實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

1 通風(fēng)柜的功能和應(yīng)用場合

   通風(fēng)柜最主要的功能是，將實(shí)驗(yàn)操作時產(chǎn)生的各種有害氣體、水蒸汽、氣味、余熱等，控制在通風(fēng)柜內(nèi)并排至室外，達(dá)到為了保護(hù)使用者的安全，防止實(shí)驗(yàn)中的污染物質(zhì)向?qū)嶒?yàn)室擴(kuò)散的目的。通風(fēng)柜在各種生化和理化實(shí)驗(yàn)室中有著非常廣泛的應(yīng)用，在保護(hù)實(shí)驗(yàn)樣品的純度、保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確、維護(hù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的清潔、改善勞動衛(wèi)生條件和提高工作效率等方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通風(fēng)柜可用于理化實(shí)驗(yàn)室和生物實(shí)驗(yàn)室，也可以用于潔凈實(shí)驗(yàn)室，但不適用于生物安全三級和四級實(shí)驗(yàn)室。

2 國內(nèi)外關(guān)于通風(fēng)柜的標(biāo)準(zhǔn)

   國外關(guān)于通風(fēng)柜的標(biāo)準(zhǔn)主要有：德國標(biāo)準(zhǔn)D IN 1 2 92 7 （1 99 0 年），法國標(biāo)準(zhǔn) N FX 15 -2 11（1996 年），英國標(biāo)準(zhǔn) BS7989:2001（2001 年），澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS2243.9:2003（2003 年），美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AIHAZ9-5:2003（2003）和SEFA-9。我國關(guān)于通風(fēng)柜的標(biāo)準(zhǔn)都是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：《排風(fēng)柜》JB/T6412-1999，《實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量排風(fēng)柜》JG/T222-2007，《無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜》（報(bào)審稿）JB/Txxxx-2011。

3 通風(fēng)柜的性能

   通常以3個參數(shù)衡量通風(fēng)柜的性能：捕捉效率、抑制效率和排除有害氣體的效率。

   良好的捕捉效率可以通過2個途徑來獲得，首先是保持通風(fēng)柜開口合理的面風(fēng)速，其次是合理布置通風(fēng)柜。

   合理的通風(fēng)柜柜體設(shè)計(jì)以及保持通風(fēng)柜開口合理的面風(fēng)速是獲得較高抑制效率的關(guān)鍵。

   排除有害氣體的效率則是通過室外排放口的高度和適當(dāng)風(fēng)速來達(dá)到。

3.1 設(shè)計(jì)原則

   通風(fēng)柜在工作場所的配置數(shù)量依實(shí)驗(yàn)研究類型而定，差別較大。一般在研究所和大學(xué)的配置是，化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室按每位研究者1 臺通風(fēng)柜，生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室 6~10 位研究者共用 1 臺通風(fēng)柜，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室可能整個部門設(shè)1 臺通風(fēng)柜。應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)室工藝要求，選擇通風(fēng)柜類型，確定通風(fēng)柜數(shù)量。綜合考慮各項(xiàng)因素，確定通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)形式，確定通風(fēng)機(jī)房和通風(fēng)豎井的位置。

   應(yīng)以安全、實(shí)用、有效、經(jīng)濟(jì)為原則，使有害氣體在盡快就近排走，不至污染環(huán)境和操作者，并使實(shí)驗(yàn)中的氣態(tài)污染物全部控制在通風(fēng)柜以內(nèi)。

   應(yīng)與工藝和建筑專業(yè)結(jié)合，合理確定通風(fēng)柜在實(shí)驗(yàn)室的位置。通風(fēng)柜應(yīng)設(shè)置在受氣流干擾少的地方，盡量遠(yuǎn)離門口、送風(fēng)口和人員頻繁往來的通道，避免無組織氣流對通風(fēng)柜排風(fēng)流場形成干擾；同時，也應(yīng)遠(yuǎn)離精密儀器，避免通風(fēng)柜排風(fēng)影響儀器操作。根據(jù) BS7258 標(biāo)準(zhǔn)，通風(fēng)柜平行于穿堂風(fēng)時，其前端距門邊應(yīng)保持 1m 的距離；通風(fēng)柜垂直于穿堂風(fēng)時，其近端距門邊應(yīng)保持1m的距離，相向布置的通風(fēng)柜之間應(yīng)保持 3m 的凈距。

   應(yīng)根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價報(bào)告書及其審批意見，以及污染氣體成分，確定需要采取的廢氣處理措施，選擇處理設(shè)備，并滿足排放口的設(shè)置要求。例如，法國標(biāo)準(zhǔn)XPX15-203要求排放口至少高出房頂 3 m；或者至少是建筑高度的 125%。我國《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：暖通空調(diào) ·動力 》規(guī)定：查措施。

   合理布置風(fēng)管，盡量縮短管道長度，減少風(fēng)管阻力，降低風(fēng)機(jī)功率和噪聲。由于實(shí)驗(yàn)時常常有水蒸汽或試劑蒸發(fā)到排風(fēng)中，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)冬季的排風(fēng)管中會出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，因此，水平排風(fēng)管宜設(shè)坡度 2‰ ~3‰ ，并盡量避免風(fēng)管上、下翻彎，以免冷凝液積聚；必要時應(yīng)在排風(fēng)管和排風(fēng)機(jī)最低點(diǎn)分別設(shè)置帶手動密閉閥的泄水管。

   合理選擇和布置排風(fēng)機(jī)。排風(fēng)機(jī)選擇和布置應(yīng)考慮以下因素：

  （1）首先排風(fēng)機(jī)材質(zhì)應(yīng)耐腐蝕，一般應(yīng)選擇離心風(fēng)機(jī)，使電動機(jī)置于排風(fēng)氣體以外。

  （2）考慮施工和今后實(shí)驗(yàn)室變化的可能性，風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓頭均要考慮一定的余量。

  （3）為減少噪聲和振動，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不應(yīng)高于 1450 r/min。

   合理確定風(fēng)機(jī)安裝位置，風(fēng)機(jī)位置應(yīng)考慮以下因素 ：

   ① 由于風(fēng)機(jī)的噪聲和振動，其安裝地點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離對噪聲和振動有限制的房間，并相對集中布置；便于安裝和維護(hù)。

   ② 風(fēng)機(jī)盡量布置在機(jī)房內(nèi)，尤其是在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，既便于隔聲減振，又可防凍。

   ③ 排風(fēng)機(jī)盡量布置在靠近排放口處，如頂層或屋頂，使室內(nèi)的排風(fēng)管道保持負(fù)壓，避免漏風(fēng)對風(fēng)管穿越的其它房間產(chǎn)生不利影響。

   ④ 確定通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的控制方式。空調(diào)房間應(yīng)考慮房間壓力控制，并與整個實(shí)驗(yàn)樓的樓宇控制系統(tǒng)相結(jié)合。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 面風(fēng)速的確定

   目前，我國沒有國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對于通風(fēng)柜面風(fēng)速做出明確規(guī)定，工程設(shè)計(jì)通常按照設(shè)計(jì)手冊的推薦值，或者甲方和工藝要求確定，見表1。

3.2.2 排風(fēng)系統(tǒng)形式

   通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)常見形式主要有以下幾種，見表2 。

3.2.3 補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)形式

   通風(fēng)柜補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)常見形式見表3。

3.2.4 控制系統(tǒng)形式

   通風(fēng)柜控制系統(tǒng)常見形式見表4。

3.2.5 廢氣處理

   通常理化實(shí)驗(yàn)會采用多種試劑，通風(fēng)柜的排風(fēng)中氣體成分復(fù)雜且多變，有害物濃度不高，一般能夠直接排放。只有在一些特殊情況下需要進(jìn)行排風(fēng)處理。

  （1）實(shí)驗(yàn)中大量使用高濃度強(qiáng)酸、強(qiáng)堿時，可以采用廢氣凈化塔，以酸堿中和的原理處理排風(fēng)。

  （2）實(shí)驗(yàn)中使用放射性核元素時，排風(fēng)應(yīng)經(jīng)過高效空氣過濾器處理后排放。

  （3）實(shí)驗(yàn)中使用氨或?qū)嶒?yàn)產(chǎn)物含有氨、惡臭或痕量致癌物時，排風(fēng)應(yīng)經(jīng)過活性炭過濾后排放。用于吸附氣態(tài)物質(zhì)時應(yīng)選擇粒狀活性炭，其四氯化碳的活性應(yīng)高于 60%。

  （4）通風(fēng)柜內(nèi)做標(biāo)記實(shí)驗(yàn)時，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)除碘過濾裝置。

  （5）通風(fēng)柜做含汞實(shí)驗(yàn)時，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)高錳酸鉀和次氯酸鈉溶液吸收裝置或載硫活性炭吸附后排放。

4 通風(fēng)柜應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 一對一系統(tǒng)

   某大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院總建筑面積27000 m²，設(shè)有102 臺通風(fēng)柜，所有通風(fēng)柜的排風(fēng)機(jī)均置于屋頂5 個風(fēng)機(jī)房內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)有新風(fēng)和全面排風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)柜排風(fēng)時采取自然補(bǔ)風(fēng)。

   某大學(xué)理科樓，總建筑面積 38000 m²。通風(fēng)柜共 47 臺，主要集中在 11 ― 14 層的化學(xué)、生物和環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，通風(fēng)柜排風(fēng)機(jī)均置于 15 層屋頂。這種一臺排風(fēng)機(jī)對應(yīng)一臺通風(fēng)柜的系統(tǒng)，使用靈活，互不干擾，得到實(shí)驗(yàn)人員的好評。這兩所大學(xué)，通風(fēng)柜在一天中的使用時間不長，因而實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)基本不受影響。如果通風(fēng)柜長時間集中使用時，實(shí)驗(yàn)室的舒適度可能會受到影響。

4.2 共用系統(tǒng)

   某大學(xué)化學(xué)學(xué)院的新樓總建筑面積 19700 m²。采用的是2~4 臺通風(fēng)柜共設(shè)1 臺排風(fēng)機(jī)的一對多系統(tǒng)。每間實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置是設(shè) 3 個通風(fēng)柜（1.8m 的 2 個，1.5 m 或 1.2 m 的 1 個），和 2 個房間排風(fēng)口（設(shè)于吊頂上），每個實(shí)驗(yàn)室配置1臺排風(fēng)機(jī)和 1 個變頻控制器。每個通風(fēng)柜都裝有位移傳感器，隨著玻璃柜門開啟（升降）幅度的變化自動調(diào)整系統(tǒng)的排風(fēng)量，以維持通風(fēng)柜正面的面風(fēng)速基本不變（風(fēng)速為 0.5 m/s±0.1 m/s）。當(dāng)所有通風(fēng)柜的玻璃柜門都關(guān)閉（降到底）時，吊頂上排風(fēng)口的電動風(fēng)閥隨即自動開啟，通過吊頂上的2 個排風(fēng)口進(jìn)行全面排風(fēng)。當(dāng)任一通風(fēng)柜的柜門開啟時，吊頂排風(fēng)口隨即關(guān)閉。

   每層設(shè)有新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)一部分送至走廊，一部分通過吊頂上送風(fēng)口送入實(shí)驗(yàn)室。新風(fēng)系統(tǒng)夏季送冷風(fēng)，過渡季可送自然風(fēng)，冬季不送風(fēng)。

   通風(fēng)柜與房間共用排風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

  （1）通過位移傳感器直接控制變頻器，風(fēng)管內(nèi)不裝傳感器，避免了傳感器被腐蝕和污染，在較低成本下實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量控制。

  （2）通過玻璃柜門的升降直接調(diào)整排風(fēng)量，控制簡單。

  （3）節(jié)能效果好，小風(fēng)量排風(fēng)時既可省電，又可減少冷、熱量損失。

  （4）低速排風(fēng)時，室內(nèi)外噪聲降低。

  （5）通風(fēng)柜柜門半開至全開時面風(fēng)速約為0.5 m/s，柜門開啟高度小于 300 mm 時面風(fēng)速約為1 m/ s ，風(fēng)速增大。面風(fēng)速不穩(wěn)定。

4.3 變風(fēng)量系統(tǒng)

   變風(fēng)量系統(tǒng)在外企研發(fā)實(shí)驗(yàn)室大量應(yīng)用，僅以國內(nèi)某生命科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)及辦公樓和某出入境檢疫檢驗(yàn)局大樓采用的是變風(fēng)量通風(fēng)柜控制系統(tǒng)。某生命科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)及辦公樓總建筑面積18000 m²。設(shè)有變風(fēng)量通風(fēng)柜的通風(fēng)系統(tǒng)8 個，每個系統(tǒng)并聯(lián) 6 臺通風(fēng)柜，送、排風(fēng)機(jī)均變頻控制，送、排風(fēng)之間設(shè)有空氣熱交換器，回收排風(fēng)能量 。

   某出入境檢疫檢驗(yàn)局大樓14―19層為實(shí)驗(yàn)室。全樓設(shè)有 36 臺通風(fēng)柜，排風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)走廊、房間和通風(fēng)柜的壓力梯度，采用變風(fēng)量閥和變頻器，控制通風(fēng)柜的排風(fēng)和補(bǔ)風(fēng)。同時，通風(fēng)柜排風(fēng)經(jīng)酸霧吸收塔凈化處理后排放。

   變風(fēng)量通風(fēng)柜系統(tǒng)的面風(fēng)速控制和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境舒適度較好，但如果按照每臺通風(fēng)柜面風(fēng)速進(jìn)行變頻控制，則出現(xiàn)風(fēng)閥頻繁動作、調(diào)節(jié)滯后、風(fēng)機(jī)振動和噪聲大等現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用時變頻器往往難以做到無級調(diào)節(jié)。

4.4 無管過濾系統(tǒng)

   當(dāng)實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大、實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度和頻度不高時，無管過濾型通風(fēng)柜以安裝簡便、使用靈活、安全節(jié)能的特性成為首選。由于無管過濾型通風(fēng)柜配裝了分子過濾器、排風(fēng)機(jī)和風(fēng)速儀，還可以選配亞高效過濾器或高效過濾器，只要排風(fēng)中的污染物能夠被過濾器吸收，出風(fēng)口污染物的濃度低于GBZ 2.1-2007、GBZ 2.2-2007 中的規(guī)定值（PC-TWA、PC-STEL、 PC-MAC 中的最嚴(yán)格值），過濾后的空氣不需排出室外而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再循環(huán)，運(yùn)行可以取得顯著的節(jié)能效果。同濟(jì)大學(xué)李強(qiáng)民等人曾經(jīng)以上海為例，計(jì)算一臺排風(fēng)量為2300 m³/h的無管過濾型通風(fēng)柜節(jié)約的能耗及費(fèi)用，共節(jié)省全年新風(fēng)耗冷量79207 kWh，全年新風(fēng)耗熱量 34106 kWh，能耗費(fèi)用 55170 元。

   這種無管過濾系統(tǒng)的凈氣型通風(fēng)柜已在中國科學(xué)院上海藥物研究所、北京獸藥監(jiān)察所，北京四環(huán)制藥廠等多家單位使用。

5 總結(jié)

   通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)的選擇受到諸多因素影響，應(yīng)用時需要根據(jù)具體情況分析后確定。只要系統(tǒng)合理，哪種系統(tǒng)都能夠取得令人滿意的使用效果。