劉海華

（江蘇正大豐海制藥有限公司，江蘇鹽城224100）

0 引言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室與其他類型建筑的區(qū)別在于，其化學(xué)品和其他潛在危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)的使用會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)室操作人員的身體健康和生命安全。但是，所有的實(shí)驗(yàn)室又都不盡相同，不同的實(shí)驗(yàn)室有著不同的危害等級和使用要求。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃或改造過程中，一系列有關(guān)安全、節(jié)能減排、舒適度的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)必須被采納和參考，以確保設(shè)計(jì)解決方案最佳。

為達(dá)到上述目的，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)良的暖通設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵性作用，而暖通控制方式的選擇是實(shí)現(xiàn)上述目的的具體手段。

1 概念的介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)的核心理念在于進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的空氣必須排出實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)風(fēng)量通常由送風(fēng)量和滲透風(fēng)量組成，其等于實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)量，或等于通過房間綜合排風(fēng)、通風(fēng)柜、排氣罩、生物安全柜等設(shè)備排風(fēng)量和滲出風(fēng)量的總和。當(dāng)設(shè)計(jì)一棟帶有實(shí)驗(yàn)室的建筑時(shí)，所有的風(fēng)量必須經(jīng)過詳盡的計(jì)算。

在實(shí)踐中，通過實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)量小于排風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓。額外的排風(fēng)量形成的負(fù)壓環(huán)境使得新風(fēng)由相鄰的區(qū)域通過門縫、窗縫以及其他縫隙擴(kuò)散滲透進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

1.2 確定所需送風(fēng)量

確定實(shí)驗(yàn)室所需的送風(fēng)量的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：溫度、排風(fēng)和通風(fēng)換氣。

1.3 不同實(shí)驗(yàn)室所需考慮的因素

以溫度因素為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置有大量的化學(xué)分析儀器、烘箱或加速化學(xué)反應(yīng)過程的加熱元器件。如果沒有足夠的送風(fēng)量的話，這些布置儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室將會(huì)變得炎熱，從而導(dǎo)致舒適度下降。燈、實(shí)驗(yàn)室人員甚至通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)均是實(shí)驗(yàn)室冷負(fù)荷的組成部分，確定消除房間負(fù)荷所需的新風(fēng)量時(shí)必須包含上述所有負(fù)荷。然而，除了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷以外，其他負(fù)荷需根據(jù)預(yù)期使用情況來確定。例如，考慮到實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的同時(shí)使用概率，可以適當(dāng)?shù)販p少送風(fēng)量。

排風(fēng)主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室，諸如教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際上實(shí)驗(yàn)室布滿了通風(fēng)柜和排氣罩。通過通風(fēng)柜排出大量的空氣來實(shí)現(xiàn)對氣體、蒸汽、粒子和其他污染物的有效控制。所有實(shí)驗(yàn)室排出的氣體，包括通過通風(fēng)柜排風(fēng)的氣體，必須進(jìn)行新風(fēng)補(bǔ)償以免造成實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓過大。

最后，還有一些冷負(fù)荷和通風(fēng)柜及其他排風(fēng)設(shè)備（即便有也很少）的實(shí)驗(yàn)室。這些以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室仍然需要較大的送風(fēng)量來稀釋房間的污染物。通風(fēng)率通常以每小時(shí)的換氣次數(shù)（ACH）為單位，通過每小時(shí)送入實(shí)驗(yàn)室總送風(fēng)量除以房間的體積來計(jì)算。有人占用的實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)通常按照8～10次/h考慮，無人占用時(shí)換氣次數(shù)可以減少至4次/h。

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室暖通控制方式

2.1 定風(fēng)量

具有機(jī)械通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室均采用CAV定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。顧名思義，定風(fēng)量系統(tǒng)就是實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)量和排風(fēng)量都是固定不變的。

定風(fēng)量系統(tǒng)是以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室的最好選擇，這種類型的實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)量由實(shí)驗(yàn)室的換氣次數(shù)來決定。以通風(fēng)換氣主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室，其滿足換氣次數(shù)、換氣率要求的送風(fēng)量足以消除房間的冷熱負(fù)荷，滿足排風(fēng)設(shè)備對于補(bǔ)風(fēng)量的需求。因此，不再需要送入額外的送風(fēng)量。

定風(fēng)量系統(tǒng)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)簡單；（2）節(jié)約控制系統(tǒng)成本；（3）易于控制。

定風(fēng)量系統(tǒng)具有以下幾種潛在的缺點(diǎn)：（1）機(jī)電設(shè)備必須按照最大量來設(shè)計(jì)和選型，增加了排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組和其他固定設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)成本。（2）增加了設(shè)備搬遷再就位的難度。由于系統(tǒng)缺少壓力無關(guān)性控制，設(shè)備位置的改變可能會(huì)改變暖通空調(diào)系統(tǒng)壓力分布，從而直接導(dǎo)致系統(tǒng)需要重新再平衡。（3）制約未來的發(fā)展，有限的系統(tǒng)容量無法再增加額外設(shè)備。（4）系統(tǒng)運(yùn)行不安全狀態(tài)的用戶提醒功能受限。定風(fēng)量系統(tǒng)沒有固有的監(jiān)視器和控制器。若需符合最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)額外增加監(jiān)視器需要額外增加費(fèi)用。沒有安裝監(jiān)視器的老舊系統(tǒng)無法提供不安全狀態(tài)用戶提醒，存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 雙態(tài)

最初的有關(guān)降低高持續(xù)性運(yùn)行定風(fēng)量控制系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用集中在無人占用的實(shí)驗(yàn)室降低風(fēng)量上。在此情況下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室在使用狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)滿載運(yùn)行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室無人占用時(shí)，此時(shí)通風(fēng)柜不會(huì)由于人為因素而產(chǎn)生紊流，在此情況下降低系統(tǒng)風(fēng)量成為一種可能。

與定風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室相比，對于以通風(fēng)換氣為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)排風(fēng)或消除負(fù)荷所需更多送風(fēng)量時(shí)，此時(shí)不能使用雙態(tài)控制。

雙態(tài)系統(tǒng)與定風(fēng)量系統(tǒng)有著相似的優(yōu)缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)簡單；（2）與變風(fēng)量系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)成本相對較低；（3）與定風(fēng)量系統(tǒng)相比，當(dāng)無人占用時(shí)降低風(fēng)量有助于降低運(yùn)行成本。

雙態(tài)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)：（1）與定風(fēng)量系統(tǒng)一樣，雙態(tài)控制系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備也必須按照最大量來設(shè)計(jì)和選型，增加了排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組和其他固定設(shè)備的初投資和運(yùn)行維護(hù)成本。（2）當(dāng)通風(fēng)柜等裝有壓力無關(guān)性的定風(fēng)量閥時(shí)，此時(shí)的雙態(tài)定風(fēng)量控制系統(tǒng)，一定程度上緩解了設(shè)備搬遷再就位的難度，相對減輕了系統(tǒng)再平衡的工作量和難度。（3）與定風(fēng)量系統(tǒng)一樣，其制約未來的發(fā)展，有限的系統(tǒng)容量無法再增加額外設(shè)備。（4）缺乏系統(tǒng)不安全運(yùn)行狀態(tài)的用戶提醒功能，當(dāng)采用雙態(tài)控制系統(tǒng)時(shí)，通常也沒有安裝通風(fēng)柜面風(fēng)速監(jiān)視器和控制器，若需符合最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)則需額外增加面風(fēng)速監(jiān)視器和控制器?！?/p>

2.3 變風(fēng)量

變風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室通過減少送風(fēng)量和排風(fēng)量滿足實(shí)驗(yàn)室溫度、通風(fēng)換氣和通風(fēng)柜安全面風(fēng)速的最小風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。當(dāng)通風(fēng)柜移門開度降低時(shí)，通風(fēng)柜變風(fēng)量控制器通過減少通風(fēng)柜柜門開口的排風(fēng)量來保持面風(fēng)速的恒定，同時(shí)房間變風(fēng)量控制器相應(yīng)的減少送風(fēng)量以實(shí)現(xiàn)房間的風(fēng)量平衡。同樣，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室需要增加送風(fēng)量來消除實(shí)驗(yàn)室的冷、熱負(fù)荷時(shí)，此時(shí)房間變風(fēng)量控制器通過增加房間的綜合排風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)房間的風(fēng)量平衡。

與定風(fēng)量和雙態(tài)實(shí)驗(yàn)室相比，變風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室具有眾多優(yōu)點(diǎn)：（1）當(dāng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷減小時(shí)，送風(fēng)量和排風(fēng)量均會(huì)減少，需要經(jīng)過空調(diào)冷熱處理的新風(fēng)量也會(huì)減少，節(jié)約能源消耗成本；（2）通過使用無人占用模式來實(shí)現(xiàn)送、排風(fēng)量的減小，進(jìn)一步節(jié)省能源消耗成本；（3）應(yīng)用同時(shí)使用概率來減少最大設(shè)計(jì)風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)諸如排風(fēng)機(jī)、管道系統(tǒng)和空氣處理設(shè)備等固定設(shè)備較小的選型；（4）當(dāng)設(shè)備位置移動(dòng)或再增加設(shè)備時(shí)，壓力無關(guān)性的變風(fēng)量控制器調(diào)整適應(yīng)系統(tǒng)的變化，只需在受變化直接影響的區(qū)域進(jìn)行再平衡，而不需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行再平衡；（5）當(dāng)通風(fēng)柜面風(fēng)速、房間壓差或風(fēng)量平衡達(dá)到潛在的不安全級別時(shí)，變風(fēng)量控制器會(huì)通過報(bào)警來提醒用戶。

2.4 同時(shí)使用概率的概念

對于實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)來說，想要系統(tǒng)充分發(fā)揮其潛力的話，設(shè)備必須按照預(yù)期負(fù)荷和預(yù)期風(fēng)量來進(jìn)行合適的選型。與其他類型實(shí)驗(yàn)室相比，變風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)相對較少風(fēng)量的預(yù)期。在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)考慮到同時(shí)使用概率，即不需要按照最大可能風(fēng)量進(jìn)行，而是應(yīng)該按照預(yù)期風(fēng)量來選擇。

這樣的確存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)所有設(shè)備都運(yùn)行時(shí)所需風(fēng)量無法得到滿足。由于沒有2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的使用方式是完全相同的，所以，當(dāng)預(yù)測變風(fēng)量系統(tǒng)的系統(tǒng)風(fēng)量時(shí)，同時(shí)使用概率水平必須基于每個(gè)案例逐個(gè)決定，必須咨詢相關(guān)專業(yè)人員來確定實(shí)驗(yàn)室存在的風(fēng)險(xiǎn)級別。只有經(jīng)過上述步驟，才能確定符合實(shí)際需求的預(yù)期風(fēng)量。

基于考慮同時(shí)使用概率，由此產(chǎn)生的成本節(jié)約源于所有實(shí)驗(yàn)室并不會(huì)同時(shí)全流量運(yùn)行的假設(shè)，這些成本節(jié)約以減少固定設(shè)備選型和投資的方式體現(xiàn)。一棟大樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)大部分成本在于冷凍機(jī)組、風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備以及其他大型設(shè)備。在設(shè)備選型時(shí)，按照預(yù)期負(fù)荷而不是最大可能負(fù)荷進(jìn)行，由此節(jié)約的成本可以承擔(dān)額外增加變風(fēng)量控制系統(tǒng)絕大部分的成本。同時(shí)，暖通空調(diào)設(shè)備在全流量最高效率點(diǎn)運(yùn)行，也可以節(jié)約運(yùn)行成本，此時(shí)，按照預(yù)期風(fēng)量選型的設(shè)備將接近峰值容量運(yùn)行而不是部分負(fù)荷運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)室房間的壓力控制

實(shí)驗(yàn)室相對于周圍的區(qū)域保持相對較低的壓力值，稱之為負(fù)壓，以防止污染物擴(kuò)散至樓宇其他區(qū)域。

在定風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室中，送、排風(fēng)量間的平衡總是保持一個(gè)固定的風(fēng)量差值。在雙態(tài)定風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室中，送、排風(fēng)量控制在保持全流量或低風(fēng)量2個(gè)狀態(tài)運(yùn)行。這2種類型的實(shí)驗(yàn)室，通常會(huì)采用文丘里閥或其他類型暖通空調(diào)控制方式。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室氣流或壓差波動(dòng)時(shí)，房間監(jiān)視器也可用來提醒設(shè)備維護(hù)人員和實(shí)驗(yàn)室操作人員。

在變風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室中，由于通風(fēng)柜移門開度和房間冷熱負(fù)荷的不斷變化造成實(shí)驗(yàn)室的氣流幾乎每時(shí)每刻都在變化。某些控制系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)送風(fēng)量和房間排風(fēng)量來保持房間壓力。工程師可以根據(jù)需要來選擇直接壓力控制、流量跟蹤控制或帶壓力反饋的流量跟蹤控制。為了更好地為每種情況匹配最合適的解決方案，首先需要了解每個(gè)系統(tǒng)的局限性。

3.1 直接壓力控制

直接壓力控制是最簡單的房間變風(fēng)量控制方式。在這種控制方式下，房間控制器調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)閥門，以保持實(shí)驗(yàn)室與參照區(qū)域的壓差穩(wěn)定。無論任何原因引起的房間壓力變化，控制器都將會(huì)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。因此，直接壓力控制可以保持?shí)驗(yàn)室的壓差最接近設(shè)定值，這一點(diǎn)對于存放高風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的房間尤為重要。

和所有控制系統(tǒng)一樣，直接壓力控制也有其局限性。只要房間壓差產(chǎn)生變化，直接壓力控制器將會(huì)調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)閥門。有效的應(yīng)用直接壓力控制器需要合理設(shè)計(jì)建筑，以保持壓力參照點(diǎn)壓力的穩(wěn)定。

關(guān)鍵要求包括：（1）保持壓力參照區(qū)域的壓力穩(wěn)定。參造區(qū)域的壓力波動(dòng)直接導(dǎo)致房間壓差的相應(yīng)的擾動(dòng)。（2）保持實(shí)驗(yàn)室門的關(guān)閉。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室門關(guān)閉時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門窗縫隙以及其他任何縫隙的面積是非常小的，有利于保持房間的相對密閉性。當(dāng)門打開時(shí)，實(shí)驗(yàn)室與參數(shù)區(qū)域的壓力幾乎相同，為了保持實(shí)驗(yàn)室的壓差重新回到設(shè)定值，直接壓力控制器將送風(fēng)閥門關(guān)至最小開度的同時(shí)，將排風(fēng)閥門打開至最大開度。這種排風(fēng)和送風(fēng)間的巨大流量差可能導(dǎo)致相鄰區(qū)域房間壓差甚至整個(gè)大樓的壓力產(chǎn)生影響。門磁開關(guān)可用來鎖定送、排風(fēng)量或減小房間壓差設(shè)定值，以此來進(jìn)一步緩解由于實(shí)驗(yàn)室門打開引起的問題。（3）如果電梯沒有前廳的話，避免電梯直接開向壓力參照區(qū)域。當(dāng)電梯在各層之間運(yùn)行時(shí)，電梯轎廂將氣流不斷地出入電梯井，會(huì)不斷地改變相鄰區(qū)域的壓力。（4）避免實(shí)驗(yàn)室門直接開向室外。即便是實(shí)驗(yàn)室門關(guān)閉時(shí)，吹過的陣風(fēng)或拂過建筑物的風(fēng)都會(huì)影響參照區(qū)域的壓力。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設(shè)計(jì)用于維持排風(fēng)量大于送風(fēng)量的控制。由于排風(fēng)量比送風(fēng)量大，因此實(shí)驗(yàn)室處于負(fù)壓狀態(tài)。額外的排風(fēng)量通常稱之為補(bǔ)償風(fēng)量或“余風(fēng)量”，實(shí)際上這部分風(fēng)量通過送入相鄰區(qū)域，可能通過門或其他滲透方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。風(fēng)量跟蹤控制器通過調(diào)節(jié)送風(fēng)和排風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)余風(fēng)量（補(bǔ)償風(fēng)量）的恒定不變。

為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使用流量跟蹤房間控制器必須測量所有送、排風(fēng)管道的風(fēng)量。房間壓力不再是流量跟蹤控制的一部分（即房間壓力的變化將不再受監(jiān)視）。開門對于直接壓力控制來說是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但是流量跟蹤控制可以忽略這個(gè)問題。開門造成房間壓差變?yōu)榱悖瑢τ诹髁扛櫩刂苼碚f，開門將不會(huì)直接影響房間的送、排風(fēng)量，房間控制器將不會(huì)動(dòng)作。因此，流量跟蹤控制適用于無門敞開型實(shí)驗(yàn)室。

一些工程師偏好流量跟蹤控制，因?yàn)樗?、排風(fēng)量很容易預(yù)測，大大簡化了風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備、管道系統(tǒng)或其他固定設(shè)備的選型。在實(shí)踐中，當(dāng)設(shè)計(jì)流量跟蹤控制的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，余風(fēng)量或補(bǔ)償風(fēng)量是基于房間門的數(shù)量和房間滲透量來計(jì)算的。一旦實(shí)驗(yàn)室建造完成，對實(shí)際的余風(fēng)量或補(bǔ)償風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整直至實(shí)驗(yàn)室維持明顯負(fù)壓。然后，房間控制器被設(shè)置用來維持余風(fēng)量值。

流量跟蹤控制不適用于那些存放劇毒性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室。

3.3 具有壓力反饋的流量跟蹤控制

具有壓力反饋的流量跟蹤控制結(jié)合了流量跟蹤控制和房間壓差測量2種技術(shù)，這種控制形式綜合了單純流量跟蹤控制和直接壓力控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)使用壓力反饋流量跟蹤控制系統(tǒng)時(shí)，和單純流量跟蹤控制一樣，所有的送、排風(fēng)流量均需被監(jiān)測。送、排風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)至一個(gè)特定的余風(fēng)量值，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓平衡。同時(shí)，這種綜合型控制系統(tǒng)也測量房間的壓差值。

房間控制器使用房間壓力測量來緩慢地調(diào)整余風(fēng)量，對房間動(dòng)態(tài)的長期的變化進(jìn)行更正。如果房間壓差變化太快的話，房間控制器會(huì)在潛在的不安全狀況下提醒設(shè)施維護(hù)人員和實(shí)驗(yàn)室操作人員。

因此，開門對于壓力反饋流量跟蹤控制來說不會(huì)造成與直接壓差控制相同級別的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)開門時(shí)，幾乎立刻造成房間壓差跌至零。此時(shí)，控制系統(tǒng)的壓力反饋原件僅僅慢速調(diào)整余風(fēng)量值來實(shí)現(xiàn)房間壓力達(dá)到設(shè)定值。在短時(shí)間內(nèi)，通常是正常情況下開門，壓力反饋流量跟蹤控制器不會(huì)明顯地調(diào)整余風(fēng)量值，其送、排風(fēng)量幾乎保持不變。當(dāng)門敞開，最終和直接壓差控制一樣，壓力反饋流量跟蹤控制將會(huì)加大排風(fēng)量，同時(shí)減少送風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)壓力維持在設(shè)定值。

4 結(jié)語

本文從實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)、確定所需送風(fēng)量、不同實(shí)驗(yàn)室所需考慮的因素幾個(gè)概念入手，探討了定風(fēng)量、雙態(tài)、變風(fēng)量這3種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的暖通控制方式，闡述了直接壓力控制、流量跟蹤控制、具有壓力反饋的流量跟蹤控制這3種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室房間的控制?？傊瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室暖通控制方式的選擇要綜合安全、節(jié)能減排、舒造、可靠的原則，以達(dá)到最佳的效果。