潘振眉

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

1 工程概况

该工程为某学院机电实训大楼和资化实训大楼，总建筑面积为31 130.1m2,地上建筑面积为26 977.7m2，地下建筑面积为4152.4m2。建筑高度23.95m。地下共一层设有设备用房，停车库。地上由南北两栋楼组成各6层。南楼为机电实训大楼，北楼为资化实训大楼。

本文重点研究的对象为资化实训大楼中实验室通风系统。资化实训大楼内设有矿加工实验室、污水工艺实验室、高分子加工实验室、资环开发实验室、化工(环境工程)原理实验室、物化实验室、预备室、无机实验室、生物质能实验室、资源循环实验室、发酵工程实验室等各种化学和生物实验室，如图1所示。

图1 电实训大楼和资化实训大楼鸟瞰图

2 实验室通风设计方案

2.1 实验室通风系统简介

资化楼实验室作为该学院学生和教师进行化学、生物等实验的场所，本设计需确保在实验室内的教师和学生的健康安全以及保证实验顺利进行，防止实验中的污染物和有毒物质向实验室扩散，其中安全有效的实验室通风系统效起了至关重要的作用。

由于资化楼内涉及各种生化类实验，使得大楼产生废气的种类众多，成分复杂。经过与该学院专业老师沟通后，了解到在教学的实验过程，实验室废气产物主要分为无机物废气、有机物废气。根据文献[1]高校实验室主要无机物废气为氯化氢、溴化氢、硝酸、硝酸、硫酸、汞蒸气等；主要的有机物废气为二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、丙酮、甲醇、丙烯酸等挥发性有机物(VOCS)。由于各个实验的使用时间不固定，实验室的废气排放具有不稳定性，且产生点源分散的特点，所以设计需根据功能和使用频率合理划分实验室通风系统，最终实验室的排风方案定为纵向系统，需确保排放到同一竖井的各层实验室有害气体应保证不发生化学反应，不燃烧、不爆炸、不结聚成块或形成毒性更大的有害物质，对实验楼的通风设计提出了高要求。该工程有42间实验室设有工艺通风系统，根据以上要求设置了26套通风系统。通风主管从竖井直上屋面，风机及废气处理设备均安装在屋面。

2.2 实验室通风系统风量计算与设备选型

该大楼实验室废气，主要采用固通风柜和集气罩进行负压收集。通风柜是实验室中重要的设备，能为实验人员提供一个安全的操作空间，高效地将烟雾及其他废气排放出去。通风柜由外壳、内衬、台面、视窗、水槽、水龙头、日光灯、插座、开关等组成。通风柜的类型，主要有普通型通风柜、补风型通风柜、落地型通风柜、桌上型通风柜。通风柜排风量与柜面气流的平均风速(简称面风速)有直接关系，并且系统设计的出发点就是为了确保稳定的面风速[2]。根据《科学实验室建筑设计规范》表6.3.3要求，对于不同的化学物品和实验状态，一般推荐面风速的范围为:0.3～0.6m/s。

通风柜的排风量按下式计算：

L=3600×FVμ

L——排风柜的通风量m3/h；

F——操作面的操作面积；

V——操作面的平均速度，取0.3～0.5m/s；

μ——安全系数，一般取1.1～1.2。

集气罩主要形式有万向排风罩和原子罩。万向罩由杯型集气罩、关节密封圈、伸缩导管、关节松劲旋钮组成。万向罩的伸缩导管采用φ110mmPVC材料，固定架结合处独有可360°旋转装置，以固定架为中心，活动半径可1600mm，近集气罩端有封门钮，供气流调节之用。原子吸收罩由可伸缩不锈钢集气罩、带手动调节不锈钢导风管等组成，不锈钢导风管采用1.0mm不锈钢制作，风管直径为DN200mm，在导风管上配有手动调节阀，开启度可以0到1800，可任意调节风量。不锈钢集气罩采用1.0mm316不锈钢板制作，根据实验需要，抽气罩可以上下伸缩150mm，以方便实验操作。原子罩功率较大，万向排气罩功率较小，原子罩的功率比较大，通常要用不锈钢材料，排风量原子罩的大。集气罩排风量根据罩口风速来确定，罩口风速一般取值：1～2m/s[1]。

集气罩的排风量按下式计算：

L=π×R2×V×3600×μ

L——集气罩的通风量 m3/h；

R——罩口半径；

V——罩口风速；

μ——安全系数，1.1～1.2。

各个实验室通风柜的个数和通风柜、集气罩的形式由资化专业老师确定。经计算本次设计的各个实验室的通风柜主要型号有1500型通风柜和1800型通风柜两个型号。其中资环开发实验室、无机实验室、物化实验室、有机实验室、分析实验室、高分子物理室以上实验设有万向罩，万向罩设计风量为250m3/h。另外4层的ICP、ICP-MS、AAS仪器台设有原子罩，原子罩设计风量600m3/h。

对于单间实验室内设有较多的集气罩和通风柜时(图2～图3)，需要考虑设置补风系统。考虑通风柜使用频率，本次设计实验中超过3个通风柜考虑设置补风系统，补风系数约为50～70%(让室内保持一定的负压)，补风为冷热源新风。补风机安装在走道的尽头，做隔音处理。其他通风柜排风量较小的实验室依靠门、窗渗透补风，同时实验室内的空调冷负荷需考虑这部的新风渗透负荷，如图4所示。

图2 设有万向罩的实验室排风示意图

图3 设有原子罩的实验室排风示意图

图4 设有通风柜实验室排风示意图

2.3 通风系统的形式及通风系统自动控制

若每个实验室设置一个单独排风机，排风机数量多，垂直管道过多影响建筑功能与外观，而且风机总体效率低，数量众多的风机也使得日后维护加大成本。本次设计在保证不发生化学反应，不燃烧、不爆炸、不结聚成块或形成毒性更大的危险物质情况下，尽量合用实验的通风系统，并且采用变风量系统，从实验室废气通过主排风管经竖井直上屋面，风机及废气处理设备均安装在屋面，风机选用玻璃钢变频离心风机(耐腐蚀)。

为了保证实验室通风系统变风量运行，每个通风柜设有风速传感器，当区域存在传感器检测到有人工作时，通风柜门上升到工作高度，通风面积逐渐变大，面风速逐渐减少，控制器输出信号到VAV风阀(变风量阀)，使风阀慢慢开大，增大排风量，直至面风速达到0.5m/s。当区域存在传感器检测到没人工作时，通风柜门下降到安全高度，通风面积逐渐变小，面风速逐渐增大，控制器输出信号到VAV风阀(变风量阀)，使风阀慢慢关小，减少排风量，直至面风速达到0.3m/s，如图5所示。同时，屋面排风机变频控制采用定静压控制方法，在排风机排风主管道上设置管道静压传感器，变频器调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：当通风柜的视窗拉高,通风柜排风阀开度加大，此时排风机管道内静压减少，管道静压传感器监测到压力变化，通过变频器调节风机，增大风机转速，增大排风量,使管道内的静压值回归到初始状态的设定值，如图6所示。

图5 通风柜控制原理图

图6 屋面排风变频控制原理图

2.4 有特殊要求的实验室通风空调

资化楼五层综合实验室的缓冲、更衣室、接种室设置净化空调，组织培养实验室设置恒温恒湿空调系统。室内参数如表1所示。

表1 室内设计参数

五层综合实验室采用全新风系统，设有两台风冷直膨式空调机组，综合实验室的缓冲、更衣室、接种室、组织培养实验室采用高效过滤器顶送风。同时有机械排风系统，在各功能间低处设置排风口，因排风具有污染性，排风口带高效过滤器。

3 实验室废气排放处理

该工程实验室众多实验过程中会产生很多废气，根据文献[1]实验室废气主要污染物为无机污染物和挥发性有机物。若将不经处理的废气就排放至大气中，会造成一定程度的环境污染。因此，实验室的排风要采取净化措施，以保障实验室废气经处理后高空排放，满足《大气污染物综合排放标准》(GB16297-2004)排放要求。由于无机物水溶性通常较好,针对无机污染物的治理工艺主要采用湿法废气处理,利用水喷淋塔进行废气处理，而挥发性有机物的理化性质差别悬殊,毒理性质、治理效果各有不同，因而治理工艺多样化。目前广泛应用的技术有冷凝法、吸收法、光催化、吸附法、燃烧法等。由文献[1]可知吸附法适用于大多数有机物的吸附，且具有较好的普适性，并适用于处理低浓度、间歇性排放的有机废气[1]。本次设计采用活性碳吸附法进行挥发性有机物废气处理。活性碳吸附采用笼型结构，该结构活性碳纤维用量少，处理风量大且吸附率可达95%以上。湿法废气处理主要采用玻璃钢酸雾净化塔，该装置主要由复合玻璃钢贮液箱、加液管、玻璃钢风帽、不锈钢水泵、其他配件如阀门等组合通过液体吸收法来治理腐蚀性气体(如酸、碱性废气)的塔体。根据不同实验室排放的废气选择不同废气处理方式，如无机材料实验室、气相和离子色谱实验采用活性炭吸附法。分子生物学与基因工程实验室、水处理仿真实验室等采用玻璃钢酸雾净化塔，玻璃钢酸雾净化塔结构如图7所示。

图7 酸雾净化塔净化结构

4 结语

随着高等教育的发展和高校科技创新能力的提升，各大高校实验的科研教学活动更加频繁，实验室的废气排放及其污染问题日渐凸显，2005年，国家教育部、环保部联合下发通知[3]，严禁将实验室废气直接向外界排放，有效防止实验室废物污染危害环境，维护环境和公共安全，保障人民身体健康，促进建立和谐型社会。本次设计秉持该原则，在实验室合理设置通风柜、万向罩、原子罩等通风设施收集实验室废气，并有效处理后排入室外环境，以及设置洁净空调等措施，确保了实验人员安全和健康，创造一个舒适的工作和学习的环境，为学院建立一个以人为本的先进实验室提供必要的条件。