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基于余风量控制法的化工实验室变风量通风系统设计 以北京化工大学某实验楼为例 北京化工大学 高芬*张新生 黄晓一 雷鹏 摘 要 基于余风量控制法的变风量通风系统，可显著提高化工实验室的安全性，降低初始投资，节约运行费用。以北京化工大学某化工实验楼其中一个通风系统为例，详细介绍了系统中通风量的确定、室内气流组织、设备选择、系统控制以及设计重点环节，可为后续类似项目提供参考。关键词 化工实验室；变风量系统；余风量控制 Design of variable air volume ventilation system in chemical laboratory based on residual air volume control method taking an experimental building of Beijing University of Chemical Technology as an example Gao Fen Zhang Xinsheng Huang Xiaoyi Lei Peng Abstract The variable air volume ventilation system based on the residual air volume control method can significantly improve the safety of chemical laboratory,reduce the initial investment and save the operating cost.Taking a ventilation system in a chemical engineering laboratory building of Beijing University of Chemical Technology as an example,the paper introduces in detail the determination of ventilation volume,indoor air flow organization,equipment selection,system control and key aspects of design in the system,which can provide reference for subsequent similar projects.Keywords Chemical engineering laboratory;Variable air volume systems;Residual air volume control 0 引言 高校作为国家科研和人才培养的基地，其实验室在促进科学研究、创新发明以及学生科学实践方面具有重要地位，但如果化工实验过程中产生的有毒有害物质不能及时排出，将对师生的健康和安全造成潜在威胁，轻则引起身体不适，重则危及生命安全。此外，化工实验室的空气温湿度和化学成分若控制不好，对仪器设备的精度和使用寿命将产生不利影响。采用基于余风量控制法变风量通风系统，既能根据实验室的实际需要，实时调节通风量，确保实验室拥有良好的空气环境，也能为科研仪器设备正常工作提供必要的环境条件，还能节约能源，降低运行费用，这已成为近年来化工实验室通风系统的发展趋势。本文依托北京化工大学某化工实验楼建设，对基于余风量控制法的化工实验室变风量通风系统设计进行总结，以期为后续类似项目提供借鉴。1 工程概况 北京化工大学某化工实验楼建筑面积约 21000，共 10 层，层高 4.5m，建筑高度 46m，其中 3层9 层为科研、实验用房，每层设有实验室、研究讨论室、废液暂存室和试剂存放室，第 10 层为新风处理机组设备层，排风机安装在屋面，实验室通风采用变风量排风加全新风方案，设置 2 台冷水机组为新风系统提供冷源，由校园锅炉房提供热源。2 通风系统设计 根据科研建筑设计标准1（JGJ91-2019）的规定，确定化工实验室设计参数如表 1。表 1 化工实验室设计参数 夏季 冬季 噪声dB(A)室内温度（）相对湿度（%）室内温度（）相对湿度（%）25 60 20 30 45 化工实验楼共有排风柜350个，万向罩100个，排风型药品柜 15 个，气瓶柜 5 个。因该楼为科研实验楼，实验室数量多，房间面积大，所需排风量大，2023 年 9 月 洁净与空调技术CC&AC 第 3 期*高芬，女，1970 年 12 月生，大学本科，工程师 100019 北京市北三环东路 15 号北京化工大学 13552782998 E-mail: 收稿日期：2023-07-05但实验用化学试剂、药品剂量小，排风中污染物浓度低，加之设备层面积限制，为了便于管理，降低初始投资和运行费用，决定对废液暂存室和试剂存放室分别设置竖向集中排风系统，选用工频风机；对各楼层相同轴线位置处的实验室，按每一跨设置竖向集中通风系统新风系统与排风系统对应设置。新风回收排风中的能量后引入新风处理机组，再经过净化和热、湿处理达到设定值后送入室内；排风经能量回收和污染物净化处理，达到大气污染物综合排放标准2（GB16297-1996）和北京市大气污染物综合排放标准3DB11/501-2007 的要求后高空排放。根据此原则，化工实验楼共设计 14个通风系统，其中 12 个为实验室通风系统，另 2 个为废液暂存室和试剂存放室的排风系统，图 1 为该楼实验室其中一个通风系统示意图。图 1 通风系统示意图 风机 新风处理机组 热管热回收装置 化学过滤器 2.1 通风量的确定 2.1.1 排风量的确定 根据化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范4（HG/T20711-2019）第 5.2.1 条“处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不应低于 6 次/h”的规定，实验室排风量取6 次/h，有排风柜的实验室以排风柜局部排风为主，实验室所有局部排风设备在最小风量状态下运行时的排风量之和不能满足 6 次/h 换气次数要求时，设置排风口辅助排风，没有排风柜的实验室采用全面通风换气。实验室的最大排风量取满足换气次数需求风量和实验室所有局部排风设备在最大排风量状态下运行时排风量之和的较大者，最小排风量取满足换气次数需求风量和实验室所有局部排风设备在最小排风量状态下运行时排风量之和的较大者。下面以化工实验楼 9 层 A、B 两个具有代表性的实验室为例，详细介绍实验室通风量及其所在通风系统通风量的设计过程。表 2 为实验楼选用局部排风设备的参数，图 2 为 A、B 实验室排风布置平面图。表 2 化工实验楼排风设备参数 排风设备 排风量（m/h）1.5m/1.8m 排风柜 3001800/2200 万向排气罩 150 药品柜、气瓶柜 75 图 2 排风布置平面图 A 实验室局部排风设备的排风量为：LAmax=52200+21800=14600（m/h），LAmin=7300=2100（m/h），按 6 次/h 换气次数计算的排风量为：LAh=9.58.44.26=2011（m/h），因为 LAminLAh，所以 A 实验室的最大排风量为14600 m/h，最小排风量为 2100 m/h，不需要设置第3期 洁净与空调技术CC&AC .71.辅助排风口。B 实验室局部排风设备的排风量LBmax=12200=2200（m/h），LBmin=1300=300（m/h），按 6 次/h 换气次数计算的排风量为：LBh=5.48.44.26=1143（m/h），因为 LBminLBh，所以 B 实验室需要设置辅助排风口，辅助排风口最小排风量取 210 m/h（额定最小排风量），最大排风量为 LB=LBh-LBmin=1143-300=843（m/h）。因此，B 实验室的最大排风量 LBmax+210=2200+210=2410（m/h），最小排风量为 1143m/h。图 1 所示通风系统中有排风柜 27 个，万向罩14 个，排风型药品柜 4 个，气瓶柜 1 个，根据上述方法计算得图一通风系统的最大总排风量为 60800 m/h，最小总排风量为 22100 m/h。综合考虑实验性质、实验室安全风险、节能减排等因素，确定化工实验楼排风柜同时使用率取 0.6，所以图一通风系统设计最大排风量为 38500 m/h，最小排风量为22100 m/h。2.1.2 新风量的确定 根据全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力5（2009）第 4.1.3 条和化工实验室化 验 室 供 暖 通 风 与 空 气 调 节 设 计 规 范（HG/T20711-2019）第 3.3.4 条：放散有害物质的实验室、化验室应保持负压的规定，本楼设计新风量取排风量的 80%，所以图一通风系统设计最大新风量为 38500*80%=30800（m/h），最小新风量22100*80%=17680（m/h），余风量通过非实验室区域流入以及门窗缝隙自然渗透获得。图 3 为 9 层A、B 实验室新风布置平面图。图 3 新风布置平面图 2.2 室内气流组织 实验室内气流组织是整个实验室通风控制的核心，为了使实验室内被污染的空气及时排出，不扩散到邻近区域，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。通风柜等局部排风设备的布置应远离门口、窗口及人员走道部位，排风口宜布置在污染物产生较集中的部位；送风口宜布置在实验室入口和人员主要活动区域，并远离排风柜前实验区和排风口，避免干扰排风气流或造成气流短路，且送风风速不应对排风有干扰。2.3 设备的选择 通风系统的主要设备有排风柜、排风机、新风处理机组、化学过滤器、热管热回收装置。2.3.1 排风柜 排风柜是实验室操作人员最重要的防护屏障，应选用气流组织良好、面风速均匀的排风柜。为了保证实验人员安全和节能减排，根据实验室变风量排风柜6JG/T222-2007 的要求，化工实验楼选用配置有变风量调节阀、人员在岗探测器、风速传感器或位移传感器等的变风量排风柜。2.3.2 排风机 根据计算所得排风系统的设计最大排风量和系统所需压力值选择耐腐蚀的低噪音变频无蜗壳风机，风量变化范围 30%100%。2.3.3 新风处理机组 根据计算所得系统的设计最大新风量、系统所需压力和冷热负荷等选择对空气具有净化（初效过滤 G4+中效过滤 F8）、表冷/加热、加湿处理功能的变频新风处理机组，风量变化范围 30%100%。2.3.4 热管热回收装置 根据公共建筑节能设计标准7（GB 50189-2005）第 5.3.14 条的规定，化工实验楼选择了有六排换热管的三维热管热回收装置。该装置具有技术成熟、维护保养费用低、附加能耗小、新风和排风零交叉的优点，有防冻保护措施，可以在寒冷地区正常运行，由于实验室排风中有腐蚀性气体，排风侧热管的表面要求进行防腐处理。需要注意的是，为了达到额定热回收效率不低于 60%的要求，装置内的迎面风速不宜高于 2.5m/s8。热管热回收装置示意图见图四。.72.洁净与空调技术CC&AC 第3期第 图 4 2.3.5 化学过由于科研变化，实验对性的处理方滤器，内填化有机气体，第两层滤料处理（GB16297-标准DB112.4 系统的控2.4.1 定风量全面通风存放间、废和气瓶柜的排阀，定风量蝶2.4.2 变风量以局部排风口上均安装时根据需要实验室排变风量蝶阀控排风柜面风速压传感器监测调整排风机频足系统排风量实验室新各排风设备入新风，送风度变化后，并与设定值第 3 期 热管热回收装过滤器 研实验用药品中排放气体成方法，所以设化学吸附材料第二级滤料处理后，排风达-1996）和1/501-2007 的控制 量控制 风换气实验室液暂存间、实排风管道上均蝶阀开度在设量控制 排风为主的实装变风量蝶自动调节开度排风柜上的位控制器随之快速达到设定值测到实时静压频率，使风管量要求。新风变风量蝶的排风总量，风主管道内总管上的静压比较，联动调 装置示意图 品、试剂随研成分不确定，设计选择有两料，第一级滤处理碱性和无达到 大气污染北京市大气污的要求后高空室的送风和排实验室万向排均安装压力无设备调试时一实验室排风柜阀，变风量蝶度。位移传感器监快速调整蝶阀值，此时排风压值并与设定管内静压达到蝶阀控制器实，并按照排风的静压值随系压传感器监测调整送风机频 研究方向不同，无法选择有两级过滤层的滤料处理酸性无机气体，经染物排放标准污染物综合排空排放。排风管道、试排气罩、试剂无关型定风量一次设定。柜、排风口、蝶阀在系统运监测柜门开度阀开度，以保风主管道内的定值比较，联到设定压力，实时计算房间风总量的 80%系统内送风阀测到实时静压频率，使风管 洁净同而有针的过性和经过准排放试剂剂柜量蝶、送运行度，保证的静联动，满间内%补阀开压值管内静压室余3 设3.1性能通过验室低运3.2员走入口度。3.3的房以降3.4量的迎面以最季和3.5设计为师3.6压稳4 结控制风设实时求，节约够适 净与空调技术压达到设定压余风量比值恒设计重点环变风量系统排风柜变风能，余风量控过准确控制送室内的空气质运行成本。实验室布置排风柜周围走动对排风气口处和远离排 风量平衡对试剂存放房间，应在房降低室内负压热管热回收选用余风量的 80%，热管面风速不得大最大排风量为和夏季设计工噪声问题 通过准确计计合适的风管师生提供较为静压传感器送风和排风稳定的直管段结语 随着人们对制法的变风量设计的理想选时调节通风量显著提升实约运行成本，适应实验室未 术CC&AC 压力，满足系恒定。环节 统的选择：风量控制能保控制法是实现送风量和排风质量符合要求置 围应预留足够气流的干扰；排风口位置，放室和废液暂房门下部或墙压差，使排风装置的选型 量控制法，通管热回收装置大于 2.5m/s8为参数计算热工况下热回收计算系统阻力管管径，能有为舒适的工作器安装位置 风总管道里的段，要能真实对工作环境的量通风系统设选择。该系统量，以满足不实验室内的空且该系统具未来的改造和 系统送风量要保障和提升排现变风量通风风量之间的差求，并减少能够的抗干扰区送风口宜布并应选择合暂存室这类只墙体下部位置风顺畅。通风系统的新置宜选用 6 排8，新风侧和热管换热面积收效率复核。力，合理确定有效降低系统作环境。的静压传感器实反映管道内的日益重视，设计是高校化统能够根据实不同实验条件气质量，降低具有自动调节和扩建需求。(下转 要求，使实验排风柜的安全系统的关键，差值，确保实能源消耗，降区域，以免人布置在实验室合适的送风速只排风不送风预留进风口，新风量为排风排热管，热管和排风侧均应积，并进行冬 风管内风速，统运行噪音，器须安装在风内的静压值。基于余风量化工实验室通验室的需要，件下的通风要低能源消耗，节的特性，能 转至第 36 页 .73.验全，实降人室速风，风管应冬，风 量通，要能).表 6 太阳能资源直射比（DHRR）等级 等级 名称 分级阈值 等级 符号 等级说明 很稳定 DHRR0.6 A 直接辐射主导 稳定 0.5 DHRR 0.6 B 直接辐射较多 一般 0.35 DHRR 0.5 C 散射辐射较多 欠稳定 DHRR 0.35 D 散射辐射主导 根据工程代表年辐射数据统计，场址区域各月平均日辐照量中 7 月最大，为 24.62MJ/m2；各月平均日辐照量中 12 月最小，为 6.96MJ/m2。GHRS=0.28，DHRR=0.59。对照表 4 和表 5 中的数据，得出该区域太阳能资源直射比等级为 B 级（直接辐射较多），稳定程度为“一般”。综合考虑，该地区太阳能资源的丰富程度和稳定度都较好，适宜太阳能利用和开发，建设光伏电站是可行的。4.结论 1）新疆地区太阳能资源非常丰富，开发利用太阳能具有得天独厚的优势。2）在分析喀什地区太阳能资源时，采用Meteonorm 软件提供的数据与实际数据误差最小。3）喀什地区典型气象年水平面全年总辐射为5787.36MJ/m2，112 月份月平均水平面总辐射的变化幅度较大；水平面太阳辐射资源月变化总体呈现近 似的正态分布，先增大后减小；夏季较高，冬季较小。(上接至第 73 页)本文结合实际工程案例详细介绍了基于余风量控制法的化工实验室变风量通风系统设计，可为后续类似项目提供参考。参考文献 1 科研建筑设计标准 JGJ 912019M北京:中国建筑工业出版社，2019.2 大气污染物综合排放标准 GB16297-1996S 中国环境工程出版社，1996 3 北京市大气污染物综合排放标准 DB11/501-2017M 北京:中国环境工程出版社，2007 辐射量值在 215.64MJ/m2763.2MJ/m2之间，最大值出现在 7 月，为 763.2MJ/m2，最小值出现在 12 月，为 215.64MJ/m2。4）喀什地区典型气象年太阳水平面直射辐射的月际变化与总辐射变化比较类似，呈单峰式分布；1月和 2 月数值特别接近，2 月开始逐渐增加，7 月达到峰值，67 月水平面直接辐射量相差不大，此后开始逐渐减少，全年最低值出现在 12 月份。年直射总辐射为 3400.56MJ/m2。总辐射中以直接辐射为主导。5）喀什地区具有较好的太阳能资源，属于资源很丰富带，稳定度较好，直接辐射较多，故该地区太阳能资源丰富，具有较高的开发利用价值。参考文献 1佚名.习近平主持召开中央财经委员会第九次会议J.预算 管理与会计,2021(4)2申彦波.我国太阳能资源评估方法研究进展J.气象科技进 展.2017,7(1)3孙丽平等.我国太阳能资源分析及利用潜力研究J.能源科 技,2022,20(5)4金建新,周迎.2002 年新疆统计年鉴M.北京:中国统计出版 社，2009 5冯刚,李卫华等.新疆太阳能资源及区划J.可再生资 源,2010,28(3)6汪婷婷,张梅,王静.散射对光伏发电系统设计的影响J.科 技与创新,2014,15 4 化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范 HG/T20711-2019M北京:科学技术出版社，2019.5 全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力（2009）S中国计划出版社 2014.6 实验室变风量排风柜 JG/T222-2007S 中国标准出版社，2007 7 公共建筑节能设计标准 GB 50189-2005S 中国建筑工业出版社，2005 8 金柏旭.复合蒸发冷却的热管热回收系统性能研究 D 广州大学 2022 学位论文 .36.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期