选择：补风量差值控制方案和压差控制方案。

补风量差值控制方案示于图13左侧。送风系统的风量控制大致可分解成两个层次：由补风量差值计算给定器3（SP-201）和风量显示控制器４（FIC-201）构成的单一房间层次的控制与由风量叠加计算给定器5（DI-203）和总风量显示控制器6（FIC-203）构成的整个系统层次的控制。将来自室内总排风量的数据信号（图12中DI-102的一路输出信号）输入补风量差值计算给定器3（SP-201），后者可将其乘以0.9（或0.95）所得结果作为室内送风量给定值，输入风量显示控制器４，控制变风量阀１的开度，这是房间层次的控制。至于整个送风系统层次的控制，则是由来自各房间送风支管上变风量阀1和2的风量数据信号输入风量叠加计算给定器5（DI-203）开始，通过总风量显示控制器6（FIC-204）对送风机7的转速实施控制完成。

方案B压差控制方案比较简单，由安装于室内的压差传感器8感测室内侧压力与室外侧（走廊）压力之间的实时压差信号，输入压差显示控制器9（PIC-201），与预先确定的压差给定值进行比较，控制器9根据偏差信号的大小，调节变风量阀的开度。同时，来自变风量阀１的送风量信号传输给风量叠加计算给定器5（DI-203），参与对整个系统总送风量的控制。

室内环境空气参数的控制也有两种手段：一种是常规的空气处理过程中的参数控制，另一种是对送风量的控制。前者实施比较简便、节能；后者实施起来势必又会反过来波及并牵动室内负压，以至排风量的控制。显然，在既要满足负压控制要求，又要满足室内空气环境参数要求的情况下，便不得不额外加大送风量和排风量，导致运行能耗增大，所以，笔者认为，后一种手段不值得推广应用。

案例分析：

项目概况：

项目于2010年4月完成施工图设计，为北京某国家级药品检验楼，楼内设有化学实验室，生物实验室，BSL-2实验室，洁净实验室建筑面积12694m2，建筑高度25.7m，层高5.2m

地上共5层，F1~F4层为实验室，F5层大部分面积为空调机房，小部分面积为办公室、洁净实验室等。

实验楼呈U字形，左右两长边为实验区，短边为研究室，实验室平面为单走廊，全楼设集中空调系统，楼梯间、走廊、设备机房设散热器采暖系统。

二层通风空调平面图：