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实验室空调与通风设计

2019年03月12日 热度:899 ℃

一、工程设计特点

  (1)农生组团为一个建筑群,空调系统按学院划分:①主楼(国家实验室)为集中冷热源、半集中式空调系统。办公室和普通实验室采用风机盘管加新风系统,洁净实验室采用全空气系统。②其他学院为自带冷热源的半集中式空调系统,新风集中处理;办公室采用集中新风加分体空调;普通实验室采用集中新风加变制冷剂流量空调系统。洁净实验室采用单元式直接蒸发空调机组(新风集中处理)。

  (2)洁净实验室净化空调有多种形式:①全新风净化空调系统设三级过滤,采用顶送风下排风,排风出口设净化处理装置。②循环风空调箱通过送风管,再经过ULPA过滤器或HEPA过滤器将空气送入洁净室,气流向下送入洁净间,再经竖直回风夹道进入吊顶回风。空气多次进入循环风空调箱过滤,使用不同类型的中高效过滤器,提供了节约成本和使用能源的选择。

  (3)根据甲方提供的实验室洁净度、实验内容、污染性以及房间正负压特性设计排风系统,并按类别排放废气。每个实验室的排风系统为独立系统,排风柜补风采用室外风,减少了空调负荷。

  (4)严格执行国家环境保护法,对有可能对环境造成污染的排风在排放前进行过滤处理,按排出气体的成分采取吸附、过滤、净化处理,使排出气体有害成分低于国家环保卫生要求。

  (5)采用DDC数字控制系统,提高楼宇智能化。

  设计参数与空调冷热负荷(一级标题)

  主要房间的室内空调供暖设计参数及通风换气参数见表1。

  表1主要房间的室内空调供暖设计参数及通风换气参数

  特殊实验室的(恒温恒湿,无菌,冻干,超净台)温湿度按校方要求,换气次数为10~25 h- (无菌操作间按万级,超净台按百级)。对温、湿度无工艺要求时室温为20~26℃,相对湿度小于70%。

  空调负荷:主楼冷负荷6 616 kW,热负荷2 043 kW;动物学院实验楼冷负荷3 200 kW,热负荷1 550 kW;农学院实验楼冷负荷4 060 kW,热负荷2 230 kW;环资学院实验楼冷负荷2 940 kW,热负荷l 600 kW。

  蒸汽用量:负担主楼空调换热用量约3.5t/h,用于所有空调机组加湿用量约2.9t/h,合计约6.4 t/h。

  二、空调系统设计

  (1)主楼(国家实验室)空调系统按办公区域与实验室区域划分,一层报告厅采用双风机全空气系统,其他房间均采用风盘加新风空调系统,每层按区域设两个新风系统;十二层使用功能相同且空气无污染的六间光室的新风机组为带热回收的机组。对有洁净度要求的实验室另设有带三级过滤的吊装或立式洁净空调机组。其他三个学院实验楼考虑与主楼冷热源机组距离较远,且运行时间各不相同,空调系统包括新风处理机均采用变制冷剂流量变频多联机和直接蒸发系统,新风机组每层分区设两台;同样对有洁净度要求的实验室另设有带三级过滤的吊装或立式直接蒸发式沽净空调机组;小开间办公室采用分体式空调机组。所有实验室的冷藏室、冷冻室均设置了拼装式冷库。所有新风机组、变制冷剂流量变频机组、拼装冷库室外机均安装在屋顶。

  (2)洁净实验室空调采用带有两级过滤的净化空调机组,粗效过滤器用易清洗更换的合成纤维过滤器,中效过滤器集中设置在空调机组的正压段,处理后的送风在进入房间时由高效空气过滤器或亚高效空气过滤单元过滤。洁净室应维持一定的正压。送风与排风管上安装变风量(VAV)装置,控制房间的压力梯度,洁净区与缓冲区之间的静压差不小于5Pa,洁净区与室外的静压差不小于10 Pa。

  (3)布置有局部百级超净实验台的个别实验室采用小型空调净化机组(吊顶内安装)和超小型净化单元与洁净层流罩的组合体。气流组织采用局部工作区空气净化和全室空气净化相结合的形式。

  无菌室应设有无菌操作间和缓冲间,无菌操作间洁净度应达到万级,室内温度保持在20℃~24℃,相对湿度保持在45%~60%。超净台洁净度应达到百级。

  (4)对有恒温、恒湿要求的实验室,采用带独立冷源的风冷恒温恒湿空调机组。机组设辅助电加热器,或设移动式除湿机,满足房间温湿度及干燥度的要求。对恒温恒湿要求不高的场所采用变制冷剂流量机组。空调系统及设备的选择具有经济实用、使用灵活、技术先进等特性。万级恒温恒湿洁净实验室的空调机组可布置在机房或吊顶上,通常需要的冷热量不是很大,系统的循环风量较大,可将回风分两路.一部分经盘管,另一部分与处理的空气混合,经过滤器送出(见图1 )。

  (5)低温库房是实验室的一部分,用于保存基础种质搜集品。有温、湿度要求。采用分体式制冷机组,配除霜设备、恒温控制器和高温报警器。库板为聚氨酯夹心板,蒸发器的风扇为低速风扇,风冷冷凝器安装在屋顶上,在缓冲间、冷库门口设风幕机。

  (6)普通实验室新风量按40 m3/(人·h)确定,特殊实验室按满足工艺要求,满足换气(一般20 m3/(m2·h))以及压力梯度要求确定。

三、通风系统

  实验室通风设计与舒适性空调系统的通风设计是有区别的。实验室通风设计有实验用的通风柜排风和室内平时排风两种,通风柜排出实验中产生的有害气体(臭气、湿气以及易燃、易爆、腐蚀性气体)。以前通风柜是作为实验台的辅助设备,而目前实验台上进行的实验逐渐转移到了通风柜内,使用台数的日益增多,就要求通风柜具有最适于实验使用的功能,要求通风柜具有排放功能、小倒流功能、隔离功能、补风功能等,不只是提供舒适的工作环境,减少人员暴露在危险空气下的可能,还要保证工作人员的身体健康,不造成伤害。通风柜的类别很多,包括中央实验台、边台、药品柜、器皿柜等,这些通风柜是实验室设备中最重要的设备。但它并不是室内唯一的排风装置,实验室还有平时排风口,布置在仪器室或产生危险物质的仪器上方。

  (1)实验室通风系统的设置原则是有毒、无毒分开排放,有机物、无机物分开排放。根据各学院实验室的实际情况,每个实验室排风系统基本是单独设置的,少部分实验室排风系统是同层相同功能房间的多台并联系统。

  (2)实验室通风柜排风与室内排风共用一套排风系统(风管及风机)。风机风速有三挡(或为变频风机),低速时为室内平时排风(换气次数见室内设计参数),中速时为通风柜排风(1600m3/(台· h)),高速为室内平时排风加通风柜排风。风机设置在屋面,排风管为负压,完全避免有害气体在室内泄露。

  (3)各通风系统均配有排风补风系统。低速排风时的补风由室内人员新风补充。通风柜补风量大,为避免大量抽用房间内空气,造成能源的浪费,采用了带补风的通风柜,补风由室外直接供给。补风管设电动风阀,与通风柜排风联动,通风柜排风时抽吸室外风补风。补风在柜内循环后排排除室外,设计中大部分通风柜选用了上部排风和通风柜后侧补风的形式。虽然在控制上复杂一些,但为今后使用提供了便利。图2为实验室排风与通风示意图。

  (4)对通风柜操作面的吸入风速进行控制,防止有害气体逸出。对一般无毒的污染物风速控制为0.25~0.38m/s。对一般无毒的危险的有害物风速控制为0.4~0.5 m/s,剧毒或有少量放射性物质风速控制为0.5~0.6m/s。为了确保通风顺畅,排风机应有必要的静压。另外,确定排风风速时还必须注意噪声问题,通风管道内流速以5~8m/s为限。

(5)洁净实验室的通风设计如下:

  ① 对有洁净等级要求的正压实验室、回风与经过集中处理的新风混合后进入空调机组的洁净实验室,机组内设中效过滤,房间送风口设高效送风口,回风口处设空气阻尼层,气流组织采用上送侧回;通过调节回风阻尼层阻力调节回风量,以实现对洁净室的正压控制。在机组新风入口处设电动风阀,与洁净空调机组联锁。洁净实验室送风量通过缓冲间压出,在缓冲间外的实验室房间常配有通风柜排风和房间排风,满足各房间的压力梯度。

  ② 对有洁净等级要求的负压实验室,如动科院寄生虫实验室的细胞培养室,既要保证洁净,又要保持负压。送入洁净间的风量为此房间排风量的70%~80%,并加定风量阀锁定送风量。排风机与空调机联锁运行,排风口处加定风量阀,以满足实验室压力梯度的要求。另外,与正压实验室不同的是负压洁净实验室外的房间内仍要保证为同洁净等级,因此洁净空调其余20%~30%的风量送至实验室辅助房间、非实验区域,使气流流向从安全区到产生危险物质的实验房间,既保证污染源不泄漏,又保证了实验室的洁净等级。

  (6)一些有特殊排风要求的实验室(例如有药品柜、安全柜的实验室),其排风机配置变频器,实现24小时不间断排放。而一般实验室房间排风均为负压,压差约5Pa。

  (7)有的通风柜内需要安置电炉,有的实验产生的大量酸碱有害有毒气体具有极强的腐蚀性,通风柜的台面、衬板、侧板都应具有防腐功能。使用硫酸、硝酸、氢氟酸等强酸的场合,还要求通风柜的整体材料必须防酸碱,须采用不锈钢或玻璃钢材料制造。风柜内衬板材质采用环氧树脂板。

  (8)实验室的A声级噪声限制值为50dB,增加管道截面尺寸可以降低噪声,考虑到管道的经费和施工问题,大部分风量为1600m3/h的通风柜与实验室房间的管道、有平时排风要求的竖井的截面尺寸多数为350×400mm。

  (9)实验室排出的有毒和酸碱腐蚀性极强的气体会对环境造成污染,在排入大气前根据气体的成分采取吸取、过滤等措施对其进行净化处理,使排出气体有害成分低于国家环保卫生要求。例如动物房的气体经过粗效和中效过滤后,直接排入大气,排出口应高出顶部3m以上。

  (10)洁净实验室事故排风换气次数为12 h-。事故排风装置的控制开关应分别设在洁净室和室外便于操作的地点,并应与净化空调机联锁,室内宜设报警装置。

  (11)对需要氢气、乙炔和燃气的实验室,要作好房间内的通风。当实验房间没有可开启外窗时还要设置燃气泄漏报警装置(防爆型)和事故排风(换气次数为12 h-),控制开关设在实验室便于操作的地点。

  (12)空压机房设通风,保证站内设计温度低于40℃。2台空压机共用1个排风管,排热至室外,空压机进风口与冷却用空气均来自室外新风。

  (13)整个实验室虽然设置通风柜多达550台以上。但资料和经验表明100台通风柜中99%的时间只有18个或更少的在使用,尤其是当实验室不同时使用或学校放假期间,使用数量会更少,所以,不用担心通风柜带来巨大的能耗。

  (14)对竖向设置的发热量较大的网络机房设竖向集中排风,可有效控制服务器机房的温度。

  四、气体输送系统

  (1)实验室需用气体种类繁多,集中供应的气体有压缩空气、氮气、蒸汽等。其余气体分散瓶装供应。但洁净房间使用的气体均通过管道进入,在洁净室预留进房间的管道,气瓶放置在洁净室外。

  (2)地下室动力机房有空压机、制氮机、真空泵及配套设备等设备机房,压缩空气取风来自进风井(确保空气洁净),真空泵排气经水箱过滤及消毒排至安全处。气体管道经过滤器至各实验室入口。

  (3)空压站配置远程通讯管理系统,可实时了解空压机的运行信息,并根据用气量随时重新设置参数,及时加载/卸载并监控能耗。

  结论与建议(一级标题)

  (1)设计前期,要对甲方资料进行整理,详细了解实验室工艺要求,需收集的资料有:实验室类型,洁净级别,安全性,是否有通风柜,是否有平时排风;做实验时,哪些办公室与实验室同时使用,是否为正压、负压或普通试验室;工作时段(按8h/d,12h/d,24h/d),不能间断工作的实验室,实验室使用间隔时间;哪些是属正常工作时间段的行政办公室,一般办公室,会议室;细致了解实验人员的要求,必要时进行参观与调研。这些资料与负荷有关,与新风量计算有关,与系统分类、系统分区有关,与机组的功能段、外形尺寸、机房位置、过滤器的级别有关,与风量、风压等有关,便于设计时按功能、运行时段对系统进行划分。

  (2)了解实验室通风柜的功能,按排放气体和实验室进行通风系统设计。对实验室房间内通风的安全性要足够重视。通风柜的集尘捕捉能力要符合现行标准和规定,保证一定数量的换气次数,让送风气流流向实验室,保持实验室负压。另外,为实验人员创造舒适的工作环境,降低噪声。系统要容易控制,易于管理,能稳定、低能耗运行。

  (3)在计算房间空调负荷时,应考虑由于排风及室外风作为补风所带来的能耗损失。因此,空调房间内通风柜数量必须考虑。

  (4)有洁净要求的空调机组,粗效空气过滤器不能用浸油式,中效过滤器集中设置在空气调机组的正压段,在净化房问设高效过滤进风口。选择时中效及高效空气过滤器按额定风量选择,阻力、效率相近的高效空气过滤器设置在同一洁净室内,高效空气过滤器的安装应简便可靠,宜于检漏和更换。洁净空调机组的送风机要按净化空调系统的总送风量和总阻力值进行选择。中效、高效空气过滤器的阻力按其初阻力的2倍考虑取值。设计净化空调系统时还要注意:回、排风口风速≤1m/s,回、排风支管风速≤3m/s,回风总管风速≤3~4 m/s;表冷器的迎面风速空凋机组≤2.2m/s,新风机组≤2.5m/s;对送风装置,高效过滤器送风口实际风量应小于样本给出的风量值;选用定风量控制器时,应注意同一位置上只能使用同一规格的定风量控制器。

  (5)通风柜运行时与周围的环境会相互影响。选择通风柜时,要考虑实验室的空间、通风柜的摆放,根据实验内容选择其外形尺寸,体积太大造成浪费,过小则影响使用。通风柜还要远离空气扰动大的地方,远离送风口,避免造成能源浪费。排风管道的没计原则是管内为负压,防止管道废气泄漏,排风管长度越短越好,而且一台风机连接的通风柜越少越好。排风通道尽可能竖直布置,通道越高越好。如需改变风道风速.则应配置相应的变频调节系统。注意排风通道的末端应避开补风管道送气口。

  (6)通风柜也有其标准。通风柜的选择除满足排风和捕捉能力外,还要能根据调节门开度改变排风量,维持表面风速恒定在0.5m/s;在安装调试时应按柜门位移为信号来确定排风量,接受调节门感应器信号后可以计算调节门开启面积(风量),送风量跟随排风量即刻变化。实验室内压力梯度控制和最小通风量的控制也是很关键的,否则也会导致通风柜排风不稳定。

  (7)实验室有空调时,尽量选用有补风的通风柜,从节能角度应推广。

  (8)电气系统的选择要考虑规格型号、电压大小、防爆性、耐用性。

  (9)确定排风机的功率时应考虑室外排风过滤装置的阻力。

  (10)除对办公层按规定设置卫生问排风外,还要根据各层及全楼风平衡,在各层公共区域(如走道)设置必要的集中排风系统。

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