化學(xué)實驗室通風(fēng)設(shè)計相關(guān)問題分析

    隨著我國對教育和科研項目的重視和加大投入，一批高校、科研院所的教學(xué)實驗樓紛紛建成并投入使用，在這些實驗樓特別是化學(xué)和生物類實驗樓的設(shè)計中，為了給師生和科研人員提供一個健康、舒適和節(jié)能的環(huán)境，通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計顯得尤為重要。關(guān)于教學(xué)科研類實驗室的設(shè)計，目前只能參照我國1993開始執(zhí)行的建筑行業(yè)規(guī)范《科學(xué)實驗建筑設(shè)計規(guī)范》。此規(guī)范中對于實驗室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計的一些重要指標(biāo)，比如換氣次數(shù)、噪聲指標(biāo)等均未作出明確規(guī)定。本文將主要針對化學(xué)類實驗室，分析和討論通風(fēng)空調(diào)設(shè)計中所涉及到的一些問題。

1相關(guān)問題分析

1.1通風(fēng)系統(tǒng)型式的選擇

    實驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有圖1中的幾種類型，采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)業(yè)主的要求、項目所在地的氣象條件、實驗樓的檔次和使用情況、投資預(yù)算等因素決定。對于一般中學(xué)或大學(xué)的教學(xué)類化學(xué)實驗樓，如果業(yè)主對溫度指標(biāo)沒有具體要求，可只設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，不需設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)；對于科研類的實驗樓，由于科研人員可能長時間在實驗室中工作，應(yīng)采用通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)實驗室設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)時，其通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該做成變風(fēng)量系統(tǒng)，有利于節(jié)能。關(guān)于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在實驗室通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用，可參見文獻(xiàn)[1]中的論述。

    通風(fēng)系統(tǒng)是采用自然進(jìn)風(fēng)還是機械送風(fēng)，文獻(xiàn)[2]中指出，對于工作時間連續(xù)使用排風(fēng)系統(tǒng)的實驗室應(yīng)設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)，間歇使用且排風(fēng)換氣次數(shù)大于2次/h的應(yīng)設(shè)置有組織的自然進(jìn)風(fēng)。對于工作時間是否連續(xù)使用，這在實際工程中很難判定，學(xué)校規(guī)模和實驗課程設(shè)置的不同使得排風(fēng)系統(tǒng)可能在一年中的某一段時間內(nèi)工作時間連續(xù)使用，其余時間可能是間歇運行。

    即使是科研類型的實驗室，排風(fēng)系統(tǒng)的使用也沒有一定的規(guī)律性[1]。設(shè)置機械送風(fēng)系統(tǒng)會增加工程造價，并且有時當(dāng)實驗室內(nèi)設(shè)有幾套排風(fēng)系統(tǒng)時，根本沒有建筑空間來設(shè)置機械送風(fēng)系統(tǒng)。筆者建議，規(guī)范中應(yīng)該采用一年中排風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)使用時間占整個工作時間的百分?jǐn)?shù)的大小來決定是否設(shè)機械送風(fēng)系統(tǒng)。

    化學(xué)實驗室內(nèi)一般都設(shè)有通風(fēng)柜，用來做一些危害性比較大的實驗（包括散發(fā)有害的有機和無機氣體的實驗[3]），所以敞開的實驗臺上是否還要設(shè)局部排風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，對于經(jīng)常做大量（比如同時上課的學(xué)生較多，通風(fēng)柜的數(shù)量滿足不了學(xué)生同時進(jìn)行實驗）散發(fā)危害性氣體實驗的實驗臺，可以設(shè)置局部排風(fēng)系統(tǒng)，如果是偶爾做危害性較大的實驗，那么可以在通風(fēng)柜中操作這些實驗，這樣就可省去實驗臺上的局部排風(fēng)系統(tǒng)。若實驗臺上未設(shè)置局部排風(fēng)系統(tǒng)，則實驗室應(yīng)該設(shè)置全面排風(fēng)系統(tǒng)或者吊扇進(jìn)行通風(fēng)換氣，二者沒必要同時設(shè)置。

    局部排風(fēng)系統(tǒng)有兩種類型，第一種是上排風(fēng)，既在實驗臺上設(shè)置局部排風(fēng)罩（如圖2所示）；第二種是下排風(fēng)，即排風(fēng)管從下一層吊頂穿過樓板，接實驗臺上的“萬向”排風(fēng)罩（如圖3所示）。上排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)罩要覆蓋整個實驗臺面，下排風(fēng)系統(tǒng)中的小排風(fēng)罩只需覆蓋實驗臺上做實驗處的小局部空間，所以上排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量要大于下排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，而且如果在下排風(fēng)系統(tǒng)上接排風(fēng)罩處的支管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，則可根據(jù)實驗臺上此處是否需要做實驗決定是否開啟此處的排風(fēng)罩，這樣可以做成變風(fēng)量系統(tǒng)，以節(jié)能。從這一點上講，筆者認(rèn)為下排風(fēng)系統(tǒng)要優(yōu)于上排風(fēng)系統(tǒng)。

    另外，如果排除潮濕氣體時，上排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)罩的裙邊內(nèi)應(yīng)設(shè)置檐溝[4]；對于下排風(fēng)系統(tǒng)，則應(yīng)考慮在系統(tǒng)的最低處設(shè)置排液管，或在風(fēng)管的最低處設(shè)排液口，以便定期清理。

    總之，對于實驗室的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)究竟應(yīng)該采用什么型式，應(yīng)該根據(jù)具體情況作技術(shù)經(jīng)濟比較，進(jìn)行合理設(shè)計，在滿足使用功能的前提下最大程度的實現(xiàn)節(jié)能運行。

1.2換氣次數(shù)指標(biāo)的確定

    對于化學(xué)實驗室換氣次數(shù)的取值，眾說紛紜，目前還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[4]中指出，學(xué)校的化學(xué)實驗室的排風(fēng)換氣次數(shù)為3次/h。也有文獻(xiàn)指出，化學(xué)實驗室換氣要求每小時大于10次，物理實驗室每小時大于10次，實驗室無人時換氣可減少為6次。由文獻(xiàn)[5]可知，美國的實驗室通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中也沒有制定具體的實驗室通風(fēng)換氣次數(shù)指標(biāo)，因為他們認(rèn)為這樣一個指標(biāo)不適合作為污染物控制指標(biāo)。

    某實驗樓的設(shè)計中采用了如表1中所示的換氣次數(shù)指標(biāo)，此指標(biāo)是經(jīng)過一些專家的調(diào)查研究得出的結(jié)論。但在實際工程中，輕度、中度和重度的標(biāo)準(zhǔn)很難分別，即使是咨詢甲方的化學(xué)老師也很難講得清楚。

    化學(xué)實驗室內(nèi)一般都設(shè)有通風(fēng)柜，用來做一些危害性比較大的實驗（包括散發(fā)有害的有機和無機氣體的實驗[3]），所以敞開的實驗臺上是否還要設(shè)局部排風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，對于經(jīng)常做大量（比如同時上課的學(xué)生較多，通風(fēng)柜的數(shù)量滿足不了學(xué)生同時進(jìn)行實驗）散發(fā)危害性氣體實驗的實驗臺，可以設(shè)置局部排風(fēng)系統(tǒng)，如果是偶爾做危害性較大的實驗，那么可以在通風(fēng)柜中操作這些實驗，這樣就可省去實驗臺上的局部排風(fēng)系統(tǒng)。若實驗臺上未設(shè)置局部排風(fēng)系統(tǒng)，則實驗室應(yīng)該設(shè)置全面排風(fēng)系統(tǒng)或者吊扇進(jìn)行通風(fēng)換氣，二者沒必要同時設(shè)置。

    局部排風(fēng)系統(tǒng)有兩種類型，第一種是上排風(fēng)，既在實驗臺上設(shè)置局部排風(fēng)罩（如圖2所示）；第二種是下排風(fēng)，即排風(fēng)管從下一層吊頂穿過樓板，接實驗臺上的“萬向”排風(fēng)罩（如圖3所示）。上排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)罩要覆蓋整個實驗臺面，下排風(fēng)系統(tǒng)中的小排風(fēng)罩只需覆蓋實驗臺上做實驗處的小局部空間，所以上排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量要大于下排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，而且如果在下排風(fēng)系統(tǒng)上接排風(fēng)罩處的支管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，則可根據(jù)實驗臺上此處是否需要做實驗決定是否開啟此處的排風(fēng)罩，這樣可以做成變風(fēng)量系統(tǒng)，以節(jié)能。從這一點上講，筆者認(rèn)為下排風(fēng)系統(tǒng)要優(yōu)于上排風(fēng)系統(tǒng)。

    另外，如果排除潮濕氣體時，上排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)罩的裙邊內(nèi)應(yīng)設(shè)置檐溝[4]；對于下排風(fēng)系統(tǒng)，則應(yīng)考慮在系統(tǒng)的最低處設(shè)置排液管，或在風(fēng)管的最低處設(shè)排液口，以便定期清理。

    總之，對于實驗室的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)究竟應(yīng)該采用什么型式，應(yīng)該根據(jù)具體情況作技術(shù)經(jīng)濟比較，進(jìn)行合理設(shè)計，在滿足使用功能的前提下最大程度的實現(xiàn)節(jié)能運行。

    對于化學(xué)實驗室的通風(fēng)換氣次數(shù)指標(biāo)，筆者認(rèn)為還是應(yīng)該制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，否則在實際工程設(shè)計中很難進(jìn)行操作。另外，通風(fēng)換氣次數(shù)的定義在規(guī)范中也應(yīng)該明確，嚴(yán)格地講應(yīng)該是排風(fēng)換氣次數(shù)，在計算時是否應(yīng)該包括所有的排風(fēng)系統(tǒng)（包括全面排風(fēng)、通風(fēng)柜排風(fēng)和局部排風(fēng)）在內(nèi)，這是值得商榷的問題。文獻(xiàn)[6]中指出，當(dāng)某一實驗室有很多通風(fēng)柜時，如果按通風(fēng)柜全開的情況計算，房間的通風(fēng)換氣次數(shù)會很大，甚至達(dá)到了75次/h。如果按通風(fēng)柜的排風(fēng)換氣次數(shù)計算，可能已經(jīng)達(dá)到了指標(biāo)，不需要另設(shè)別的排風(fēng)系統(tǒng)，但是通風(fēng)柜一般都是沿墻擺放，這種通風(fēng)方式的氣流組織可能達(dá)不到全室換氣的要求，會出現(xiàn)“通風(fēng)死角”，造成室內(nèi)氣味不能完全排除。所以目前換氣次數(shù)本身的計算也是一個很模糊的概念，需要出臺規(guī)范確定其計算方法，針對不同類型的化學(xué)實驗室，比如中學(xué)和大學(xué)，教學(xué)和科研，企業(yè)和學(xué)校，應(yīng)根據(jù)具體情況，經(jīng)過實際調(diào)查研究制定出通風(fēng)換氣次數(shù)的指標(biāo)范圍。

1.3系統(tǒng)劃分原則

    關(guān)于實驗室通風(fēng)系統(tǒng)的劃分原則，規(guī)范[2]中第6.3.2條指出，每個排風(fēng)裝置宜設(shè)獨立的排風(fēng)系統(tǒng)，同一個實驗室內(nèi)的所有排風(fēng)裝置宜合用一個排風(fēng)系統(tǒng)。關(guān)于此條的系統(tǒng)劃分原則，有以下幾點疑義：

1）同一個實驗室內(nèi)的幾個排風(fēng)裝置（比如通風(fēng)柜、排風(fēng)罩、全面通風(fēng)風(fēng)口）能否合用一個排風(fēng)系統(tǒng)？通風(fēng)柜一般排除的是毒性比較大的氣體，若與其他系統(tǒng)合用，可能會發(fā)生“串氣”，所以通風(fēng)柜的排風(fēng)應(yīng)該設(shè)獨立的系統(tǒng)。

2）不同的實驗室間的同類型的排風(fēng)系統(tǒng)能否合用？比如不同的房間的通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)，如果都單獨設(shè)置排風(fēng)豎井，可能占用的建筑空間會很多，如果合用，不同的房間所排除的氣體種類可能不同，是否會產(chǎn)生化學(xué)物理反應(yīng)，造成危險。因此，哪些實驗室的排風(fēng)系統(tǒng)可以合用，需要進(jìn)一步的鑒定。在實際工程中，如果每個房間都是單獨的系統(tǒng)，確實會造成建筑空間的浪費，有時甚至根本就無法設(shè)置。

    化學(xué)實驗樓的通風(fēng)系統(tǒng)一般都比較多，風(fēng)管尺寸比較大、風(fēng)機數(shù)量比較多，設(shè)置起來比較困難，所以在不會發(fā)生腐蝕、爆炸等危險的情況下，應(yīng)該盡量合用系統(tǒng)。不同的房間合用系統(tǒng)，可采用變頻風(fēng)機，即可節(jié)省投資，又可實現(xiàn)節(jié)能運行。

1.4補風(fēng)是否需要處理

    文獻(xiàn)[2]指出，設(shè)置有機械送風(fēng)的補風(fēng)系統(tǒng)，對于采暖地區(qū)，冬季應(yīng)進(jìn)行加熱處理[2]。但是對于夏熱冬冷地區(qū)，當(dāng)冬季氣溫較低時，不經(jīng)處理的大量室外空氣的引入，可能會造成室溫較低，對于此種情況，應(yīng)進(jìn)行熱量平衡計算，如果室溫過低，則應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜崽幚怼?/p>

    對于采用自然進(jìn)風(fēng)的系統(tǒng)，補風(fēng)就無法進(jìn)行直接處理。如果室內(nèi)設(shè)有采暖或空調(diào)系統(tǒng)，則在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)考慮平衡排風(fēng)所帶走的能量，空調(diào)和采暖系統(tǒng)容量可適當(dāng)放大。但是如果室內(nèi)沒有設(shè)置采暖或空調(diào)系統(tǒng)，則在室外氣溫極端低的情況下，不能夠保證室溫。

1.5排風(fēng)凈化問題

    當(dāng)排風(fēng)系統(tǒng)排出的有害物濃度超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)采取凈化措施[2]。對于生產(chǎn)型企業(yè)的尾氣排放是否超標(biāo)容易鑒定，但是對于學(xué)校的實驗室的排風(fēng)污染物濃度是否超標(biāo)，則需經(jīng)過實際調(diào)查測試才能確定，目前筆者還沒有查到相關(guān)的數(shù)據(jù)。對于一般的學(xué)校，化學(xué)實驗室的排風(fēng)可能在某一段時間會超標(biāo)，此種情況可以通過保證一定的排放高度和排放速度（文獻(xiàn)[1]中提出15m/s的排放速度）來使得排出的空氣能夠迅速地擴散，從而可以不對排風(fēng)進(jìn)行凈化處理，以節(jié)省成本。對于科研用的一些化學(xué)實驗室，使用頻率可能較高，排風(fēng)的危害程度也較大，這類型的排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置凈化處理裝置。1.6噪聲問題

    對于教學(xué)實驗室的噪聲問題，也是應(yīng)該引起重視的，如果室內(nèi)噪聲過大會影響正常的教學(xué)。文獻(xiàn)[7]中指出，學(xué)校一般教室的室內(nèi)允許噪聲為≤50dB（A）。同濟大學(xué)的王季卿教授等人通過大量的調(diào)研及心理學(xué)實驗測試，確定學(xué)校教室內(nèi)允許噪聲在50~55dB（A）之間[9]。對于化學(xué)實驗室，

一般排風(fēng)量比較大，限于建筑空間，風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速可能會取得較大，但一般不應(yīng)大于8m/s，否則氣流喘流噪聲會較高。

    文獻(xiàn)[8]指出，氣流喘流噪聲的頻率為中高頻，噪聲源主要分布在貼近管壁表面附近區(qū)域內(nèi)，噪聲強度大致按氣流速度6次方的規(guī)律變化[9]。另外，實驗室內(nèi)一般沒有吊頂，通風(fēng)管道也沒有保溫，使得噪聲的衰減量較小，而且風(fēng)速過大，消聲器會失去作用，使得實驗室內(nèi)噪聲超標(biāo)，不能夠正常使用。

    因此，在設(shè)計中要合理選擇風(fēng)管流速，主管流速不應(yīng)大于8m/s，并且要準(zhǔn)確計算風(fēng)管阻力，否則風(fēng)機壓頭選擇過大會導(dǎo)致風(fēng)管內(nèi)實際流速偏高，產(chǎn)生“呼嘯”噪聲。

1.7通風(fēng)系統(tǒng)材料選擇

    化學(xué)實驗室的排風(fēng)具有一定的腐蝕性，所以通風(fēng)系統(tǒng)各部件采用的材料應(yīng)具有防腐性，或進(jìn)行防腐蝕處理。

    風(fēng)管材料一般應(yīng)該選用防腐材料制作，比如無機玻璃鋼、硬聚氯乙烯等。

    風(fēng)機的防腐可選用玻璃鋼風(fēng)機，或是普通材料的風(fēng)機內(nèi)噴涂環(huán)氧樹脂。目前的玻璃鋼風(fēng)機一般都是離心式風(fēng)機，柜式、混流和軸流式風(fēng)機還不能采用玻璃鋼制作。但是離心風(fēng)機一般占用空間較大，其噪聲也不如柜式風(fēng)機噪聲低，因此，可以根據(jù)不同實驗室排出的氣體的腐蝕程度，確定選用什么風(fēng)機形式。一般可以采用以下原則：

1）通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)：其排風(fēng)機一般應(yīng)選擇玻璃鋼離心風(fēng)機。

2）其他排風(fēng)系統(tǒng)：排出腐蝕性較強氣體的風(fēng)機，一般應(yīng)選擇玻璃鋼離心風(fēng)機；    排出腐蝕性較弱氣體的風(fēng)機，或雖然腐蝕性較強但使用時間較短的風(fēng)機，可以采用噴涂環(huán)氧樹脂的柜式離心風(fēng)機，這樣其占用的建筑空間和運行噪聲都可得到一定的控制。另外，消聲器、閥門、風(fēng)管支吊架等附件都應(yīng)該作防腐蝕處理。

1.8防火閥設(shè)置

    對于實驗臺的下排風(fēng)系統(tǒng)，從下一層吊頂內(nèi)穿樓板上來的排風(fēng)支立管會非常多，那么這些支立管上是否都要設(shè)置防火閥呢？多層建筑的實驗樓可參見《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，其中第9.3.10條規(guī)定：送、回風(fēng)總管穿過機房的隔墻和樓板處應(yīng)設(shè)置防火閥。此處只講送回風(fēng)總管上需要設(shè)置，那么是否意味著這些支立管上可以不設(shè)呢？這一點需要規(guī)范進(jìn)一步明確。

    如果是高層實驗樓，可參見《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》，此規(guī)范中未明確指出是總管還是支管，可以理解為所有穿越樓板的風(fēng)管上都需要設(shè)置防火閥，這樣防火閥的數(shù)量會很多，增加了成本。筆者認(rèn)為，在實際工程設(shè)計中，可在與垂直立管連接的水平總管上設(shè)置防火閥，每個支立管采用耐火極限1小時以上的防火風(fēng)管制作，可以省去大量的防火閥，節(jié)約成本。

2結(jié)論

    通過對化學(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計中所涉及到的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)型式、換氣次數(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)劃分原則、補風(fēng)處理、排風(fēng)凈化、噪聲、材料選擇和防火閥的設(shè)置等問題的分析可以看出，我國需要盡快出臺相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，明確實驗室設(shè)計中的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)，以便在實際項目設(shè)計中能夠具體操作。