各種類型的實驗室和分析化驗室作為產品保證質量和可持續發展的重要場所, 大量出現在各個領域, 分析實驗的操作種類越來越繁雜, 建筑規模越來越大。技術水平的提升, 引起對實驗室的環境安全的更多關注, 小到一個實驗室, 大到研發中心樓, 內設幾十臺通風柜已經屢見不鮮。一個高標準的實驗室, 不僅要求通過通風系統來控制在實驗過程中產生的大量有害物質如氣體、蒸汽、粉塵和懸浮顆粒等的擴散, 還對室內的溫度、濕度、壓差、空氣潔凈度、噪音及震動等均有要求。設計所需的條件如房間狀態參數、試驗設備散熱量、氣流流型、污染物控制、噪音級別、震動控制以及許多用戶的特殊要求, 需要設計人員與用戶之間進行多次充分溝通后方能展開設計。而通風量作為通風系統的核心數據, 不僅僅是滿足上述要求的基礎, 還是經濟指標的基礎數據。確定合理的通風量, 是保障生產條件, 環境安全, 節能經濟的關鍵。

國外和國內標準對實驗室均有全面通風的換氣次數要求, 并對易產生有毒有害或刺激性氣味的實驗過程要求設置局部排風。當操作人員進行此類操作時, 以局部排風系統運行為主, 將有害氣體控制在一定范圍內并迅速排出, 包括通風柜排風和排風罩排風;當進行一般工作時, 以全面排風系統運行為主, 排除化學藥品存放時散發出的異味。全面通風與局部通風系統相輔相成, 共同保證實驗室的換氣次數要求, 維持房間良好的空氣環境。

國內標準對化驗室的換氣次數規定比較單一和明確。《化工采暖通風與空氣調節設計規范》HGT 20698-2009規定“化驗室應保持相對負壓, 房間的最小換氣量一般在6~8次/h。”;《火力發電廠采暖通風與空氣調節設計技術規程》DL-T 5035-2004規定“產生有毒、有異味等有害氣體的化驗室和試驗室應設置通風柜及機械排風裝置。換氣次數不宜少于每小時6次。”;《石油化工中心化驗室設計規范》SH/T3103-2009規定“產生有毒有害氣體的分析房間換氣次數不應小于7次/小時”。《化工工藝設計手冊》中對物理實驗室和一般化學實驗室的換氣次數分別作了規定。結合實際工程案例, 設計中通常實驗室的換氣次數要求大于6次。

國外對于實驗室的換氣次數, 不同國家和地區, 甚至于同一個國家和地區但不是一個體系的規定也各不相同。美國的標準中, 按照物理實驗室和化學實驗室、操作狀態和值班狀態、有人狀態和無人狀態等分類, 進行了相應的規定。比如NFPA45中, 規定實驗室的最小換氣次數無人操作時應不小于4次, 有人操作時應不小于6次;2013版的Ashrae62.1將污染物濃度控制決定新風風量的觀點引入到規定中, 不再硬性規定風量和換氣系數等要求。Ashrae62.1中這個觀點必將逐步應用到實驗室的通風設計中。綜合上述的各種規定, 實驗室的工作狀態和污染物的濃度控制決定通風量, 也同樣決定節能運行的優劣。

分析國內外的相關規定, 使我們對實驗室的換氣次數有了多方位的考慮。在確保污染物濃度控制在許可范圍內的情況下, 結合生產操作等因素盡可能降低實驗室的通風量, 取得一個合理的平衡點, 無論在項目初投資還是運行成本上都可以大量節省。

通風柜和排氣罩是實驗室的主要局部排風設備。通風柜排風主要適用于有氣味和有害氣體散發的化學實驗, 在工作口上造成一定的吸入風速, 以便有組織地將有害氣體排至室外。恒定的吸入速度可使通風柜內包容空間的有害物質的逃逸減小到最低程度, 從而使通風柜前的操作人員的安全健康得到最大的保證。各國對通風柜的吸入風速規定也不相同, 英國標準 (BS7258) 通風柜設計和規定推薦使用表1的吸入風速。而Ashrae規定指出實驗室通風柜吸入風速應根據通風柜內進行試驗的藥品或試劑的毒性以及潛在危險來確定, 采用的最為廣泛的通風柜吸入風速為0.5m/s, 允許波動范圍為0.1m/s。

目前有資料分析, 對于一款適用于大多數化學實驗室的通風柜, 其吸入風速在0.4-0.5m/s時, 多數操作可以有效且低風險地運作;將吸入風速提高至0.5-0.6m/s時, 污染物外溢的控制效果變化不大, 但是運行成本卻顯著提高, 此風速范圍可以適用于一些特殊實驗操作以稍微改善對污染物的控制效果。當風速提高到0.6-0.75m/s時, 對污染物的控制效果有所提高但是沒有本質的改善, 能耗卻會因此而大大提高, 所以, 一般不推薦使用。當吸入風速提高到>0.75m/s時, 可能會在通風柜內引起紊流從而導致柜內毒害氣體溢出。

所以, 通風柜選取的吸入風速不是越大越好, 而是應該選擇合適的數值。當我們需要通過高吸入風速控制污染物外溢時, 也需要同樣選擇與吸入風速相匹配的通風柜, 方能達到預期的控制效果。

對于某些較大實驗設備或無法在通風柜中進行的實驗操作, 可在其上部或側面采用結構簡單, 制作方便的排風罩。罩口截面和形狀可靈活的與有害物的擴散形狀相匹配, 并且在不影響工藝操作的情況下, 盡量靠近有害物散發點。

通常情況下, 操作人員在不進行實驗時都會習慣性的將排風系統關閉, 使得房間內其它空間區域內的污染物逐漸擴散, 或通風柜關閉不嚴造成通風柜內殘余的有害物外泄, 進而污染房間空氣, 這些均要求房間額外設計全面排風系統與局部排風系統配合使用。

在實驗室的通風空調設計中, 送風量的確定很大程度上不是由室內負荷決定的, 而是由排風量決定的。確保實驗室內部的風量平衡及與走廊之間一定的壓差是現代實驗室的基本要求, 這就需要與排風系統相匹配的送風系統。送風量應滿足實驗室全部局部排風量、全面排風量和維持房間壓力的需求。操作人員的實驗操作并不是全天不間斷的, 使得局部排風系統間斷運行, 如何能夠在盡量節能且操作安全的前提下使送風量與排風量平衡成為問題的焦點。

系統排風量的確定, 不能簡單的將全面通風量和所有局部排風量疊加。需要局部排風的實驗設備的同時使用系統對風量的大小很關鍵。同時, 房間的換氣次數是由局部排風和全面排風共同保證的, 綜合這兩方面就可以計算出合理的風量范圍, 系統最終的風量范圍應綜合考慮了同時使用系數和換氣次數確定的。如果風量范圍幅度較大, 則應采用變風量通風系統。如果幅度不大, 則采用定風量系統也能達到同樣的效果。所以通風柜是否為變風量型同系統風量是有關系的。

系統的送風量, 應能滿足各種實驗設備使用工況引起的風量變化。送風量范圍:考慮所有局部排風設備均處于無人操作狀態時所需的最小風量和換氣次數、房間負壓等要求, 確定的最小送風量;考慮同時使用系數后的局部排風量和換氣次數、房間負壓等, 確定的最大送風量。定風量送風與變風量送風系統的確定, 取決于風量的范圍。

實驗室的設計應該與建筑設計系統的功能一致協調, 但由于室內污染物需要通風空調系統整體為實驗者提供一個安全舒適的工作環境, 選取合理的系統風量和定風量與變風量通風系統形式的選擇形式, 并配合現代的控制技術, 才能滿足實驗室功能與系統節能要求。