實驗室通風柜系統設計應用

1 通風柜的功能和應用場合

   通風柜最主要的功能是，將實驗操作時產生的各種有害氣體、水蒸汽、氣味、余熱等，控制在通風柜內并排至室外，達到為了保護使用者的安全，防止實驗中的污染物質向實驗室擴散的目的。通風柜在各種生化和理化實驗室中有著非常廣泛的應用，在保護實驗樣品的純度、保證實驗結果的準確、維護實驗室環境的清潔、改善勞動衛生條件和提高工作效率等方面，發揮著至關重要的作用。通風柜可用于理化實驗室和生物實驗室，也可以用于潔凈實驗室，但不適用于生物安全三級和四級實驗室。

2 國內外關于通風柜的標準

   國外關于通風柜的標準主要有：德國標準D IN 1 2 92 7 （1 99 0 年），法國標準 N FX 15 -2 11（1996 年），英國標準 BS7989:2001（2001 年），澳大利亞標準AS/NZS2243.9:2003（2003 年），美國標準ANSI/AIHAZ9-5:2003（2003）和SEFA-9。我國關于通風柜的標準都是行業標準，包括：《排風柜》JB/T6412-1999，《實驗室變風量排風柜》JG/T222-2007，《無風管自凈型排風柜》（報審稿）JB/Txxxx-2011。

3 通風柜的性能

   通常以3個參數衡量通風柜的性能：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，首先是保持通風柜開口合理的面風速，其次是合理布置通風柜。

   合理的通風柜柜體設計以及保持通風柜開口合理的面風速是獲得較高抑制效率的關鍵。

   排除有害氣體的效率則是通過室外排放口的高度和適當風速來達到。

3.1 設計原則

   通風柜在工作場所的配置數量依實驗研究類型而定，差別較大。一般在研究所和大學的配置是，化學研究實驗室按每位研究者1 臺通風柜，生物學研究實驗室 6~10 位研究者共用 1 臺通風柜，物理學實驗室可能整個部門設1 臺通風柜。應根據實驗性質和實驗室工藝要求，選擇通風柜類型，確定通風柜數量。綜合考慮各項因素，確定通風柜排風系統和補風系統形式，確定通風機房和通風豎井的位置。

   應以安全、實用、有效、經濟為原則，使有害氣體在盡快就近排走，不至污染環境和操作者，并使實驗中的氣態污染物全部控制在通風柜以內。

   應與工藝和建筑專業結合，合理確定通風柜在實驗室的位置。通風柜應設置在受氣流干擾少的地方，盡量遠離門口、送風口和人員頻繁往來的通道，避免無組織氣流對通風柜排風流場形成干擾；同時，也應遠離精密儀器，避免通風柜排風影響儀器操作。根據 BS7258 標準，通風柜平行于穿堂風時，其前端距門邊應保持 1m 的距離；通風柜垂直于穿堂風時，其近端距門邊應保持1m的距離，相向布置的通風柜之間應保持 3m 的凈距。

   應根據建設項目環境影響評價報告書及其審批意見，以及污染氣體成分，確定需要采取的廢氣處理措施，選擇處理設備，并滿足排放口的設置要求。例如，法國標準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計技術措施：暖通空調 ·動力 》規定：查措施。

   合理布置風管，盡量縮短管道長度，減少風管阻力，降低風機功率和噪聲。由于實驗時常常有水蒸汽或試劑蒸發到排風中，在嚴寒和寒冷地區冬季的排風管中會出現冷凝現象，因此，水平排風管宜設坡度 2‰ ~3‰ ，并盡量避免風管上、下翻彎，以免冷凝液積聚；必要時應在排風管和排風機最低點分別設置帶手動密閉閥的泄水管。

   合理選擇和布置排風機。排風機選擇和布置應考慮以下因素：

  （1）首先排風機材質應耐腐蝕，一般應選擇離心風機，使電動機置于排風氣體以外。

  （2）考慮施工和今后實驗室變化的可能性，風機風量和壓頭均要考慮一定的余量。

  （3）為減少噪聲和振動，風機的轉速不應高于 1450 r/min。

   合理確定風機安裝位置，風機位置應考慮以下因素 ：

   ① 由于風機的噪聲和振動，其安裝地點應盡量遠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。

   ② 風機盡量布置在機房內，尤其是在嚴寒和寒冷地區，既便于隔聲減振，又可防凍。

   ③ 排風機盡量布置在靠近排放口處，如頂層或屋頂，使室內的排風管道保持負壓，避免漏風對風管穿越的其它房間產生不利影響。

   ④ 確定通風柜排風系統和補風系統的控制方式。空調房間應考慮房間壓力控制，并與整個實驗樓的樓宇控制系統相結合。

3.2 系統設計

3.2.1 面風速的確定

   目前，我國沒有國家標準和規范對于通風柜面風速做出明確規定，工程設計通常按照設計手冊的推薦值，或者甲方和工藝要求確定，見表1。

3.2.2 排風系統形式

   通風柜排風系統常見形式主要有以下幾種，見表2 。

3.2.3 補風系統形式

   通風柜補風系統常見形式見表3。

3.2.4 控制系統形式

   通風柜控制系統常見形式見表4。

3.2.5 廢氣處理

   通常理化實驗會采用多種試劑，通風柜的排風中氣體成分復雜且多變，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行排風處理。

  （1）實驗中大量使用高濃度強酸、強堿時，可以采用廢氣凈化塔，以酸堿中和的原理處理排風。

  （2）實驗中使用放射性核元素時，排風應經過高效空氣過濾器處理后排放。

  （3）實驗中使用氨或實驗產物含有氨、惡臭或痕量致癌物時，排風應經過活性炭過濾后排放。用于吸附氣態物質時應選擇粒狀活性炭，其四氯化碳的活性應高于 60%。

  （4）通風柜內做標記實驗時，排風口應設除碘過濾裝置。

  （5）通風柜做含汞實驗時，排風口應設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 通風柜應用實例分析

4.1 一對一系統

   某大學生命科學學院總建筑面積27000 m²，設有102 臺通風柜，所有通風柜的排風機均置于屋頂5 個風機房內，實驗室設有新風和全面排風系統，通風柜排風時采取自然補風。

   某大學理科樓，總建筑面積 38000 m²。通風柜共 47 臺，主要集中在 11 ― 14 層的化學、生物和環境實驗室，通風柜排風機均置于 15 層屋頂。這種一臺排風機對應一臺通風柜的系統，使用靈活，互不干擾，得到實驗人員的好評。這兩所大學，通風柜在一天中的使用時間不長，因而實驗室的環境參數基本不受影響。如果通風柜長時間集中使用時，實驗室的舒適度可能會受到影響。

4.2 共用系統

   某大學化學學院的新樓總建筑面積 19700 m²。采用的是2~4 臺通風柜共設1 臺排風機的一對多系統。每間實驗室的標準配置是設 3 個通風柜（1.8m 的 2 個，1.5 m 或 1.2 m 的 1 個），和 2 個房間排風口（設于吊頂上），每個實驗室配置1臺排風機和 1 個變頻控制器。每個通風柜都裝有位移傳感器，隨著玻璃柜門開啟（升降）幅度的變化自動調整系統的排風量，以維持通風柜正面的面風速基本不變（風速為 0.5 m/s±0.1 m/s）。當所有通風柜的玻璃柜門都關閉（降到底）時，吊頂上排風口的電動風閥隨即自動開啟，通過吊頂上的2 個排風口進行全面排風。當任一通風柜的柜門開啟時，吊頂排風口隨即關閉。

   每層設有新風系統，新風一部分送至走廊，一部分通過吊頂上送風口送入實驗室。新風系統夏季送冷風，過渡季可送自然風，冬季不送風。

   通風柜與房間共用排風系統的特點是：

  （1）通過位移傳感器直接控制變頻器，風管內不裝傳感器，避免了傳感器被腐蝕和污染，在較低成本下實現變風量控制。

  （2）通過玻璃柜門的升降直接調整排風量，控制簡單。

  （3）節能效果好，小風量排風時既可省電，又可減少冷、熱量損失。

  （4）低速排風時，室內外噪聲降低。

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

4.3 變風量系統

   變風量系統在外企研發實驗室大量應用，僅以國內某生命科學研究所實驗及辦公樓和某出入境檢疫檢驗局大樓采用的是變風量通風柜控制系統。某生命科學研究所實驗及辦公樓總建筑面積18000 m²。設有變風量通風柜的通風系統8 個，每個系統并聯 6 臺通風柜，送、排風機均變頻控制，送、排風之間設有空氣熱交換器，回收排風能量 。

   某出入境檢疫檢驗局大樓14―19層為實驗室。全樓設有 36 臺通風柜，排風系統根據走廊、房間和通風柜的壓力梯度，采用變風量閥和變頻器，控制通風柜的排風和補風。同時，通風柜排風經酸霧吸收塔凈化處理后排放。

   變風量通風柜系統的面風速控制和實驗室環境舒適度較好，但如果按照每臺通風柜面風速進行變頻控制，則出現風閥頻繁動作、調節滯后、風機振動和噪聲大等現象，實際應用時變頻器往往難以做到無級調節。

4.4 無管過濾系統

   當實驗規模不大、實驗強度和頻度不高時，無管過濾型通風柜以安裝簡便、使用靈活、安全節能的特性成為首選。由于無管過濾型通風柜配裝了分子過濾器、排風機和風速儀，還可以選配亞高效過濾器或高效過濾器，只要排風中的污染物能夠被過濾器吸收，出風口污染物的濃度低于GBZ 2.1-2007、GBZ 2.2-2007 中的規定值（PC-TWA、PC-STEL、 PC-MAC 中的最嚴格值），過濾后的空氣不需排出室外而在實驗室內再循環，運行可以取得顯著的節能效果。同濟大學李強民等人曾經以上海為例，計算一臺排風量為2300 m³/h的無管過濾型通風柜節約的能耗及費用，共節省全年新風耗冷量79207 kWh，全年新風耗熱量 34106 kWh，能耗費用 55170 元。

   這種無管過濾系統的凈氣型通風柜已在中國科學院上海藥物研究所、北京獸藥監察所，北京四環制藥廠等多家單位使用。

5 總結

   通風柜排風系統的選擇受到諸多因素影響，應用時需要根據具體情況分析后確定。只要系統合理，哪種系統都能夠取得令人滿意的使用效果。