某高校实验室通风空调系统设计分析

实验室的通风空调系统是整个实验室设计和建设过程中，规模最大、影响最深、最需要精细化考虑的建筑设备系统之一。通风空调系统是否布置合理，直接对实验室的环境以及实验人员的身体健康、实验仪器设备的运行维护等方面产生重要影响。实验室出现过多的负压，气体泄漏，实验室噪音等问题，会严重影响实验操作的正常进行以及人员的工作状态。一个合理的通风空调系统要求环境控制效果好、噪音低、节省能耗、安装运行成本低，最为重要的是要求室内压差范围和温湿度都能保持进行实验的要求，并兼顾人体的舒适性要求。实验室的通风空调系统设计和布置方式与普通的民用建筑既有相同点，但在设计细节和具体布置方式上有其独特之处，尤其体现在对污染物的收集方式和处理方式的考虑上。现在大多数工程中，实验室多采用净化空调系统来进行室内环境的控制。
1 实验室通风空调系统常用方案
为了使实验室内保持所需要的温度湿度、风速、压力和洁净度等参数，最常用的方法是向室内不断地送入一定量，经过处理的空气，以消除实验室内外各种各样的余热余湿量及污染物质。为获得满足可送入实验室环境要求的，具有一定热湿状态的空气，就需要一整套设备对送入的新鲜空气进行相应的热湿处理，不断地送入室内，又不断地从室内排出空气，作为排风，并将排风进行合理的净化处理，满足室内基本卫生条件和污染物排放标准的要求。
这一整套设备就构成了净化空调系统，该类空调系统一般由下列设备和管路系统构成：
（1）进行热湿处理的空调机组以及相应的空气净化设备；
（2）将处理后的空气送入各个实验室并使之循环的空气输送设备及其管路系统；
（3）向系统提供冷热量的热源、冷源及其附属的管路系统；
（4）配属于热源、冷源的热交换设备及其附件。
2 实验室通风空调系统具体布置方法
现以某高校的食品科学与工程实验中心的通风空调系统设计方案为例，说明实验室通风空调系统的具体布置方法。
该实验室的通风空调系统为集中式洁净空调系统。在该实验室中，又划分出多个单体隔间实验室，作为各个实验流程专属的操作场。所需的空气净化设备和制冷机组都集中布置在专门的机房内，用送风管道将洁净处理后的空气配给各个单体实验室，以下介绍该系统具体的布置方式。
2.1排风系统
通风方式又有局部排风和全面排风之分，当污染物集中于某处发生时，局部排风能有效的治理污染物对环境危害。如果在实验室采用全面通风方式，反而会使污染物在实验室内扩散，严重危及操作人员身心健康，起不到控制污染物扩散的效果，并且当污染物发生量大时，所需的稀释通风量也会较大，使得设备及管路规格尺寸过大，在实际布置上存在困难，难于实现。故为保证控制效果，且考虑设备和管路布置方便，该实验室通风系统设置为局部排风的排风系统。
该实验室内，由于科研活动经常开展，一般进行生物化学类的实验，其产生的有害气体较多，且污染源分布较为分散，所以在每个试验台都设置了排风罩口，以有效地控制污染源。排风罩口的设置形式依据所进行的实验的种类和特点，排风风道按污染物危害类别汇流，分别进入相应的净化装置，处理至符合排放标准的状态，然后排往设置于实验室楼顶的风帽出口。
该实验室的回风口设置形式较为多样，主要依据实验需要和污染气体产生机理而设置。回风口形式有外部吸气罩、百叶形式回风口或依据试验平台外廓设置的通风柜，同时也存在一些个性化的排风口，不过其尺寸比较小。局部排风罩适用性很广，在设计时应根据具体情况设计排风罩。大多要求吸气气流的运动方向应尽可能与污染气流运动方向一致，并且要求已被污染的吸气气流不能通过操作人员的呼吸区域。
2.2送风系统
实验室由于布置了较多排风口，留给进风口布置空间不多，故实验室进风口设置于进门处，一次性送入所需的空气。
空调机组是由各种空气处理功能段组装而成的空气处理设备，机组功能段有：空气混合均流、进行过滤、冷却或者加热、去湿或者加湿、风机提供动力、喷水、消声处理。由于实验室洁净度要求，该类拥有实验室通风空调系统的空调机组一般不采用回风，故不设置热回收功能段。空调季时，空气通过运行的空调机组进行热湿处理，过滤器多级过滤；其余时间里空调机组停机，空气通过过滤器多级过滤直接送入室内。空调进风通过设置在实验室的进风口一次性送入实验室内。
空调季节时，空调机组运行，内设有喷水室，以对新风进行热湿处理，从而达到送风状态。喷水室是一种多功能的空气调节设备，是空调机组的核心功能段之一，可对空气进行加热、冷却、加湿及减湿等多种处理过程。喷水室中的水来自冷水系统，为制冷机组中蒸发器出水，水系统通过高位膨胀水箱定压，进出水经过分集水器进行分配，维持水系统的压力稳定，并保证系统的水力平衡。喷水室的主要优点是能够实现多种空气热湿处理过程，并且具有一定的净化空气能力，金属耗量比较少，但是，它也有对水质的要求较高需要设置专门的过滤净化装置、占地面积较大、水泵耗能多等缺点。
在空调机组前后，都要设置相应的空气过滤器。空气过滤器是通过多孔过滤材料的作用从气固两相流中捕集粉尘，并使气体得以净化的设备。它把含尘量低的空气净化处理后送入室内，以保证实验室内的空气洁净度。
2.3排风的净化处理
通过排风系统收集污染烟气后，按照收集的污染烟气的物理化学性质，进行系统划分，分别进行处理。该实验室烟气处理方式有活性炭吸附和化学药剂洗涤两种方式。
活性炭吸附属于物理吸收，其比表面积大，活性强，吸收效果良好，主要吸收排风中的颗粒物以及气溶胶类污染物。
化学药剂洗涤属于化学吸附，主要吸收排风中的有毒有害气体。化学吸附的吸收效率要比物理吸收高，特别是在处理低浓度气体时尤为明显。使有害气体达到排放标准，常采用化学吸附。
烟气的处理装置也设置于该实验室的顶端，两类烟气分别处理后，分别经由终端风机排至顶端风帽出口处排风。
3 冷源系统的具体布置方法
该实验室通风空调系统的冷源系统由冷水系统、制冷机组构成，它们和空调机组设置于专门的机房中，以上系统进出口必要处设有软连接，以抵消设备工作产生的不稳定应力。
制冷机组由压缩机、冷凝器、节流膨胀阀、蒸发器和必要的控制系统组成。冷水系统主要由两部分组成，分别是冷冻水循环系统和冷却水循环系统。冷冻水循环系统由冷冻水泵、过滤器和冷冻水管道组成。冷却水循环系统由冷却水泵、冷却塔、过滤器和冷却水管道组成。
冷冻水在蒸发器中降温成为低温冷冻水，之后由冷冻水泵加压送入冷水管道出水，进入空调机组进行热湿交换，带走余热量，最后回到蒸发器，重新降温。冷冻水循环系统进行热湿交换的同时，带走大量的热量，该热量通过制冷机组内的冷媒传递给在冷凝器侧的冷却水，使冷却水温度升高，冷却水升温后，由冷却水泵升压进入冷却水塔，与大气进行热交换，降低温度后再送回冷凝器。
对于制冷机组，其主要功能是带出实验室内热负荷，向房间提供足够的冷量，以下介绍其组成部件的具体功能：
（1）制冷压缩机是制冷机组中最核心的设备，是制冷机组循环的动力源。制冷剂蒸气从低压态升为高压态、循环流动输送，主要依靠制冷压缩机得以实现。制冷压缩机从蒸发器中吸取制冷剂蒸气，从容保证蒸发器内具有适宜蒸发压力；然后将低温低压的制冷剂蒸气压缩成为高温高压的过热蒸气，以创造在较高室外温度下冷凝的温度和压力条件。
（2）该实验室的通风空调系统设计采用的冷凝器为水冷却式，在该凝器中，制冷剂在内侧冷凝放热，放出的热量被外侧冷却水带走，冷却水可以循环使用。
（3）节流膨胀阀起节流降压的作用，经冷凝器冷凝后的较高温高压的制冷剂液体经过节流膨胀阀时，因受到节流膨胀阀的阻力作用，从而使压力下降，导致部分制冷剂液体气化，同时也要吸收气化潜热，导致制冷剂蒸汽的温度也相应下降，成为低温低压的湿蒸汽，然后进入蒸发器。
（4）蒸发器的作用是低压低温的制冷剂液体通过蒸发器，在一定蒸发压力下蒸发，同时与外侧的冷冻水进行热交换，使之降温，从而达到制冷的效果。
4 总结
在环保观念越来越深入时代下，实验室的通风空调系统设计方法应有所提高。在保证实验室安全实验活动的前提下，尽量减少对外界的污染，通过设计方案的合理规划，提高通风空调系统控制效果。就如该高校的实验室中的送排风口布置和设备布置就充分考虑了所控制区域的特殊环境要求，有效地控制污染物，使其能够及时排出实验室，并得到相应的处理。