技术导航 | 浅谈实验室通风系统设计和文丘里阀的应用

实验室通风系统设计的目的，是为工作人员提供安全、舒适的工作环境，减少人员暴露在危险空气下的可能。由于在实验操作过程中可能产生有毒有害气体，为确保实验人员安全，此类可能产生有毒有害气体的实验，要求尽量在排风柜或生物安全柜内进行，不能在排风柜内进行的，要设局部排风设施，例如原子吸收罩、万向排气罩等，同时,实验室要设全面通风（或称辅助排风）系统满足实验室最小换气量要求。通风系统的设计目标是使得实验室通风效果好、噪音低、操作简便、节约能源，室内压差和温湿度都能保持人体的舒适。

1.1、定风量排风系统：排风机采用单速定频风机，排风量基本恒定不变，系统无法随排风柜使用数量及排风柜门开启高度而调节风量。该系统优点是设计直接、投资小、控制简单；缺点是灵活性差、噪音大、排风柜面风速难以保证，会有部分有毒有害气体从排风柜中逸出（面风速过小或过大都能造成气体从排风柜中逸出），且运行费用高（排风机的电力消耗最大化，被排风机排出的热能消耗最大化）。

1.2、双风量系统：排风机采用双速风机，在两个预定的风流量值之间进行高-低（或者称为最大-最小）切换，较定风量系统有所改进，但没有从根本上改变定风量系统的缺点，目前应用不多。

1.3变风量系统：排风机采用变频风机，在排风或补风主风道上设压力传感器，利用静压控制器PID控制变频器调节风机转速，达到恒定静压或动压调节风量的目的。高性能的气流控制器可以快速、稳定的在大流量变化范围内调节。在变风量系统中排风柜一般采用面风速控制，通过在排风柜前采用人体感应器检测人员是否存在，来控制柜门面风速，当操作人员在排风柜前作业时，将排风柜面风速设定为工作模式，此时排风柜面风速控制在0.5m/s, 当操作人员离开的时候，将排风柜面风速设定为待命模式，此时排风柜面风速控制在0.3m/s，遵循《实验室变风量排风柜》JG/T222－2007规范之要求。另房间还要设辅助排风，当排风柜排风量不满足实验室最小排风量要求时，辅助排风自动打开，保证实验室最小排风量符合标准要求。自动变风量控制系统的优点包括：节能显著、安全性高，易于适应风量变化需求。

当排风柜排风量不满足实验室最小排风量要求时，辅助排风自动打开，保证实验室最小排风量，排风量换气次数依照房间的功能与要求。

为了确保不出现气流回溯，实验室一般会设定较高的排风量，且连续排风时间较长（一般多为7*24小时全天候开启排风系统），因此实验室室内负压过大的情况非常常见。为平衡室内外压差，避免出现负压过大的情况，实验室在设计时就需要规划实验室补风系统，以维持房间设定的压力，负压防止实验过程中有毒气体和颗粒以及化学品存放过程中挥发的有害气体向其他空间外溢，正压实验室不受外部空气污染影响检验结果，并使得实验室内换气率能有效控制，室内空气应充分置换，保证其新鲜度。

补风量的设定有相应的计算公式，应根据实验室排风量及设定的负压值（相对相邻房间、走廊或大气）计算确定，补风量按下列公式计算：

Lb=Lp-Ly

式中，Lb 为补风量，m3/h；Lp 为排风量，m3/h；Ly为维持负压所需风量，也叫余风量，m3/h；Ly可按负压值与房间换气次数的关系确定，也可按缝隙法计算，依照房间的压差功能要求补风量比例在50%~90%不等，有正压要求的房间补风量比例不低于110%，可参考图1。

▲图1 气流梯度控制

实验室的补风方法一般有两种，分别是自然补风和机械补风。

自然补风不安装补风机，通过实验室内外的压差（室内为负压）将室外新风经过滤器、管道吸入室内达到补风效果，由于新风是被室外的正压压入负压的室内，所以自然补风可以使得气流达到动态平衡，同时也保证实验室气流流向稳定，且始终处于负压状态。自然补风的优点主要是不需安装补风机，节省了前期投资和补风机运行的电费；缺点是在设计装修时需要提前扩大进风井或进风百页面积，这需要占用建筑使用面积或影响建筑立面效果，其次是不通过补风机的自然风无法进行加热或冷却处理。

机械补风设置引风机形成理想的气流组织，将室外新风经集中处理后，由补风机经管道送入房间内，机械补风可以对其加热或冷却处理及过滤等预处理，进行采用定风量补风还是变风量补风系统，一般与排风系统对应，即排风为定风量系统，补风也为定风量系统，排风为变风量系统，补风也为变风量系统。

室内补风的补风地点一般没有很大的限制，可以直接补在排风柜内或柜门前，也可补在房间内，但是不同的补风地点有着不同的影响，在排风柜内或柜门前补风的优势是不需要为新风做加热或冷却处理，可节省能源，节约成本；缺点则是新风会影响通风柜内实验时的实验数据，同时破坏操作人员工作环境舒适性，这种补风地点不适用有面风速要求的排风系统。与之对比，补风地点设置在房间内时，其优点是操作人员的工作环境基本不会受到影响，对排风柜面风速及柜内气流亦无影响；缺点则是新风一般需要经过加热或者冷却处理，能量成本要比第一种补风地点高。

排风柜变风量控制器有一类是测量柜门面风速，通过与设定风速比较，调节风阀开度以达到设定值，风阀一般采用蝶阀，其缺点有：精度受测量点的位置和数量影响，比较容易受到安装位置和内外气流（紊流）影响，测量到的风速需要通过传感器转换成电信号调节风阀，系统反映速度稍慢，控制信号响应时间：<3秒，面风速控制精度一般在±20%。

另一类排风柜变风量控制器，目前主流使用的是文丘里风量控制器，通过测量移门位置，借助位移传感器测得移门开度并传输给控制器，控制器根据“流量=平均流速×面积”的公示计算出的风量来实时改变阀门的开度大小来调节排风量。该系统抗干扰性好，控制稳定，从理论上属开环控制，在试剂应用中需另设风速仪或其他反馈装置，以保证控制的准确性和可靠性。调节风阀开度具有精度不受柜前有无人员遮挡影响，调整风量过程迅速精准，响应时间短，可实现传统的变风量阀不可能实现的高调节比（1:17~20）、与管道静压无关(150~750PA)、响应时间快(小于1秒)、风量控制精确到气流控制信号的±5％等特性。

▲（图2）

确定安全有效的面风速，对实验室工作人员来说，通风柜集尘能力是关键问题。与正确的集尘能力相关的几个因素是：面风速、交叉通风和工作实践。研究与现场经验使人们了解到通风柜有效的面风速设定值。通用的工业标准是0.3m/s~0.6m/s，现在很多设施中，0.5m/s被接受作为安全运行标准。有研究表明0.5m/s的面风速要求部分是因为操作人员的存在和移动。而未占用通风柜（即那些没有人使用的通风柜）在面风速减少到0.3m/s的情况下运行时可以包容有害气体。而占用的通风柜则需要较高的流速以保证通风柜正确的集尘能力。操作人员的移动在面风速为0.4m/s~0.5m/s时对通风柜集尘能力几乎没有影响。但在0.4m/s以下时，扰动会明显导致有害气体浓度升高。而当没有操作人员移动时，0.3m/s以下面风速也可以满足实验室一般性集尘环境的使用要求。面风速控制图解（图3）。

▲（图3）

​目前对于风量的控制方法有面风速法和位移法。

面风速法，通常是利用安装在排风柜入口边缘处的风速传感器测得风速并传输到控制器，通过比较和计算得到所需风量，然后改变风阀开度调整排风量，最终使其面风速保持在0.3m/s~0.6m/s（OSHA）的某个设定值或是某个较小的范围。其特点是：结构简单易安装，控制相对容易；闭环反馈控制保证了安全性和节能性的控制效果；以一个点的风速来代替面风速，与真正的控制对象其面风速还会有些偏差，比较容易受到安装位置和内外气流（紊流）影响。

位移法，配合使用VAV变风量文丘里阀，借助位移传感器测得柜门开度并传输给控制器，控制器根据“流量=平均流速×面积”的公示计算出的风量来实时改变阀门的开度大小来调节排风量。该系统抗干扰性好，控制稳定，从理论上属开环控制，在实际应用中需另设风速仪或其他反馈装置，以保证控制的准确性和可靠性。调节风阀开度具有精度不受柜前有无人员遮挡影响，调整风量过程迅速精准，响应时间短，可实现传统的变风量阀不可能实现的高调节比（1:17~20）、与管道静压无关(150~750PA)、响应时间快(小于1秒)、风量控制精确到气流控制信号的±5％等特性。

设备还可安装红外线人体监测器，自动控制系统可以通过不同的面风速设置值达到节约运行费用的目的，当操作台前有操作人员工作时面风速控制在某一设定值（如0.5m/s）,当通风柜前无人操作时，系统自动转换到另一设定值（如0.3m/s）。通风柜移门位置过高时有明显警报。发生机械故障导致面风速过高或过低时有明显警报。当出现异常情况时，面风速控制系统可开启事故排风模式，将风阀开到最大开度，不受面风速设定值的控制。

有些实验设备在工作过程中会产生尾气，部分实验室尾气需经过处理后，才能外排，在排风系统划分时，需将这部分排风集中在一个系统，以集中处理。采用何种处理方式，应根据排气性质决定。

在设计实验室通风系统时，要将实验性质相同或相近的排风设在一个系统，如果有混合后可能引起燃烧、爆炸或形成毒性更强的有害物质的可能，则需要另外分设排风系统。生物安全柜要单排风。

实验室使用的通风系统设计首先要确保实验室的安全性，就要确保有一定数量的换气次数；还有实验室的通风系统负压的设计和系统控制很重要，要解决好；系统要能稳定可靠的运行；最后就是在确保了一定数量的换气次数和全新风条件下，要将能耗降低到最低。要达到这些要求，通风设备尤其是通风柜就得有一定标准和要求。

当实验室排风量较大时，要在实验室通风系统设计时在走廊、大厅等公共区域增设补风系统，以避免出现负压过大造成的开门或关门困难。

通风系统不仅对实验室通风柜有特殊要求外，还对控制系统和其他设备有一定的要求和标准。设备型号、通风系统设计和控制系统都会影响到实验室的压力控制和最小通风量的控制，通风系统设计和控制系统最主要。通风系统不平衡会导致通风柜排风和捕捉能力散失，气流流出实验室，建筑物内压力不稳定。

通风系统的风量的变化不能因为风管内静压的变化影响其反应时间，从而影响通风量的准确性。压力相关型的系统也会影响系统流量的精准控制，使得其反应时间变慢，从而导致送排风设备产生震荡，速度不稳定，风量不平衡，最终导致控制系统没法能调节。所有系统应选择压力变化无关型的。

实验室种类繁多，其通风系统的设计也应该因地制宜、与时俱进，在一个实验楼内可能同时存在多种通风方式，而通风系统设计的首要原则是保证实验室工作环境不损害工作人员的健康安全，在这个基础上，则应尽量控制装修和运行成本，为实验室减轻经济压力。随着实验室建设标准的不断提高，变风量通风系统应用越来越广，实验室通风系统设计也需要多倾听使用人员及其他相关方面人士的意见，设计要有针对性，做到有的放矢。