某研发大楼实验室通风空调设计

某研发大楼实验室通风空调设计

王锦秀

【摘 要】介绍了该研发大楼实验室设计参数和通风、空调、控制设计.详细介绍了实验室送排风设计、空调设计要求以及相关设备的选型,保证实验室气流排放合理无异味,新风具有稳定的温、湿度,为实验室工作人员提供一个健康、舒适的工作环境,为类似建筑的空调通风设计提供了参考.

【期刊名称】《制冷》

【年(卷),期】2017(036)002

【总页数】5页(P48-52)

【关键词】实验室;通风空调设计;压差控制;变风量控制

【作 者】王锦秀

【作者单位】上海瀚广实业有限公司,上海200030

【正文语种】中 文

【中图分类】TU831

随着现代技术的进步，我国对科研项目的重视和加大投入，一批研究院、科研院所的教学实验楼纷纷建成并投入使用，在这些实验楼尤其是化学、物理和生物类实验楼的设计中，根据实验室使用功能的不同，污染物散发的位置和浓度不同，应采用不同的通风方式[1-2]。为了给实验室操作人员提供一个健康、舒适和节能的环境，实验室暖通设计显得尤为重要，本文主要介绍劲牌研发大楼主要区域实验室送排风、空调设计以及相关设备的选型。 该研发大楼地处湖北省黄石市黄金山国家级开发园区内，大楼建筑层数：九层，建筑高度：46.75m，其占地面积：3237m2，总建筑面积：23317m2。其中二至七层定位为国家一流的、能同国际相接轨的实验室科研项目。大楼实验室每层根据实验工艺功能要求分为四个区域，每个区域的送、排风系统是独立的，该区域的送新风和通风柜、万向排气罩等排风均由九楼屋顶组合式空气处理机和排风机等设备来完成。一层有接待室、办公厅、展示中心等，八和九层分别为公司领导办公场所，本工程于2016年11月建成投入使用。

本工程所有通风柜排风采用变风量，实验室排风满足最小换气次数，排风机、新风机均采用变频控制，新风量跟随排风变化，满足房间微负压，保证实验室房间安全，夏季新风处理到室内焓值送入室内，冬季新风处理到室内等温状态送入室内，空调采用风机盘管加新风系统，风机盘管承担室内负荷。

通风柜排风量的计算[3]：

L=3600F×υ×β

式中：F —操作口面积，m2；

υ —操作口平均面风速，m/s；

β —安全系数，一般取1.05～1.1。

在本次设计中，根据国标，取平均面风速为0.5m/s，以1.5m通风柜为例，当开启高度为0.5m时，排风量为：

L=3600F×υ×β=3600×1.5×0.5×0.5×1.08=1458≈1500m3/h

本工程中，各设备的计算风量如下：

1.5m标准变风量通风柜排风量：300～1500m3/h

1.8m标准变风量通风柜排风量：400～1800m3/h

400×400不锈钢抽气罩排风量：400m3/h

万向抽气罩排风量：150m3/h 试剂柜排风量：100m3/h

2.1 室外设计参数

2.2 室内设计参数

该实验室项目通风系统设计考虑安全与节能统一，通风柜配置变风量调节阀，保持其入口平均面风速随着柜门开度的变化快速反应，大大降低整个系统的排风量。房间排风配合通风柜排风，保持房间相对走廊负压，排风机为变频风机，风量变化范围10%～100%，新风风机采用变频调节，在新风管上设变风量阀，同时设置房间风量控制器，风量控制器接收排风量信号，通过计算确定新风量，保证房间新风管恒定静压。

3.1 实验室风量计算

在本工程方案设计中，开放性实验室包含所有的主要排风设备，其通风设计、人员舒适性要求最具代表性。为保证实验室工作人员的健康及安全，房间换气次数设计为6～12次/小时，排风设备必须快速有效排出有毒气体和颗粒。

以开放性实验室为例，房间面积315m2，吊顶高度3m，房间换气次数按8次/h计算，3台1.5m标准通风柜，5台1.8m标准通风柜，16只万象抽气罩，8只400×400不锈钢抽气罩，8台试剂柜开发性实验室，实验人员密度大，考虑到通风换气效果，排风设备不考虑同时使用系数，按100%使用，房间计算风量如下：

房间换气的排风量：315×3×8=7560m3/h

实验室最小排风量：3×300+5×400+16×150+8×400+8×100=9300m3/h

实验室最大排风量：3×1500+5×1800+16×150+8×400+8×100=19900m3/h

由于实验室设备最小排风量大于满足房间换气的排风量，故不需要设置辅助排风口，整个实验室有8台变风量排风设备，故此系统为变风量送风系统，送风量根据室内总排风量确定，为维持室内负压，需计算余风量，余风量按排风量的10%计算补新风并据此进行设备选型，现场根据调试情况适当增减，负余风量表示排风量高于送风量，余风量从房间各种缝隙渗入。

实验室最小新风量：9300×0.9=8370m3/h

实验室最大新风量：19900×0.9=17910m3/h

3.2 实验室房间压差控制

每套通风柜配置一套变风量控制，包括1只变风量排风阀、1只满足使用要求的液晶显示面板、1只面风速传感器、1只位移传感器。首先通过位移传感器检测排风柜调节窗开度变化，控制通风柜排风量，保持通风柜风速设定值，当调节门位置不变后，面风速传感器实测通风柜的面风速，当通风柜门关闭后，变风量排风阀要维持通风柜的最小排风量，满足实际要求。并且为排气罩、万向抽气罩等设备提供定风量排风，选用防腐压力无关型定风量阀门并进行防腐喷涂。保证房间气流流向和压力的正确流向，根据需要配置房间操作面板，便于操作，并对压力无关型送排风变风量风阀进行相应的设备选型。

为了控制房间微负压，每个变风量房间配置一只房间风量控制器，风量控制器接收各个排风设备的信号，实时计算房间内所有通风柜及排气罩排风量总和，然后将信号传递给新风变风量阀，通过控制新风变风量阀的开度，调节房间补入新风量，以保证房间渗透风量恒定，保证房间微负压，整个房间的系统流程图如图1所示，定风量排风恒定，控制器通过接收排风变风量阀的信号，调整新风阀开度，进而调整房间新风量，满足房间负压要求。

3.3 排风设备选型

排风机选用满足最大排风量的变频风机，一用一备，并考虑一定的余量，采用定静压控制方法，根据风机功率特性，当风量增大或减小时，风机管道静压相应减小或增大，因此在风机排风主管道上设置管道静压传感器，通过控制器和变频器调节风机转速，维持管道静压，从而调节系统在原静压状态运行，当系统风量减少时同时可达到变频节能目的。 从实验室排出的空气在排入大气前要做净化处理，对于较大排风量的常规实验室，设计选用了干式化学过滤器，根据排风量，对干式化学过滤器设备进行选型，通过处理后，保证排放的空气满足环保测评要求。

对于组合式空气处理机组设备，根据室内外计算参数，及相应的新风量算出所需的新风冷热负荷，然后进行设备选型，由于新风跟随排风变化，为变风量，故新风机也相应的变频，通过定静压变频的方式，变频器接收控制器的信号，进而改变风机的频率，使总风量增大或减少，大大的节省能耗。

3.4 实验室空调设计

实验室空调通风系统应充分满足实验室温湿度、洁净度、噪声等要求，并能有效地排除实验过程中所产生的对健康有危害的污染物质[5-6]。只有在充分考虑空调系统和送排风系统的优化设计的基础上，才能保证实验人员身心健康，创造安全舒适的实验环境。

本次方案设计实验室空调采用风机盘管加新风系统，新风直接送入室内，主要用于向实验室内补新风，对抗由于实验室的大量排风产生的负压，保证实验室的排风设备工作正常并维持室内呈微负压状态；空调采用独立的空调系统，为四面出风嵌入式风机盘管，根据房间负荷的计算，考虑围护结构的类型、房间面积以及室内设备散发热量，根据ASHARE手册，按照180W/m2的指标，计算选出相应的风机盘管型号[7]。

根据开放性实验室面积，计算得到房间冷负荷为315×0.18=56.7kW，根据选型样册，选用8台FP-136型号风机盘管，单台制冷量为7.2kW，制热量为10.8kW。留有一定的余量，为今后再增加设备仪器所散发的热负荷提供足够的冷量，而不需要对已有空调做重大调整。风机盘管根据房间布局均衡布置，回水管上均设有电动两通阀，同时配套提供液晶控制面板，控制面板安装在便于操作、能反映控制区温度的位置。空调冷热水管、风机盘管凝结水管和空调冷冻水管考虑相应的保温。 根据所有实验室空气处理机组、办公区空气处理机组及所有风机盘管的冷量之和，考虑设备同时使用系数70%，选择满足冷量的合适的冷水机组，冷水机组置于制冷站间，机组夏季供回水温度为7℃/12℃，冬季供回水温度为40℃/45℃，冷却塔置于屋顶，水泵及分集水器等设备安装于制冷站间，各末端设备在各个楼层，整个空调系统的流程图见图2。

空调主机为室内风机盘管及空气处理机提供冷热源，并且设备置于大楼附近的制冷站间，节省了大量空间。

3.5 能耗分析

整栋研发大楼1.5m标准变风量通风柜共80台，1.8m标准变风量通风柜共121台，280只万向抽气罩，45只400×400不锈钢抽气罩，22台试剂柜。

3.5.1 变风量系统

对于变风量系统由于各个系统的相对分离使用[8-9]，可考虑通风柜峰值同时使用系数0.7，不仅可减少风机设备投入，亦可节省风管及结构上的空间要求。

Vmax=(1500×80+1800×121)×0.7+(300×80+400×121)×0.3+150×280+400×45+100×22=320380m3/h

Vmin=300×80+400×121+150×280+400×45+100×22=134600m3/h

房间送风量按排风量的90%计算：

V送max=320380×0.9=288342m3/h

V送min=124600×0.9=112140m3/h

3.5.2 定风量系统：

V排=1500×80+1800×121+150×280+400×45+100×22=400000m3/h

V送=400000×0.9=360000m3/h

3.5.3 排风能耗

采用变风量系统风机可根据峰值使用情况选择，相对定风量系统，风机功率将有所下降，此部分能耗节省相对空调系统能耗相比可以忽略不计。

3.5.4 新风能耗

变风量系统可根据使用情况将不操作的通风柜调节窗拉下，以最小风量运行，原则上实验室操作人员在无通风柜操作时均可将通风柜调节窗拉下，平均任意时刻有40%通风柜处于有人操作状态，因此运行时平均送排风量如下

V排平均=(1500×80+1800×121)×0.4+(300×80+400×121)×0.6+150×280+400×45+100×22=240760m3/h

V送平均=240760×0.9=216684m3/h

节能比例=216684/360000×100%=60.2%

因此采用变风量系统能耗估计为定风量系统的60.2%，如规范实验室操作，变风量系统的节能空间将高于该计算估值。

该工程于2016年11月建成并投入使用，经检测，通风系统的风量、通风柜面风速、房间压差、室内温湿度等参数均符合设计参数值，达到了当初预期的节能、工作环境安全的目标，使用单位对该设计比较满意。

综合以上，实验室的通风设计首先应确保实验室内部的通风系统能将实验过程中产生的有害气体有效的排出，系统设计应根据实验室使用功能的不同、污染物散发的位置和浓度不同，合理的采用不同的通风方式，变风量系统相对定风量系统可以大大的节省能耗，系统不仅具有可观的投资回报收益，同时对确保实验室安全具有重大作用，在设计时要注意降低系统噪声，提高系统的稳定性，保证较低的系统投入和能源消耗，提高运行效果。