实验室通风柜系统设计应用

1 通风柜的功能和应用场合

   通风柜最主要的功能是，将实验操作时产生的各种有害气体、水蒸汽、气味、余热等，控制在通风柜内并排至室外，达到为了保护使用者的安全，防止实验中的污染物质向实验室扩散的目的。通风柜在各种生化和理化实验室中有着非常广泛的应用，在保护实验样品的纯度、保证实验结果的准确、维护实验室环境的清洁、改善劳动卫生条件和提高工作效率等方面，发挥着至关重要的作用。通风柜可用于理化实验室和生物实验室，也可以用于洁净实验室，但不适用于生物安全三级和四级实验室。

2 国内外关于通风柜的标准

   国外关于通风柜的标准主要有：德国标准D IN 1 2 92 7 （1 99 0 年），法国标准 N FX 15 -2 11（1996 年），英国标准 BS7989:2001（2001 年），澳大利亚标准AS/NZS2243.9:2003（2003 年），美国标准ANSI/AIHAZ9-5:2003（2003）和SEFA-9。我国关于通风柜的标准都是行业标准，包括：《排风柜》JB/T6412-1999，《实验室变风量排风柜》JG/T222-2007，《无风管自净型排风柜》（报审稿）JB/Txxxx-2011。

3 通风柜的性能

   通常以3个参数衡量通风柜的性能：捕捉效率、抑制效率和排除有害气体的效率。

   良好的捕捉效率可以通过2个途径来获得，首先是保持通风柜开口合理的面风速，其次是合理布置通风柜。

   合理的通风柜柜体设计以及保持通风柜开口合理的面风速是获得较高抑制效率的关键。

   排除有害气体的效率则是通过室外排放口的高度和适当风速来达到。

3.1 设计原则

   通风柜在工作场所的配置数量依实验研究类型而定，差别较大。一般在研究所和大学的配置是，化学研究实验室按每位研究者1 台通风柜，生物学研究实验室 6~10 位研究者共用 1 台通风柜，物理学实验室可能整个部门设1 台通风柜。应根据实验性质和实验室工艺要求，选择通风柜类型，确定通风柜数量。综合考虑各项因素，确定通风柜排风系统和补风系统形式，确定通风机房和通风竖井的位置。

   应以安全、实用、有效、经济为原则，使有害气体在尽快就近排走，不至污染环境和操作者，并使实验中的气态污染物全部控制在通风柜以内。

   应与工艺和建筑专业结合，合理确定通风柜在实验室的位置。通风柜应设置在受气流干扰少的地方，尽量远离门口、送风口和人员频繁往来的通道，避免无组织气流对通风柜排风流场形成干扰；同时，也应远离精密仪器，避免通风柜排风影响仪器操作。根据 BS7258 标准，通风柜平行于穿堂风时，其前端距门边应保持 1m 的距离；通风柜垂直于穿堂风时，其近端距门边应保持1m的距离，相向布置的通风柜之间应保持 3m 的净距。

   应根据建设项目环境影响评价报告书及其审批意见，以及污染气体成分，确定需要采取的废气处理措施，选择处理设备，并满足排放口的设置要求。例如，法国标准XPX15-203要求排放口至少高出房顶 3 m；或者至少是建筑高度的 125%。我国《全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调 ·动力 》规定：查措施。

   合理布置风管，尽量缩短管道长度，减少风管阻力，降低风机功率和噪声。由于实验时常常有水蒸汽或试剂蒸发到排风中，在严寒和寒冷地区冬季的排风管中会出现冷凝现象，因此，水平排风管宜设坡度 2‰ ~3‰ ，并尽量避免风管上、下翻弯，以免冷凝液积聚；必要时应在排风管和排风机最低点分别设置带手动密闭阀的泄水管。

   合理选择和布置排风机。排风机选择和布置应考虑以下因素：

  （1）首先排风机材质应耐腐蚀，一般应选择离心风机，使电动机置于排风气体以外。

  （2）考虑施工和今后实验室变化的可能性，风机风量和压头均要考虑一定的余量。

  （3）为减少噪声和振动，风机的转速不应高于 1450 r/min。

   合理确定风机安装位置，风机位置应考虑以下因素 ：

   ① 由于风机的噪声和振动，其安装地点应尽量远离对噪声和振动有限制的房间，并相对集中布置；便于安装和维护。

   ② 风机尽量布置在机房内，尤其是在严寒和寒冷地区，既便于隔声减振，又可防冻。

   ③ 排风机尽量布置在靠近排放口处，如顶层或屋顶，使室内的排风管道保持负压，避免漏风对风管穿越的其它房间产生不利影响。

   ④ 确定通风柜排风系统和补风系统的控制方式。空调房间应考虑房间压力控制，并与整个实验楼的楼宇控制系统相结合。

3.2 系统设计

3.2.1 面风速的确定

   目前，我国没有国家标准和规范对于通风柜面风速做出明确规定，工程设计通常按照设计手册的推荐值，或者甲方和工艺要求确定，见表1。

3.2.2 排风系统形式

   通风柜排风系统常见形式主要有以下几种，见表2 。

3.2.3 补风系统形式

   通风柜补风系统常见形式见表3。

3.2.4 控制系统形式

   通风柜控制系统常见形式见表4。

3.2.5 废气处理

   通常理化实验会采用多种试剂，通风柜的排风中气体成分复杂且多变，有害物浓度不高，一般能够直接排放。只有在一些特殊情况下需要进行排风处理。

  （1）实验中大量使用高浓度强酸、强碱时，可以采用废气净化塔，以酸碱中和的原理处理排风。

  （2）实验中使用放射性核元素时，排风应经过高效空气过滤器处理后排放。

  （3）实验中使用氨或实验产物含有氨、恶臭或痕量致癌物时，排风应经过活性炭过滤后排放。用于吸附气态物质时应选择粒状活性炭，其四氯化碳的活性应高于 60%。

  （4）通风柜内做标记实验时，排风口应设除碘过滤装置。

  （5）通风柜做含汞实验时，排风口应设高锰酸钾和次氯酸钠溶液吸收装置或载硫活性炭吸附后排放。

4 通风柜应用实例分析

4.1 一对一系统

   某大学生命科学学院总建筑面积27000 m²，设有102 台通风柜，所有通风柜的排风机均置于屋顶5 个风机房内，实验室设有新风和全面排风系统，通风柜排风时采取自然补风。

   某大学理科楼，总建筑面积 38000 m²。通风柜共 47 台，主要集中在 11 ― 14 层的化学、生物和环境实验室，通风柜排风机均置于 15 层屋顶。这种一台排风机对应一台通风柜的系统，使用灵活，互不干扰，得到实验人员的好评。这两所大学，通风柜在一天中的使用时间不长，因而实验室的环境参数基本不受影响。如果通风柜长时间集中使用时，实验室的舒适度可能会受到影响。

4.2 共用系统

   某大学化学学院的新楼总建筑面积 19700 m²。采用的是2~4 台通风柜共设1 台排风机的一对多系统。每间实验室的标准配置是设 3 个通风柜（1.8m 的 2 个，1.5 m 或 1.2 m 的 1 个），和 2 个房间排风口（设于吊顶上），每个实验室配置1台排风机和 1 个变频控制器。每个通风柜都装有位移传感器，随着玻璃柜门开启（升降）幅度的变化自动调整系统的排风量，以维持通风柜正面的面风速基本不变（风速为 0.5 m/s±0.1 m/s）。当所有通风柜的玻璃柜门都关闭（降到底）时，吊顶上排风口的电动风阀随即自动开启，通过吊顶上的2 个排风口进行全面排风。当任一通风柜的柜门开启时，吊顶排风口随即关闭。

   每层设有新风系统，新风一部分送至走廊，一部分通过吊顶上送风口送入实验室。新风系统夏季送冷风，过渡季可送自然风，冬季不送风。

   通风柜与房间共用排风系统的特点是：

  （1）通过位移传感器直接控制变频器，风管内不装传感器，避免了传感器被腐蚀和污染，在较低成本下实现变风量控制。

  （2）通过玻璃柜门的升降直接调整排风量，控制简单。

  （3）节能效果好，小风量排风时既可省电，又可减少冷、热量损失。

  （4）低速排风时，室内外噪声降低。

  （5）通风柜柜门半开至全开时面风速约为0.5 m/s，柜门开启高度小于 300 mm 时面风速约为1 m/ s ，风速增大。面风速不稳定。

4.3 变风量系统

   变风量系统在外企研发实验室大量应用，仅以国内某生命科学研究所实验及办公楼和某出入境检疫检验局大楼采用的是变风量通风柜控制系统。某生命科学研究所实验及办公楼总建筑面积18000 m²。设有变风量通风柜的通风系统8 个，每个系统并联 6 台通风柜，送、排风机均变频控制，送、排风之间设有空气热交换器，回收排风能量 。

   某出入境检疫检验局大楼14―19层为实验室。全楼设有 36 台通风柜，排风系统根据走廊、房间和通风柜的压力梯度，采用变风量阀和变频器，控制通风柜的排风和补风。同时，通风柜排风经酸雾吸收塔净化处理后排放。

   变风量通风柜系统的面风速控制和实验室环境舒适度较好，但如果按照每台通风柜面风速进行变频控制，则出现风阀频繁动作、调节滞后、风机振动和噪声大等现象，实际应用时变频器往往难以做到无级调节。

4.4 无管过滤系统

   当实验规模不大、实验强度和频度不高时，无管过滤型通风柜以安装简便、使用灵活、安全节能的特性成为首选。由于无管过滤型通风柜配装了分子过滤器、排风机和风速仪，还可以选配亚高效过滤器或高效过滤器，只要排风中的污染物能够被过滤器吸收，出风口污染物的浓度低于GBZ 2.1-2007、GBZ 2.2-2007 中的规定值（PC-TWA、PC-STEL、 PC-MAC 中的最严格值），过滤后的空气不需排出室外而在实验室内再循环，运行可以取得显著的节能效果。同济大学李强民等人曾经以上海为例，计算一台排风量为2300 m³/h的无管过滤型通风柜节约的能耗及费用，共节省全年新风耗冷量79207 kWh，全年新风耗热量 34106 kWh，能耗费用 55170 元。

   这种无管过滤系统的净气型通风柜已在中国科学院上海药物研究所、北京兽药监察所，北京四环制药厂等多家单位使用。

5 总结

   通风柜排风系统的选择受到诸多因素影响，应用时需要根据具体情况分析后确定。只要系统合理，哪种系统都能够取得令人满意的使用效果。