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  • 現代化實驗室的通風空調工程設計-深圳九天隆實驗室設計

    作者: 實驗室設計發表時間:2018.08.24瀏覽量:4199

    新建或改建實驗室的通風空調工程設計,采用的理念和模式基本一致,即采用建立在高度自動化、智能化基礎上的變風量排風和變風量空調送風與補風技術。新技術的應用與傳統設計手法之間的沖突,自然會在不同場合下顯現出來。比較突出的場景是,這些實驗室通風與空調工程設計在面臨各地相關職能機構審查時,總會出現種種歧見。
    文本標簽:現代化實驗室設計,現代化實驗室通風工程設計,實驗室通風空調工程設計

    隨著我國產業結構調整步伐的加快,我國工業由制造業中心向研發中心的轉型已漸成趨勢。近年來國內大企業和跨國集團公司新建和改建的研發中心實驗室越來越多。這些新建或改建實驗室的通風空調工程設計,采用的理念和模式基本一致,即采用建立在高度自動化、智能化基礎上的變風量排風和變風量空調送風與補風技術。新技術的應用與傳統設計手法之間的沖突,自然會在不同場合下顯現出來。比較突出的場景是,這些實驗室通風與空調工程設計在面臨各地相關職能機構審查時,總會出現種種歧見。對此,九天隆深感自己有責任把問題解說清楚,求得各方共識;積極維護我國相關行政執法和審查的權威性;

    使各級行政審查始終處于現代化新技術應用積極助推者的境地。

    1?實驗室通風工程設計基本原則

        國內外關于實驗室通風工程設計的相關技術規范和標準在總的精神和原則上大都具有某些共性和一致性,歸結起來大致有如下幾點:

    1)實驗室內的實驗操作應在排風柜內進行。

    2)為有效控制污染物不逸出,排風柜的排風量應確保工作窗口的面風速大于或等于0.5m/s。

    3)新建和改建實驗室所用排風柜應裝有實時監控顯示和聲光報警裝置,以便實時顯示排風柜使用前和使用中的性能參數,并在面風速或者排風量降低到容許下限時,發出聲光報警信號。

    4)新建和改建實驗室所用排風柜應采用壓力無關型風量自動調節、監控與聲光報警設施。

    5)凡排風柜排出的有害氣體與別的排風柜排放的氣體混合后,可能引起燃燒、爆炸或者毒性加劇,不應合并于一個系統。

    6)除排風柜的局部排風外,實驗室內還應有全室排風。實驗室內的總排風量折合房間換氣次數應大于或等于6h-1。

    7)實驗室內的供暖和空調不得采用循環空氣(回風)。

    8)用于補給實驗室內排風的新風補給送風系統應是不含回風的直流式系統。

    9)除非是潔凈型實驗室,一般實驗室的新風補風量應略小于房間的總排風量,以使室內相對于走道或辦公室保持微負壓。

        需要特別說明的是,上述第2)和3)條是近年來國際上技術先進國家相關標準和規范中的新內容。與此相對應的是,我國的JG/T?222—2007《實驗室變風量排風柜》也加入了相關內容,按九天隆的理解,這正是與國際接軌的一項必要舉措。

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    2?傳統實驗室通風工程設計模式

    2.1?老式排風柜的結構、

        操作及其性能過去常用的排風柜及其排風方式,利用上下拉窗2靠手動實現開關,即當工作人員在工作臺前做實驗時,拉窗上移,窗口開大,直至全開;離開時下拉,窗口關小,直至關到最小開度。設計計算排風量則是按相應拉窗處于最高位置時,窗口最大開度下確保平均面風速大于或等于0.5m/s確定。調節閥3是一種調節性能很差的手動蝶形閥,其只是用于安裝施工完成后系統調試時,按設計計算排風量整定。閥位一經整定后便定位并固定鎖住,不再改變。由此可見,由這樣的排風柜及其風閥所構成的簡單排風系統的運行主要有如下特點:

    1)由于所用排風機是一臺固定轉速通風機,其運行風量是固定不變的。它的運行狀態只有開和停兩種,相應的風量為最大和零。所以,這樣的排風柜和排風系統便稱為定風量排風柜和定風量排風系統。

    2)上下拉窗需由實驗人員手動操作,實驗人員做完實驗或者離開后,往往不會總是循規蹈矩,按操作規定拉下窗門。

    3)窗口面積隨拉窗上下位置的變化而變化,但由于設計計算排風量是固定不變的,所以,窗口的平均面風速必會隨著拉窗的下移而不斷增大。當它處于最小開度時,窗口風速可能會變得很大,以致吹滅正在進行加熱實驗的酒精燈。

    4)不管排風柜的工作狀態如何變化,系統始終按最大設計計算排風量運行,其運行能耗大;補風量及其輸送功耗也隨之增大。

    5)上述還只是涉及通風輸送能耗的增大。過去囿于工作、生活條件和科學技術發展水平的限制,實驗室很少采用空調,充其量只是在寒冷地區的冬季采用熱風補風,以滿足室內正常供暖或值班供暖。如今,隨著科學研究技術水平的快速提高,對實驗的精確度、可靠性、重復性要求也越來越苛嚴,相應地對實驗室環境的要求也在不斷提高,先是一般舒適性空調,后來則是恒溫恒濕空調環境,再后來的發展是潔凈室環境要求。在這種情況下如果還是采用定風量排風系統,其能耗是不堪設想的。僅僅從能耗這一角度說,其應用也是難以為繼的。

    2.2?多臺傳統排風柜并聯運行的系統典型模式

        隨著研發中心實驗室規模的增大,不可能每臺排風柜構成一個獨立系統,而是需要多臺排風柜并聯運行,共用一個系統。當多臺排風柜接入同一系統時,可能引起的問題很多。

    1)首先是系統的初始調試和整定問題。是由不同數量排風柜并聯運行組成的排風系統示意。假定每個排風柜的設計計算風量都是1?500m3/h,兩個系統的總排風量分別為7?500m3/h和4?500m3/h。按照GB50243—2002《通風與空調工程施工質量驗收規范》要求,工程完工驗收前必須進行系統調試。調試的基本目標有二:一是使系統總風量達到設計計算風量;二是調整各支風管風閥的開度,確保每臺排風

    柜的排風量均衡,都能有1?500m3/h的排風效果。

    深圳九天隆實驗室設計2

        實際上這種費時、費力、十分煩瑣的工作很少有單位能夠認真實施,最后的結果必然是順其自然。系統投入使用運行時,必然會出現有些排風柜窗口的風速過大、有些風速太小的不均衡現象。

    2)即使是上述初始調試和整定工作按標準規定圓滿完成并得以嚴格驗收,那也只是系統某一特定的運行工況,比如所有排風柜都處于最大開度情況下的運行狀態。而實際上,并聯于同一系統中的任何一臺排風柜的開-?;蛘呃拔恢玫淖兓?,都會引起別的排風柜排風量的變化。這是因為風管系統內水力相關,無法避免各個末端之間相互干擾。

        為便于各支管的水力平衡,有利于各個排風柜正常、穩定運行,一個系統中不宜接入太多的排風柜,比如,不超過4臺成了一項不成文的約定。當然,這種俗成約定是不具嚴格科學意義的,它只是在低水平科技手段條件下針對這類定風量排風系統模式的一種無奈的折中處置。

    2.3?采用定風量型排風柜排風系統和相應房間全室通風的傳統模式為采用定風量型排風柜和相應房間全室通風的傳統模式。在寒冷地區,該系統的進風除需經粗效過濾外,還需進行加熱,以實施熱風補給。從文中可看出,全室排風系統P-2和局部排風系統P-1是分開獨立設置的。至于全室通風是否必須與局部通風分開獨立設置,雖然未見教科書有所記述,也鮮見有什么設計標準或規范條文予以明確規定,不過,這一做法卻幾乎已成為通風工程設計不成文的俗成約定。


        另外,過去,囿于技術經濟條件的限制,多數實驗室內不設空調,只是要求冬季溫度不低于5.0℃而已。所以,新風補給系統的全年運行能耗尚屬有限。

    3?現代自動化、智能化實驗室的通風空調工程設計模式

    3.1?實驗室變風量排風柜的應用

        JG/T?222—2007《實驗室變風量排風柜》是一項與美國ASHRAE標準和國際標準等效的標準。該標準規定實驗室排風柜需采用自動化控制手段,以保持工作窗口面風速恒定為目的而實施變風量控制。

        最簡單的只有單一排風點,沒有分支風管的情況。為可自動或手動控制的上下拉窗;2為安裝于窗口的風速傳感器;風速顯示控制器3根據面風速給定值與風速傳感器2的實時測定值進行比較,作出判斷;操控變頻器4,調節風機運行轉速,增大或減小排風量。


        對于面風速的感測,這里只是為了能比較直觀地闡述原理,才在借用了風速傳感器

    2。在現實情況下,采用這種有形的風速傳感器顯得有些礙手礙腳,也難以找到恰當位置安放。在實踐中廣泛采用的是間接的機械式替代方式,即利用卷軸行程傳感器對其牽拉線纜拖動的窗門位移高度進行精確的感測,從而相應地加大或者減小排風量,以達到始終保持恒定面風速的效果。其工作原理可用式(1)表示。

    L=3?600v?bh

    (1)式中?L為排風量,m3/h;

    v為恒定的平均面風速,0.5m/s;

    b為窗口寬度,m;h為窗口開啟高度,m。

    式(1)中的v和b都是常量,唯一的變量是h。所以,排風量L與窗口高度h(即卷軸行程傳感器所感測到的行程)之間存在著簡單的線性關系。

        為了使窗口保持恒定的面風速,只要感測出窗口的高度(開度),即可計算并實施控制所需排風量L。這樣,卷軸行程傳感器的感測效應與面風速傳感器便是完全等效的。后文中除非特別說明,在討論相關自動控制原理時,將一律采用排風量(風速)傳感器代之。

        對于變風量排風柜,如果要求進一步提高其自動化程度,還可增設區域存在傳感器,在一定距離處(比如距排風柜0.5m)感測操作人員的有無,自動操控工作窗口的開閉。當排風柜前有操作人員時,傳感器發出信號給控制器,命令將排風柜設置到使用模式(開窗和正常排風量);當操作人員離開后,傳感器和控制器便發出指令,將排風柜設置于待命模式(關窗和最小排風量)

    。實際工程中常見的是具有多個排風點的系統形式。是含有2個排風點的系統,在這種情況下,每個支風管所連接的變風量排風柜都需采用壓力無關型變風量閥4,以確保每個排風末端的排風效果不受別的支風管及其末端設備運行狀況的干擾影響。


        接入系統的任一排風柜分支風量彼此之間互相不受干擾的根本原因,在于其所用變風量閥的壓力無關特性。實踐中應用最多的壓力無關型變風量裝置為文丘里變風量閥(文氏風閥)。變風量通風柜與文丘里變風量閥及卷軸行程傳感器結合使用的集成模塊。


        卷軸行程傳感器2感測到拉窗位置改變后,發出信號給控制器3(VIC),后者即命令變風量閥4的閥位作出相應的變化,以達到所需的風量(風速);同時,風量數據信號也由變風量閥4傳輸給風量疊加計算給定器5(DI)??傦L量顯示控制器6(FIC-101)在獲得其計算結果數據信號后,控制變頻調速風機7的運行轉速,以滿足總風量要求。顯然,這是一個開環控制,如要實現閉環控制,補充一個總風量反饋信號即可。

    3.2?壓力無關型文丘里變風量閥的構造和工作原理

        文丘里變風量閥消除了排風系統(或空調送風系統)中各支管或末端之間水力工況的相關性,可以說是變風量通風與空調技術應用中的關鍵性設備。只有了解其結構和工作原理,才能洞察它的壓力無關特性。


        文丘里變風量閥的外形是一個文氏管型的筒體1,內部有一裝有壓力補償彈簧3的錐形閥芯2。4為安裝于閥體上的執行機構。它接收來自風量顯示控制器(VIC)的控制信號,通過連桿7牽動錐形閥芯2前后移動,改變環形流道截面,實現風量調節。顯然,這是屬于主動性質的控制效應。壓力補償彈簧3吸收風管系統中壓力在一定范圍內的波動,從而賦予文丘里變風量閥壓力無關特性,因此,彈簧3在文丘里變風量閥中被稱為定風量機構。當排風系統總風管內壓力降低時,或送風系統總風管內(文丘里變風量閥右側)壓力升高時,文丘里變風量閥前后壓差增大。這一增大的壓差一方面會導致風量有增大的趨勢;另一方面也會加大施加于錐體彈簧上的壓力,壓縮彈簧,推動錐形閥芯稍稍向左移動,

    使閥內環形流道截面積減小,流動阻力增大,使之呈現風量減小的趨勢。這樣,本來因壓差增大而可能導致風量增大的趨勢,便在后一因素作用下,獲得補償或平衡,最終得以消除。反之亦然。

    深圳九天隆實驗室設計3

        風量曲線a,b,c,…,n,縱坐標顯示的是壓力補償彈簧的正常工作壓力范圍,只要總風管內壓力波動引起文丘里變風量閥前后壓差的變化不超出所示壓力范圍,文丘里變風量閥即可完全排除風管系統內無序的壓力波動干擾,而達到壓力無關的控制效果。文丘里變風量閥兩個互不相關操作機構的控制功能:前者根據自動控制器指令信號,對風量進行調節;后者為閥件本身為排除系統壓力波動干擾因素影響的定風量作用。

    3.3?現代化實驗室通風與空調工程設計的典型模式

    1)大型變風量排風系統的排風系統是一個大型變風量排風系統。并聯接入該系統的變風量排風柜1,僅所示的一個房間就有5臺,另外,未示出的其他房間可能還有很多臺。還有一個與傳統做法明顯不同之處,房間全室通風的排風管4也與各排風柜局部排風支管并聯于一個系統。需要注意的是,系統的每個支管上都裝有壓力無關型文丘里變風量閥2,而且,系統的動力部分采用的是變頻風機3。采用變風量排風系統的實驗室和實驗中心,

    可能采用的排風柜數量少則幾臺,多則十幾臺、數十臺。從理論和技術層面上說,并聯接入同一系統的排風柜或其他設備數量可以不受限制,而且,全室排風風管的并聯接入也屬正常和必要。更有甚者,同一個排風系統還可連接若干個不同實驗室的排風。其實,這一切都是由于并聯各支路的水力工況,以至其風量,均被賦予了壓力無關特性的緣故。另外,借助于智能化的自動控制技術,可確保系統總是以必要的最小排風量運行,從而在最大程度上減少通風和空調能耗。

        需要補充說明的是,有的實驗室要求恒溫恒濕空調環境,甚至是潔凈空調環境,但更多的只是要求保持舒適性環境即可。不同空調環境參數的要求,其系統運行能耗顯然是大相迥異的。


    2)大型變風量排風系統的風量自動控制原理變風量排風柜的應用和變風量排風系統的自動控制技術,對于確保實驗室排風柜的排風效果,保障整個排風系統運行的可靠和穩定,改善實驗室研究人員的職業衛生環境,降低實驗室的通風和空調負荷、減少能耗都具有很大意義。

        是一個跨房間的多室共用系統,首先它所連接的排風柜及其他設備的數量很多(遠遠超過了傳統習慣的3~4臺);其次,在符合某些規定的條件下它容許把作為局部排風的排風柜、儲存柜、活動風口等的排風與房間全室排風合并成一個系統。

        從風量(風速)顯示控制器1(VIC-101~105)到變風量閥2的控制,等同于。凡是接入同一系統,包括來自別的房間的各排風末端風量控制器的風量輸出信號,都各自輸入變風量閥2,3,以控制自身所需排風量。同時,各路排風量數據信號經由各變風量閥2,3輸入風量疊加計算給定器4(DI-101)。給定器4的計算結果數據信號即作為總風量顯示控制器5(FIC-101)的系統總風量給定值,用于控制變頻調速風機6的轉速??傦L量傳感器7測得的總風量值是控制動作后的實際風量,作為反饋信號再輸入總風量顯示控制器5(FIC-101),與之前的計算給定值進行比較,構成帶反饋的閉環控制回路,從而可實現變風量排風系統總風量的精確控制。

    3)全室排風量的確定及其自動控制原理對于房間的全室排風而言,由于它只與該房間的容積相關,理應在每一房間(實驗室)層級基礎上考慮問題。實驗室的日常全室排風量應確保換氣次數不小于6h-1。由于室內的局部排風也是來自同一實驗室內,其實時量值也應計入全室排風內,室內局部排風量是時時變化的,因而,全室排風量也需隨之時時改變才行。

       只是整個排風系統中所涉及實驗室的一部分。來自各變風量閥2,3的風量數據信號,輸入風量疊加計算給定器4(DI-102),其計算結果數據信號有兩路輸出:一路傳輸給補風量差值計算給定器SP-201,以供送風系統補風量控制用;另一路則傳送給全室排風量顯示控制器5(FIC-102),與房間按照最小換氣次數計算的排風量給定值進行比較。如果前者實時量值與后者給定值相等,則變風量閥3開度保持不變;如果前者大于后者,閥3關小,直到全關;反之,若前者小于后者,則閥3逐步加大開度,直到補全不足部分風量為止。

        定值可按照實驗室工作班制定時改變,比如白天工作期間,室內最小換氣次數按6h-1計算;夜間最小換氣次數按2h-1計算。定時改變給定值,即可實現節能的值班通風控制。

    4)變風量空調送風系統風量的自動控制S-1系統是一個典型的跨區域(房間)、多區域(房間)共用的直流式變風量空調送風系統。其單一實驗室和系統總送風量的自動控制原理。

        實驗室空調自動控制有兩個方面須考慮:一是室內微負壓(潔凈室空調時微正壓)的保持;另一個是室內環境要求的空氣參數的保持。對于室內微負壓的控制,有兩種方案可供選擇:補風量差值控制方案和壓差控制方案。

        補風量差值控制方案示于。送風系統的風量控制大致可分解成兩個層次:由補風量差值計算給定器3(SP-201)和風量顯示控制器4(FIC-201)構成的單一房間層次的控制與由風量疊加計算給定器5(DI-203)和總風量顯示控制器6(FIC-203)構成的整個系統層次的控制。將來自室內總排風量的數據信號輸入補風量差值計算給定器3(SP-201),后者可將其乘以0.9(或0.95)所得結果作為室內送風量給定值,輸入風量顯示控制器4,控制變風量閥1的開度,這是房間層次的控制。至于整個送風系統層次的控制,則是由來自各房間送風支管上變風量閥1和2的風量數據信號輸入風量疊加計算給定器5(DI-203)開始,通過總風量顯示控制器6(FIC-204)對送風機7的轉速實施控制完成。

        方案B壓差控制方案比較簡單,由安裝于室內的壓差傳感器8感測室內側壓力與室外側(走廊)壓力之間的實時壓差信號,輸入壓差顯示控制器9(PIC-201),與預先確定的壓差給定值進行比較,控制器9根據偏差信號的大小,調節變風量閥的開度。同時,來自變風量閥1的送風量信號傳輸給風量疊加計算給定器5(DI-203),參與對整個系統總送風量的控制。

        室內環境空氣參數的控制也有兩種手段:一種是常規的空氣處理過程中的參數控制,另一種是對送風量的控制。前者實施比較簡便、節能;后者實施起來勢必又會反過來波及并牽動室內負壓,以至排風量的控制。顯然,在既要滿足負壓控制要求,又要滿足室內空氣環境參數要求的情況下,便不得不額外加大送風量和排風量,導致運行能耗增大,所以,筆者認為,后一種手段不值得推廣應用。

    4?研發中心實驗室通風空調工程設計及其完工驗收面臨的評價和審查

        我國各級地方政府下屬的相應職能監督機構,比如各級疾病預防控制中心、衛生監督所、勞動安全監督機構等,受權對研發中心實驗室通風、空調工程的各個階段實施監督和審查。這類監督和審查隨著實施過程的進展越來越嚴格和規范化?,F在可以確定的是,除了工程設計前期針對室外環境的環境影響評價之外,對于室內環境至少得通過兩步評估和審查:

        初步設計階段的預評估審查和完工后的效果實測驗收審查。僅就這一制度實施以來筆者所經歷的情況而言,碰到的問題不少。這些問題大致有:


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