化学实验室通风设计相关问题分析

实验室设计与建设 2018-02-09 06:35:55

    随着我国对教育和科研项目的重视和加大投入,一批高校、科研院所的教学实验楼纷纷建成并投入使用,在这些实验楼特别是化学和生物类实验楼的设计中,为了给师生和科研人员提供一个健康、舒适和节能的环境,通风空调的设计显得尤为重要。关于教学科研类实验室的设计,目前只能参照我国1993开始执行的建筑行业规范《科学实验建筑设计规范》。此规范中对于实验室通风空调设计的一些重要指标,比如换气次数、噪声指标等均未作出明确规定。本文将主要针对化学类实验室,分析和讨论通风空调设计中所涉及到的一些问题。

1相关问题分析

1.1通风系统型式的选择

    实验楼通风空调系统有图1中的几种类型,采用哪种类型,应根据业主的要求、项目所在地的气象条件、实验楼的档次和使用情况、投资预算等因素决定。对于一般中学或大学的教学类化学实验楼,如果业主对温度指标没有具体要求,可只设置通风系统,不需设置空调系统;对于科研类的实验楼,由于科研人员可能长时间在实验室中工作,应采用通风+空调系统。当实验室设有空调系统时,其通风系统应该做成变风量系统,有利于节能。关于变风量空调系统在实验室通风系统的应用,可参见文献[1]中的论述。

    通风系统是采用自然进风还是机械送风,文献[2]中指出,对于工作时间连续使用排风系统的实验室应设置送风系统,间歇使用且排风换气次数大于2次/h的应设置有组织的自然进风。对于工作时间是否连续使用,这在实际工程中很难判定,学校规模和实验课程设置的不同使得排风系统可能在一年中的某一段时间内工作时间连续使用,其余时间可能是间歇运行。

    即使是科研类型的实验室,排风系统的使用也没有一定的规律性[1]。设置机械送风系统会增加工程造价,并且有时当实验室内设有几套排风系统时,根本没有建筑空间来设置机械送风系统。笔者建议,规范中应该采用一年中排风系统连续使用时间占整个工作时间的百分数的大小来决定是否设机械送风系统。


    化学实验室内一般都设有通风柜,用来做一些危害性比较大的实验(包括散发有害的有机和无机气体的实验[3]),所以敞开的实验台上是否还要设局部排风系统,应根据具体情况而定,对于经常做大量(比如同时上课的学生较多,通风柜的数量满足不了学生同时进行实验)散发危害性气体实验的实验台,可以设置局部排风系统,如果是偶尔做危害性较大的实验,那么可以在通风柜中操作这些实验,这样就可省去实验台上的局部排风系统。若实验台上未设置局部排风系统,则实验室应该设置全面排风系统或者吊扇进行通风换气,二者没必要同时设置。

    局部排风系统有两种类型,第一种是上排风,既在实验台上设置局部排风罩(如图2所示);第二种是下排风,即排风管从下一层吊顶穿过楼板,接实验台上的“万向”排风罩(如图3所示)。上排风系统的排风罩要覆盖整个实验台面,下排风系统中的小排风罩只需覆盖实验台上做实验处的小局部空间,所以上排风系统的风量要大于下排风系统的风量,而且如果在下排风系统上接排风罩处的支管上设置调节阀,则可根据实验台上此处是否需要做实验决定是否开启此处的排风罩,这样可以做成变风量系统,以节能。从这一点上讲,笔者认为下排风系统要优于上排风系统。

    另外,如果排除潮湿气体时,上排风系统的排风罩的裙边内应设置檐沟[4];对于下排风系统,则应考虑在系统的最低处设置排液管,或在风管的最低处设排液口,以便定期清理。

    总之,对于实验室的通风空调系统究竟应该采用什么型式,应该根据具体情况作技术经济比较,进行合理设计,在满足使用功能的前提下最大程度的实现节能运行。


1.2换气次数指标的确定

    对于化学实验室换气次数的取值,众说纷纭,目前还没有一个统一的标准。文献[4]中指出,学校的化学实验室的排风换气次数为3次/h。也有文献指出,化学实验室换气要求每小时大于10次,物理实验室每小时大于10次,实验室无人时换气可减少为6次。由文献[5]可知,美国的实验室通风设计标准中也没有制定具体的实验室通风换气次数指标,因为他们认为这样一个指标不适合作为污染物控制指标。

    某实验楼的设计中采用了如表1中所示的换气次数指标,此指标是经过一些专家的调查研究得出的结论。但在实际工程中,轻度、中度和重度的标准很难分别,即使是咨询甲方的化学老师也很难讲得清楚。


    化学实验室内一般都设有通风柜,用来做一些危害性比较大的实验(包括散发有害的有机和无机气体的实验[3]),所以敞开的实验台上是否还要设局部排风系统,应根据具体情况而定,对于经常做大量(比如同时上课的学生较多,通风柜的数量满足不了学生同时进行实验)散发危害性气体实验的实验台,可以设置局部排风系统,如果是偶尔做危害性较大的实验,那么可以在通风柜中操作这些实验,这样就可省去实验台上的局部排风系统。若实验台上未设置局部排风系统,则实验室应该设置全面排风系统或者吊扇进行通风换气,二者没必要同时设置。

    局部排风系统有两种类型,第一种是上排风,既在实验台上设置局部排风罩(如图2所示);第二种是下排风,即排风管从下一层吊顶穿过楼板,接实验台上的“万向”排风罩(如图3所示)。上排风系统的排风罩要覆盖整个实验台面,下排风系统中的小排风罩只需覆盖实验台上做实验处的小局部空间,所以上排风系统的风量要大于下排风系统的风量,而且如果在下排风系统上接排风罩处的支管上设置调节阀,则可根据实验台上此处是否需要做实验决定是否开启此处的排风罩,这样可以做成变风量系统,以节能。从这一点上讲,笔者认为下排风系统要优于上排风系统。

    另外,如果排除潮湿气体时,上排风系统的排风罩的裙边内应设置檐沟[4];对于下排风系统,则应考虑在系统的最低处设置排液管,或在风管的最低处设排液口,以便定期清理。

    总之,对于实验室的通风空调系统究竟应该采用什么型式,应该根据具体情况作技术经济比较,进行合理设计,在满足使用功能的前提下最大程度的实现节能运行。

    对于化学实验室的通风换气次数指标,笔者认为还是应该制定相应的标准,否则在实际工程设计中很难进行操作。另外,通风换气次数的定义在规范中也应该明确,严格地讲应该是排风换气次数,在计算时是否应该包括所有的排风系统(包括全面排风、通风柜排风和局部排风)在内,这是值得商榷的问题。文献[6]中指出,当某一实验室有很多通风柜时,如果按通风柜全开的情况计算,房间的通风换气次数会很大,甚至达到了75次/h。如果按通风柜的排风换气次数计算,可能已经达到了指标,不需要另设别的排风系统,但是通风柜一般都是沿墙摆放,这种通风方式的气流组织可能达不到全室换气的要求,会出现“通风死角”,造成室内气味不能完全排除。所以目前换气次数本身的计算也是一个很模糊的概念,需要出台规范确定其计算方法,针对不同类型的化学实验室,比如中学和大学,教学和科研,企业和学校,应根据具体情况,经过实际调查研究制定出通风换气次数的指标范围。

1.3系统划分原则

    关于实验室通风系统的划分原则,规范[2]中第6.3.2条指出,每个排风装置宜设独立的排风系统,同一个实验室内的所有排风装置宜合用一个排风系统。关于此条的系统划分原则,有以下几点疑义:

1)同一个实验室内的几个排风装置(比如通风柜、排风罩、全面通风风口)能否合用一个排风系统?通风柜一般排除的是毒性比较大的气体,若与其他系统合用,可能会发生“串气”,所以通风柜的排风应该设独立的系统。

2)不同的实验室间的同类型的排风系统能否合用?比如不同的房间的通风柜排风系统,如果都单独设置排风竖井,可能占用的建筑空间会很多,如果合用,不同的房间所排除的气体种类可能不同,是否会产生化学物理反应,造成危险。因此,哪些实验室的排风系统可以合用,需要进一步的鉴定。在实际工程中,如果每个房间都是单独的系统,确实会造成建筑空间的浪费,有时甚至根本就无法设置。

    化学实验楼的通风系统一般都比较多,风管尺寸比较大、风机数量比较多,设置起来比较困难,所以在不会发生腐蚀、爆炸等危险的情况下,应该尽量合用系统。不同的房间合用系统,可采用变频风机,即可节省投资,又可实现节能运行。

1.4补风是否需要处理

    文献[2]指出,设置有机械送风的补风系统,对于采暖地区,冬季应进行加热处理[2]。但是对于夏热冬冷地区,当冬季气温较低时,不经处理的大量室外空气的引入,可能会造成室温较低,对于此种情况,应进行热量平衡计算,如果室温过低,则应进行适当的加热处理。

    对于采用自然进风的系统,补风就无法进行直接处理。如果室内设有采暖或空调系统,则在进行设计时,应考虑平衡排风所带走的能量,空调和采暖系统容量可适当放大。但是如果室内没有设置采暖或空调系统,则在室外气温极端低的情况下,不能够保证室温。

1.5排风净化问题

    当排风系统排出的有害物浓度超过有关标准规范规定的排放标准时,应采取净化措施[2]。对于生产型企业的尾气排放是否超标容易鉴定,但是对于学校的实验室的排风污染物浓度是否超标,则需经过实际调查测试才能确定,目前笔者还没有查到相关的数据。对于一般的学校,化学实验室的排风可能在某一段时间会超标,此种情况可以通过保证一定的排放高度和排放速度(文献[1]中提出15m/s的排放速度)来使得排出的空气能够迅速地扩散,从而可以不对排风进行净化处理,以节省成本。对于科研用的一些化学实验室,使用频率可能较高,排风的危害程度也较大,这类型的排风系统应该设置净化处理装置。1.6噪声问题

    对于教学实验室的噪声问题,也是应该引起重视的,如果室内噪声过大会影响正常的教学。文献[7]中指出,学校一般教室的室内允许噪声为≤50dB(A)。同济大学的王季卿教授等人通过大量的调研及心理学实验测试,确定学校教室内允许噪声在50~55dB(A)之间[9]。对于化学实验室,

一般排风量比较大,限于建筑空间,风管内风速可能会取得较大,但一般不应大于8m/s,否则气流喘流噪声会较高。

    文献[8]指出,气流喘流噪声的频率为中高频,噪声源主要分布在贴近管壁表面附近区域内,噪声强度大致按气流速度6次方的规律变化[9]。另外,实验室内一般没有吊顶,通风管道也没有保温,使得噪声的衰减量较小,而且风速过大,消声器会失去作用,使得实验室内噪声超标,不能够正常使用。

    因此,在设计中要合理选择风管流速,主管流速不应大于8m/s,并且要准确计算风管阻力,否则风机压头选择过大会导致风管内实际流速偏高,产生“呼啸”噪声。

1.7通风系统材料选择

    化学实验室的排风具有一定的腐蚀性,所以通风系统各部件采用的材料应具有防腐性,或进行防腐蚀处理。

    风管材料一般应该选用防腐材料制作,比如无机玻璃钢、硬聚氯乙烯等。

    风机的防腐可选用玻璃钢风机,或是普通材料的风机内喷涂环氧树脂。目前的玻璃钢风机一般都是离心式风机,柜式、混流和轴流式风机还不能采用玻璃钢制作。但是离心风机一般占用空间较大,其噪声也不如柜式风机噪声低,因此,可以根据不同实验室排出的气体的腐蚀程度,确定选用什么风机形式。一般可以采用以下原则:

1)通风柜排风系统:其排风机一般应选择玻璃钢离心风机。

2)其他排风系统:排出腐蚀性较强气体的风机,一般应选择玻璃钢离心风机;    排出腐蚀性较弱气体的风机,或虽然腐蚀性较强但使用时间较短的风机,可以采用喷涂环氧树脂的柜式离心风机,这样其占用的建筑空间和运行噪声都可得到一定的控制。另外,消声器、阀门、风管支吊架等附件都应该作防腐蚀处理。

1.8防火阀设置

    对于实验台的下排风系统,从下一层吊顶内穿楼板上来的排风支立管会非常多,那么这些支立管上是否都要设置防火阀呢?多层建筑的实验楼可参见《建筑设计防火规范》,其中第9.3.10条规定:送、回风总管穿过机房的隔墙和楼板处应设置防火阀。此处只讲送回风总管上需要设置,那么是否意味着这些支立管上可以不设呢?这一点需要规范进一步明确。

    如果是高层实验楼,可参见《高层民用建筑设计防火规范》,此规范中未明确指出是总管还是支管,可以理解为所有穿越楼板的风管上都需要设置防火阀,这样防火阀的数量会很多,增加了成本。笔者认为,在实际工程设计中,可在与垂直立管连接的水平总管上设置防火阀,每个支立管采用耐火极限1小时以上的防火风管制作,可以省去大量的防火阀,节约成本。

2结论

    通过对化学实验室通风空调设计中所涉及到的通风空调系统型式、换气次数指标、系统划分原则、补风处理、排风净化、噪声、材料选择和防火阀的设置等问题的分析可以看出,我国需要尽快出台相关的设计规范,明确实验室设计中的相关参数和指标,以便在实际项目设计中能够具体操作。