浅谈实验室通风空调节能设计

我国的工业建筑的面积规模已位于世界前列，并每年以一定的速度增长，节能设计已是建筑设计中需要考虑的重要问题。工业建筑以满足工艺需求为主，设计人员在设计前，应充分与工艺专业沟通，做到满足工业需求但又不浪费能耗。节能不仅是每个设计者的理念，也是国家的规范要求，【工业建筑节能设计统一标准】GB 51245-2017已于2017年5月27日发布，并在2018年1月1日开始实施，设计过程中应有效遵守国家标准。

在实验室排风设计过程中，换气次数是较重要的设计参数，换气次数影响到实验室的排风量、补风量及设备的选型，因此，在设计过程中，换气次数显得尤为重要。当实验室设计全面排风时，有条件时宜根据稀释或消除室内的有害气体或有害物质所需要的通风换气量确定。当无计算条件时，一般实验室房间换气次数宜为不小于4次/h；有轻度污染的实验室房间换气次数宜为6次/h-8次/h；有大量污染的实验室房间换气次数宜为8次/h-12次/h。设计过程中，可综合实验室的性质，污染程度等选择合理的换气次数，达到既能满足实验室的工艺要求，又能达到节能效果。

在排风系统设计过程中，如果局部排风能满足工艺要求，尽量采用局部排风，减少全面排风的设计，相对于全面排风而言，局部排风效率更高。例如，在高温实验室的马弗炉上设计钢制抽气罩，可避免高温废气扩散至吊顶；实验室气相色谱、液相色谱等实验室仪器上设置万向抽气罩，保证仪器内的废气排出即可排出室外；配置溶液时，设置通风柜，保证易挥发的实验室溶剂不溢出到室内。

合理的气流组织能提高排风效率。可根据实验室的工艺布局，合理布置排风口及送风口，根据污染物的浓度，采取上排风或者下排风，例如，污染物密度比空气密度小时，采用上排风；污染物密度比空气密度大时，采用下排风，多个排风口排风效率高于单个排风口。

通风柜是实验室通风设计中不可或缺的一个组成部分。为保护实验室工作人员不吸入或咽入一些有毒的、可致病的或毒性不明的化学物质和有机体，实验室内设置通风柜。目前实验室运用的有台式通风柜、落地通风柜、补风型通风柜等。当通风柜设置于供暖或对温、湿度有控制要求的房间内时，为节约供暖或空调能耗，可采用补风型通风柜。从工作孔上部送入取自室外（或相邻房间）的补给风，补风量约为排风量的70%~75%。独特的内补风结构和先进的导流设计比传统定风量排风柜减少了82%的进风量，减少了大量空调新风能耗；比变风量排风柜节能70%。补风型通风柜与普通台式通风柜排风量如下：

实验室通风空调70%的能耗来源于新风能耗，合理的新风系统划分，能有效降低能耗。在实验室新风系统设计时，可根据实验室的工艺需求合理划分新风系统，无温湿度要求的实验室可采用自然补风，温湿度要求相近的实验室可共用新风系统，特殊温湿度要求的实验室单独设置新风系统，如恒温恒湿实验室，夏季相对湿度要求较低的实验室。需要注意的是，由于实验室新风量较大，实验室内受室外气象条件影响较大，在高温高湿地区需考虑新风系统夏季除湿问题，如南宁、广州、海南等地，北方比较干燥地区，需考虑冬季加湿问题。

台式通风柜上安装变风量控制系统，该系统由阀门、位移传感器、通风柜控制器、红外传感器、通风柜自动升降系统组成。采用位移检测方式对通风柜面风速进行控制，通风柜控制器接收位移传感器的位移信号计算通风柜排风量，控制通风柜排风阀的风量，保持通风柜面风速在设定值。当通风柜门关闭后，风量阀要维持通风柜的最小排风量,以满足实际要求。有人时控制面风速0.5m/s，无人时自动切换至0.3m/s。通风柜的排风量随着操作视窗的高度实时变化，通风柜前有实验人员在做实验室时，通风柜视窗开启到安全高度（一般为500mm）,排风量较大；通风柜前无人操作时，通风柜面风速自动切换到低风速运行，且操作视窗自动下降到最低高度。由于落地通风柜视窗较高，面风速较难控制恒定，落地通风柜可采用双态控制，当落地通风柜前无人操作且通风柜内仪器在运行时，通风柜可低态排风；当落地通风柜前有人在操作时，可切换到高态排风。通风柜变风量控制，能根据操作人员的使用状态改变排风量，达到节能的效果。

实验室补风控制由排风阀、补风阀、房间控制器组成。以单个实验室为控制对象，将实验室内每个排风阀的排风信号接入房间控制器，房间控制器根据输入的排风信号计算出新风量并反馈到送风阀，送风阀根据送风量调节阀门，改变新风量。送排风联动，可根据排风量确定新风量，新风量随排风量的变化而变化。

为满足末端的变风量需求，实验室的新、排风机一般采用变频控制，这也是节能的方式之一。除排风机变频之外，还可以考虑工作模式及夜间模式下的切换运行减少排/补风量。实验室要求24小时排风，工作时间实验室内的换气次数按设计相对较高，夜间无人时，可考虑夜间模式，换气次数相对较低，一般为2次/h-3次/h。夜间排风机低速运行，实验室内排风量较小，实验室内仪器没有温湿度要求，可考虑通过门缝补风，即夜间状态下，排风低态运行，补风关闭。

空调系统上常用的热回收装置，目前主要有转轮式热回收技术、板式热回收技术、乙二醇热回收技术、热管热回收技术。

转轮热回收技术由于结构的原因，不能完全隔绝新风与排风之间的质交换，排风与新风间总有一定量的渗漏，往往将排风中的有害物质带入新风系统中，存在交叉污染的风险。

板式热回收技术分为两种，一种是全热回收，芯体采用非金属材料，存在细小孔隙。同样会将排风中的有害物质带入新风系统中，同样存在交叉污染的风险。另一种是显热回收，芯体采用金属材料分隔，没有交叉污染。但其热量只是通过金属隔板传递，效率不高。板式热交换还存在一个较大的缺点，显热板式换热器是一个整体式装置，运行时需要将新风管与排风管布置在一起进行热交换，一般情况下，新风机组位于空调机房，而排风位于屋顶，因此系统风管布置困难。

乙二醇热回收属于显热回收，可做成分体式，在新风机组与排风机组内分别设置换热盘管，用管道连接。分体式对新风机组、排风机组的位置没有要求。但是由于传热效率低，投资回报率很差。

热管是一种利用工质如氨、氟利昂的相变进行热交换的换热元件，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过几乎所有金属的导热能力。热管一般由管壳、吸液芯和工质组成。热管的工作段可分为吸热段、绝热段和放热段三部分。热管管壳材料有铜、铝、碳钢或不锈钢材料组成，两头密封经抽真空后填充相变工质制成，在工作室处于液相和气相两种状态。

根据实验室的特性和设备的布置，可采用分体式热管技术应用于排风能量的回收，可实现远距离能量传输，实现高效热回收，且可实现一对多，多对多系统的回收。分体式结构设计，不受新风、排风口位置限制，不受安装空间、安装尺寸限制，新风端、排风端可任意布置，距离可长可短。没有空气交叉污染，新风与排风分别走不同的通道，只有热量的传递，而没有新风与排风的直接接触。

随着实验室的发展，无吊顶实验室概念已经普遍应用于现代实验室建设中，无吊顶实验室对施工要求非常高，但是对于暖通设备的运行维护非常方便。但是这一类实验室也有一定的弊端，一般实验室由于管道较多，层高一般在4.5m-4.8m，相对于有吊顶的实验室（一般情况下，实验室吊顶在2.6m-3m）无吊顶实验室的排风量较大,这是不节能的一种方式。在无吊顶实验室设计时，需综合考虑设备维护、美观、节能问题。

总体来说，节能设计是通风空调设计中的重要组成部分，设计人员应增强节能设计意识，重视节能设计，最大程度的设计节能高效的通风空调系统。