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實驗室常用的通風系統

實驗室通風系統經歷了定風量系統、雙風量系統、變風量系統三個發展階段。


1. 1 排風系統


1.1.1 定風量系統


排風機采用單速定頻風機,排風量基本不變,系統無法隨排風柜使用數量及排風柜門開啟高度而調節風量,因此采用該系統所帶排風柜不宜大于3 個,該系統優點是投資小,控制簡單;缺點是排風柜面風速難以保證,會有部分有毒有害氣體從排風柜中逸出(面風速過小或過大都能造成氣體從排風柜中逸出),且運行費用高。


1.1.2 雙風量系統


排風機采用雙速風機,較定風量系統有所改進,但沒有從根本上改變定風量系統的缺點,采用該系統所帶排風柜不宜大于5 個,目前應用不多。


1.1.3 變風量系統


排風機采用變頻風機,在排風主風道上設壓力傳感器,將壓力傳感器測得的壓力與設定壓力值比較,由變頻器調節風機轉速,達到調節風量的目的。在變風量系統中排風柜采用面風速控制,采用感應區紅外探頭檢測排風柜前人員的存在與否來控制柜門面風速,當操作人員出現在排風柜前時,紅外探頭傳感器輸出信號,將排風柜面風速設定到高排風量模式,此時排風柜面風速控制在0.5m/s, 當操作人員離開的時候,紅外探頭傳感器輸出信號,將排風柜面風速設定到低排風量模式,此時排風柜面風速控制在0.3m/s,當實驗室內無人時,排風柜面設定到最小排風量模式,即值班排風模式,維持排風柜和管道中保持負壓,保證有毒有害氣體不外逸,有時為滿足實驗室最小排風量要求,房間還要設輔助排風,當排風柜排風量不滿足實驗室最小排風量要求時,輔助排風自動打開,保證實驗室最小排風量。該系統有如下優點:①在實驗操作過程中,排風柜門開度變化較大,采用面風速控制非常合理,與傳統定風量系統比較,運行能耗要節省很多,且對操作人員的人身安全及實驗精度的影響都更有利;②一個系統可帶多個排風柜,可共用一個主管道,風井集中,有利于實驗室工藝布置,減少土建造價;③由于多個排風柜合用一套排風系統,在實際工作過程中,排風柜不可能同時達到最大排風量,因此在排風設備及主風道選擇時可考慮一定的同時使用系數,比定風量系統要小一些;④由于排風集中,便于能量回收及排風處理。


1.1.4 事故排風


當實驗室內有高危險性實驗時(一般由工藝設計人員提供),排風系統設計應考慮發生突然事故時,能即時將有毒有害氣體排除,排風量按12 次/h換氣次數計算。


1. 2 補風系統


實驗室一般排風量較大,且連續排風時間較長,容易造成室內負壓過大,為平衡室內外壓差,需要對實驗室進行補風,以維持房間設定的壓力。


1.2.1補風量計算


補風量應根據房間排風量及設定的負壓值(相對相鄰房間、走廊或大氣)計算確定,補風量按下列公式計算:Lb=Lp-Ly


式中,Lb 為補風量,m3/h;Lp 為排風量,m3/h;Ly為維持負壓所需風量,也叫余風量,m3/h;Ly可按負壓值與房間換氣次數的關系確定,也可按縫隙法計算。


1.2.2 補風方式


有自然補風和機械補風兩種方式。


自然補風不設補風機,將室外新風經過濾器、管道進入室內,由于新風是由負壓吸進室內,氣流達到動態平衡,同時也保證實驗室氣流流向穩定,且始終處于負壓狀態。優點是不需設補風機,節省初投資和運行費用;缺點是需要的進風井或進風百頁面積大,占用建筑使用面積大或影響建筑立面效果,其次是補風無法進行加熱或冷卻處理。


機械補風與排風系統對應設置機械補風系統,將室外新風經集中處理后,由補風機經管道送入房間內,采用定風量還是變風量系統,一般與排風系統對應,即排風為定風量系統,補風也為定風量系統,排風為變風量系統,補風也為變風量系統。


1.2.3補風地點


補風可直接補在排風柜內或柜門前,也可補在房間內,補在排風柜內或柜門前的優點是補風不需要做加熱或冷卻處理,可節省能源;缺點是操作人員工作環境舒適性差,有時可能對實驗數據有影響,補在排風柜內方式不適用有面風速要求的排風系統。補在房間內,補風一般需經過加熱或冷卻處理,其優點是操作人員工作環境好,對排風柜面風速及柜內氣流無影響;缺點是能量消耗要比直接補在排風柜內或柜門前大。


1. 3 排風柜變風量控制器


目前常用的風量控制器有兩類:一類是測量柜門面風速,通過與設定風速比較,調節風閥開度以達到設定值,風閥一般采用蝶閥,其優點是:①精度不受柜前有無人員遮擋影響。②閥門阻力小。缺點是:①精度受測量點的位置和數量影響。②測量到的風速需要通過傳感器轉換成電信號調節風閥,系統反映速度稍慢。另一類是通過測量柜門位置,調節風閥開度,風閥一般采用文丘里閥,其優點是:通過測量柜門位置直接控制風閥開度,系統反映快,響應時間短。缺點是:①排風量會受柜前有無人員遮擋影響。②風閥阻力較大。


2 通風系統控制


2. 1 定風量、雙風量系統控制


定風量、雙風量系統控制比較簡單,在實驗室內設風機啟動按扭,根據需要直接啟停風機。


2. 2 變風量系統控制


2.2.1 送排風機控制


風機采用變頻風機,在主風道內設壓力傳感器,將壓力傳感器測得的壓力與設定壓力值比較,由變頻器調節風機轉速,達到調節風量的目的。


2.2.2 排風末端設備控制


在排風柜的排風支管上設風量控制閥,當末端通風設備風量需要發生變化時,風量控制閥迅速動作,響應時間要在1s 之內。


2.2.3 實驗室壓力控制


實驗室壓力控制主要有兩種方法,直接壓差控制法和余風量控制法。直接壓差控制法即通過壓差傳感器測量室內與參照區域的壓差,與設定壓差比較,控制器根據偏差調節送風量,從而達到要求的壓差,此法適用壓力控制精度不高的負壓實驗室;余風量控制法,是讓排風量與送風量之間保持一定的風量差,使室內外產生一定的壓差,此法適用于壓力控制精度高的實驗室(如潔凈實驗室、生物安全實驗室)。


2. 3 變風量通風系統控制原理


常用的實驗室變風量通風系統控制原理。(見圖1)








2.3.1 通風柜面風速控制系統工作原理


1) 面風速控制系統持續地監測實際面風速狀態,當任何因素影響風訴變動時,系統將自動調整管道上的風閥以恒定的面風速值。


2)系統通過紅外線監測器實現當通風柜前有操作人員工作時面風速控制在某一設定值(如0.5m/s),當通風柜前無人操作時,系統自動轉換到另一設定值(如0.3m/s)以節省運行費用。


3)通風柜門位過高時有聲音報警。


4)由于故障面風速過高或過低時有聲光報警。


5)當出現異常情況時,開啟事故排風模式,控制系統將風閥開到最大開度,不受面風速值的控制。


6)通常面風速控制系統本身對面風速及風量的設定及控制值只有兩中狀態即有人、無人或白天、夜間。


2.3.2 管道靜壓控制系統原理:


1)持續檢測管道內的靜壓變化,通過調整風機轉速來恒定管道內靜壓。


2)控制系統在0.1s 內探測到壓差變化并輸出控制信號。


3)夜間工況時,控制系統有第二狀態設置。


3 能量回收


實驗室工作過程中,在排除大量有害氣體的同時,也帶走了大量的室內能量,為減少這部分能量損失,在通風系統設計時,要考慮排風能量回收,目前常用的回收方式有:


1)采用中間介質進行能量回收,在排風機組內設盤管余熱回收段,在送風機組內設盤管新風預熱段,二段之間通過管路、水泵形成一個循環系統,通過中間介質(水或乙二醇)將排風中的能量轉移到送風中,該系統雖然回收效率不是很高(顯熱效率在60%以下),但非常安全,不存在排風污染新風問題。


2)采用板式空氣換熱器,排風與新風在板換內完成能量交換,系統比較簡單,但設備尺寸較大,占用機房面積大。


4 尾氣排放及排風處理


有些實驗設備在工作過程中,要產生尾氣,其設備本身帶有排氣裝置,在通風設計時,應根據工藝要求,在房間適當位置設一直通室外的豎向尾氣排放管。管材一般選用塑料管,在排氣立管適當高度設可與排氣裝置連接的接口及閥門。


另外,實驗室有些排風需經過處理后,才能排向大氣,在排風系統劃分時,要將不能直接排放的實驗室排風集中在一個系統,以便于集中處理。采用何種處理方式,應根據排氣性質決定,一般常用的方法是采用活性炭吸附法。


5 設計中要注意的問題


1)在劃分通風系統時,要將實驗性質相同或相近的排風設在一個系統,對混合后可能引起燃燒、爆炸或形成毒性更強的有害物質的排風要分設排風系統。


2)排風不允許直接排放,需經處理后才能排向大氣的實驗室要盡量設在一個排風系統內。


3)要注意各末端排風設備間的阻力平衡,如局部排風罩阻力遠小于排風柜及控制閥的阻力,這時要在局部排氣罩的支管上設定風量閥。


4)萬向排氣罩阻力較大(一般在200Pa 以上),在和其他末端并聯時,要特別注意,在系統壓力不能滿足要求時,可在其支管上設小型管道風機,以滿足其壓力要求。


5)生物安全柜要單排。


6)當實驗室排風量較大時,要在走廊、大廳等公共區域設補風,以避免負壓過大,造成開門或關門困難。


7)選擇能量回收方式時,要注意防止排風污染新風問題。2022725


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