浅谈化学合成实验室暖通设计

2013-08-04刘海华

化工与医药工程 2013年6期

刘海华

（江苏正大丰海制药有限公司，江苏盐城 224100）

1 概述

化学合成实验室是进行科学实验、科学研究至关重要的研究场所。在实验操作过程中会产生一些有毒、有害的气体、烟雾等，给实验室工作人员的健康造成一定的危害。因此，减少实验室工作人员暴露在危险环境下的可能就成为在设计中需要特别关注的方面，同时，在当前节能减排的大环境下，如何能进行“高效”的劳动保护变得愈发重要和迫切。

2 设计中主要考虑的因素

良好的设计不但能保证安全、舒适的工作环境，可以最大限度地保护实验室的工作人员免受有毒、有害物质的伤害，保证仪器设备处于良好的工作状态，而且在节约实验室的初投资，运行维护成本方面起到至关重要的作用。

为达到上述目的，实验室的负压控制、气流组织及送风方式、房间的换气次数、通风柜的同时使用系数、通风柜变风量控制、实验室的噪声及温、湿度控制等设计理念被引入和贯穿整个实验室的设计中，下面结合正大丰海制药有限公司南京研发中心化学合成实验室工程案例进行阐述。

案例概况：本项目位于江苏省南京市江苏生命科技园，实验室面积约2 000m2，实验室位于大楼的8 层（大楼共10 层）。实验室按照工艺要求设置有4个化学合成实验室，分别为化学合成室一、二、三、四。其中，化学合成室一面积118m2，实验室布置12 台1800 型通风柜；化学合成室二面积103m2，实验室布置11 台1800 型通风柜；化学合成室三面积103m2，实验室布置4 台1800 型通风柜，4 台3000型步入式通风柜；化学合成室四面积103m2，实验室布置10 台1800 型通风柜。化学合成实验室一、二共用一台离心排风机，化学合成室三、四共用一台离心排风机。受到实际条件的局限，实验室的两台排风机只能安装在同层设备间内，设备间做好隔声、减震措施。化学合成室一、二、三、四每间实验室各吊装一台组合式空调箱。下文围绕合成实验室一、二的设计进行阐述。

2.1 房间负压控制、气流组织和送风方式

实验室负压控制、气流组织和送风方式的设计是保证各功能间所产生的有毒有害气体不相互扩散的先决条件，是整个实验室的控制核心。必须建立稳定可靠的气流组织和保证实验室气流稳定的负压梯度，从而建立起安全、可靠、有效的防护屏障。在平面工艺布局设计上气流应从非实验区域进入实验区域，从低危险区域流向高危险区域，经过废气处理后排放至室外。

OSHA 美国职业安全与卫生条例管理局提出，在任何情况下气流均应从办公、管理用房、内走道进入实验区域，所有化学实验室所排出的气体均应直接高空排放，而不得循环使用[1]。

在设计上我们通常采用二级屏障来达到上述要求。一是在实验室内采用通风柜、原子吸收罩、万向抽气罩等局部排风设备作为一级防护屏障；二是化学实验室须保持相对于相邻区域的微负压，作为二级防护屏障。

有通风柜的房间送风口应该远离通风柜且宜采用相对较低的送风流速。原则上通风柜前的扰流风速不应超过通风柜面风速的一半，理想的流速应该低于通风柜设计面风速的30%[2]。

图1 为化学合成实验室布置示意图，实验室中间布置中央工作台，两侧布置通风柜。建筑开间较小，进深较大，化学合成实验室布置的通风柜数量多，实验室的新风补偿量大，如果按照传统设计，房间中间布置散流器或格栅送风口，不但会造成送风口的密集布置，而且会形成较高的送风流速，在此项目我们采用局部孔板送风方式，既能保证良好的视觉效果给实验室工作者带来愉悦的工作心情，又能保证良好的气流组织和送风流速。局部孔板送风采用带静压箱的多孔板结构这样做的目的可以大幅度地降低送风速度，并且使送风气流均匀布置在通风柜前，最大限度地降低了对通风柜的扰流，同时，通风柜尽量避免布置在门口或人员活动较为密集的区域，一定程度上减少人为活动对通风柜“控制能力”的影响。人为活动对通风柜控制能力的影响可以参考欧盟BS/EN14175-3 测试中Robustness test 稳健性测试[3]。

在对有有害气体扩散风险的化学合成实验室房间安装压差控制器，房间微负压传感器监测实验室与相邻房间（或走廊）间的压差，通过调节送入实验室的新风量的多少来达到实验室与相邻房间（或走廊）间的压差稳定。同时，当实验室的负压值超过设定值（高压或低压）时将进行声光报警，提醒实验室管理者，以便采取措施。

图1 化学合成实验室布置示意图

2.2 实验室换气次数

室内需要保证合理的持续的换气，以避免在操作期间内有毒有害化学物质在实验室内浓度增加，实验室内的整体换气次数应由下列因素综合决定：

（1）从局部排风设备（通风柜、万向罩、原子吸收罩等）排出的总风量以及维持实验室负压要求所需风量；

（2）带走实验室冷、热负荷所需的风量；

（3）最小换气次数的需求。

美国职业安全和健康委员会（OSHA）要求在通常情况下，实验室应保证6～12 次的换气次数[1]。但是当实验室有较大的排风要求（较多通风柜）或实验室内热负荷较高（如有较多分析设备）时，可能会要求更多的换气次数。在实际运用中我们应根据不同功能间的情况确定具体的换气次数，同时，考虑实验室无人时最小换气次数达到6 次/h[4]。

2.3 化学实验室的新风及送排风系统

实验室通风要求新风全部来自室外，然后100%排至室外[5]。实验室新风量考虑的原则：一是补偿实验室的排风（包括局部排风和冲淡有害物质的全面排风）；二是维持实验室微负压；三是保证每人不小于30CMH 卫生新风量。空调箱的风量控制采用VFD 变频控制，变频控制采用定静压控制方法，在新风空调箱送风主管道上设置管道静压传感器，变频器根据管道静压传感器的信号调节风机转速，维持管道静压，从而达到满足实际需要风量的目的。

例如：当实验室通风柜的视窗拉高，此时实验室的排风量增加，为维持稳定的实验室负压，实验室的送风量也随之增加，新风变风量蝶阀开度增大，新风管道内静压减小，管道静压传感器检测到静压的变化，通过变频器调节新风空调箱的新风机，增大风机转速，增大新风量，使管道内的静压值回归到初始状态的设定值。

常规的化学实验室有定风量、双稳态、变风量、自适应等控制方式。采用何种形式需从实验工艺和操作方式、实验室内危害物质危险程度、系统的安全可靠性，同时结合系统综合节能、初期投资费用、运行的经济性出发来综合考虑。

通常对于化学合成实验室由于排风柜数量多，对应的排风量和新风量大，所需冷、热负荷变化大，采用变风量系统较为经济；液相室布置众多万向抽气罩，按照不同的使用需求宜设置PLC多段速控制并连锁新风补风系统；化学品储存柜的排风宜设置独立的24 h 排风系统，并应配置风机失效报警等安全措施。在系统风机的选型上我们要依据不同功能间的所需风量和不同工艺需求，计算出各功能间所需送排风量的大小，合理配备风机。

为保持室内空气清洁，送风一般要求带初效过滤器的风机箱或新风空调箱（过滤效率为85%的空气过滤器），送风管道的材料宜采用热镀锌钢板制作。化学合成实验室排放的废气有无机酸性废气，有机废气和粉尘，排放特点为：（1）废气种类多；（2）浓度变化较大；（3）间歇性操作。对风管和风机的材质选择要合适，满足抗腐蚀和防火要求，此次我们排风管道采用的材料为PVC，风机采用的材料为玻璃钢，且排风机尽可能做到一用一备；排放的尾气应得到有效的处理，满足国家和地方环保法规要求；酸性废气常用的处理方法有碱液吸收法和吸附法，普通的碱液吸收法就其本身特点来讲已经不适合于处理合成实验（化验）室排放的酸性废气净化，因此，我们采用一种全新的干式废气吸附净化设备，它采用酸气吸附剂作吸附材料。

设备优点：

（1）可以同时净化多种混合酸气；

（2）净化效率高，满足严格的环保法规要求；

（3）运行稳定，免维护，吸附剂的更换方便；

（4）设备形式可设计性高，可适应不同场地需求；

（5）使用安全，无二次污染；

（6）不需要用水，无水循环系统，免维护，运行成本低。

另外需要说明的是排风口高度不低于屋面3m，排风口风速应大致保持在12m/s 以实现高空排放[6]。

2.4 通风柜的同时使用系数（参差性）

根据最简单定义,参差性设计即是系统容量设计值小于各峰值需求的总和。对于实验室来说，了解影响参差性的因数可以帮助设计者正确确定HVAC系统的容量，并且会使他们有信心按照预计的使用情况而不是按照可能使用情况的总和设计系统容量。

影响通风柜参差性的因素主要有：

（1）操作人员的存在：确定参差系数时，通风柜使用者的存在与否是重要因素。

（2）通风柜调节门管理：当使用者在通风柜前操作时，他们一般要将通风柜调节门打开。当他们离开通风柜时，他们也可能不会将调节门关上。调节门的关闭程度决定了设施内通风柜调节门的管理水平。

（3）通风柜的随机使用：在对众多案例的现场研究中发现，在一天中通风柜的使用随机性很强。这一点很重要，因为它意味着在一天中，大多数或者所有通风柜同时被占用的情况概率非常低。

（4）通风柜的数量：综合了解了实验室操作人员的存在情况、通风柜的随机使用情况以及系统中通风柜的数量，就可以应用如“可能性分布函数”统计工具。它可以帮助确定任何时间给定数量的通风柜前出现的操作者的数量。通过确定诸如通风柜调节门管理、实验室运行时间以及每个系统中通风柜的数量等因素，就可以得到系统相对准确的参差性系数[7]。

在HVAC 设计中应用参差性，新建实验室设施可以从中受益，设计过程中允许设施通过减小与之直接相关的通风柜排风机和实验室新风空调箱的容量来减小主要设备的造价。所以选择一个合理的同时使用概率是至关重要和必要的，如果通风柜同时使用概率选择太小会影响到正常实验室的运行给实验室操作者造成无形的伤害，如果使用概率过高，则会造成初投资设备成本的增加和运行维护成本的增加。

除了考虑实验室通风柜的参差性系数以外，我们还应该考虑到4 个合成实验室同时使用的概率，即系统的参差性系数。这个系数对于我们选择空调系统的主机容量至关重要。

综合考虑本企业的长期规划和实验室目前实际使用需求，我们将通风柜的同时使用概率确定在80%。4 间化学合成实验室的系统同时使用概率为60%。

2.5 通风柜变风量控制

通风柜是一个密闭的同时又能排风的工作空间，其设计目的是为了控制、稀释以及排除这个密闭空间内产生制造的烟气、气雾和微粒，同时，它也是实验室预防泄漏控制的重要组成部分[3]。

合适的面风速（即空气进入通风柜移门的速度）对于安全高效的通风柜操作时起到至关重要的作用。过高的面风速将会导致紊流从而减低其对有毒有害物质的控制能力，而同时过低的面风速也将影响到通风柜的性能。

下面引述了不同国家对于通风柜面风速的不同标准：

美国职业安全和健康委员会（OSHA）-Appendix A，section C.4(g) 0.3-0.5m/s

美国暖通工程师协会标准 ANSI/ASHRAE110-95 0.5m/s[8]

欧盟标准BS/EN14175 0.5m/s

中国机械行业标准JB/T6412-1999 04-0.5m/s（100fpm）[9]

通风柜平均面风速应当能够很好地抑制柜内产生的危害性化学气体以防其泄漏。合适的通风柜的面风速对于实验室安全是很重要的，但也不是唯一标准，我们应对各种因素进行综合考虑实验室内的操作者及其他设备物品的运动都会对通风柜的安全性能，产生明显影响。当面风速过低时，通风柜对柜内气流的抑制能力会大大降低，从而产生相应的风险，因此，我们建议面风速要大于0.3m/s。通风柜在面风速0.5m/s 时对其内部产生的有毒有害物质控制能力是最强的。

所以我们在实验室尤其是通风柜数量众多的化学合成实验室引入变风量通风柜是很有意义的。不但可以降低实验室操作人员暴露在有毒有害物质环境的可能性，而且在节能减排方面起到不可估量的作用。目前，通风柜变风量控制系统的形式多种多样，市场主流控制方式主要有：①面风速传感器+快速响应蝶阀型；②门高传感器+文丘里阀型。在此次项目中我们采用的是面风速传感器+快速响应蝶阀型的控制形式。

图2 合成实验室带控制点空气流程图

面风速传感器+快速响应蝶阀型控制系统采用“闭环”控制，面风速传感器安装在通风柜侧壁靠近操作窗位置，用以适时监测通风柜的面风速变化，与控制器“预设”的面风速值（通常为0.5m/s）进行“比较”，通过调节通风柜排风口安装的快速响应蝶阀的开度达到“预设”面风速值。

实验室通风柜面风速控制系统最突出特点就是系统必须具有“快速”响应和“快速”稳定的性能特征，迟缓（>3s）的响应速度则会导致有毒有害的物质泄漏。

通风柜面风速控制器的响应时间是关系到通风柜变风量控制系统安全性至关重要的因素。当通风柜调节门移动时，面风速控制器必须有足够快的响应速度以减小由于面风速变化而引起的通风柜Containment“控制能力”的降低。

我们选用面风速传感器配快速响应蝶阀型变风量控制系统，项目验收各项运行指标和性能均能通过测试，系统投入运行6 个月，运行良好，性能稳定。

2.6 室内噪声及温湿度控制

实验室内噪声主要来源于通风系统产生的噪声和仪器设备产生的噪声。因此控制通风系统引起的噪声是控制室内噪声的主要方面。在设计上首先要考虑的是在送排风管路加装阻抗复合式消声器，二是要保证风管内风速尽可能低，通常情况下干管风速7.5m/s～9m/s，支管风速2.5m/s～5.5m/s；但为使在通风柜正常使用期间，排风系统中的液体以及可凝结颗粒沉积最少，此时可适当提高管内风速；三是对矩形风管的弯管部分应尽量使用较大的曲率半径，常用的标准曲率半径为R=3/2b(b 为风管弯边的宽度)，当转弯半径R<3/2b 时，应设置导流叶片[10]。四是风机房采用低噪声风机和减振机座，必要时机房可采取吸声措施。

温湿度的控制不仅是满足人员的舒适度的要求而且也是为了满足仪器设备的工作环境需要。通常的设计原则是根据不同功能间或单元对温湿度以及换次次数的要求来确定设计参数，选择合适的组合式空调机组。组合式空调机组一般由进风段、初效过滤段、表冷段、加湿段、风机段组成；室内温湿度的控制采用DDC 数字控制系统，分别由温湿度传感器来检测进风温湿度，通过实际测量值与给定值进行比较实行PID 调节冷（热）水进水阀门开度大小及加湿器工作状态，通过调节进风温湿度而达到房间温湿度的控制目的[11]。具体控制原理及流程参见图2。