某医院实验区暖通设计实例

    随着国家经济的快速发展，生产和生活技术日益更新，越来越多的大企业、知名企业对生产技术提出了更高的要求。本项目位于上海浦东区，业主为某医院。本设计为5～10层的实验室通风设计，总面积约为5 000 m²，实验室由普通实验室、动物房实验室、洁净实验室几部分组成。空调箱、排风机设备放置在屋顶，排风经过处理后高位排放。本文主要对实验室的通风设计进行介绍。

1  设计原则

实验室通风设计首先要保证实验室安全。

定风量CAV空调通风系统：通过定风量阀门和调节变频风机来保证房间相对负压恒定，其优点为控制方便、造价低，但不够节能。

变风量VAV空调通风系统：风量通过通风柜操作门位置的改变呈线性变化，空调送风量维持室内相对负压而随排风量自动调节，既满足实验室的安全性要求，又适合通风柜的风量变化。

双稳态空调系统：通风柜的排风量只有高、低风量两种状态，较多地用于变风量型通风柜值班和操作切换工况，调节性能和投资费用介于定风量和变风量之间。

本项目设计思路：首先根据工艺要求和功能布局、建筑底图确定通风柜、万向罩、试剂柜等数量，其次计算校核房间的换气次数。当换气次数小于等于10 ACH或者排风系统最大、最小换气次数接近时，使用定风量阀门，降低初步投资；当换气次数远大于10 ACH时，可结合初投资运行费进行经济性比较，使用变风量系统或双稳态系统。为了控制系统的稳定性和可靠性，定风量、变风量阀门选用压力变化无关型，变风量型通风柜风量的测定和控制以柜门位移为信号，控制范围精确调节比为10∶1，系统响应时间为1～2 s，房间压力控制采用直接压力控制，风管内定、变风量阀门产生的压力波动在150～750 Pa之间，排风量文丘里阀门需要选用酚醛涂层和不锈钢无孔扩散段，增强防腐性能。

2  工程特色及难点

实验室空气中一般都含有对人体有害的物质，需要排至室外，排风根据具体情况处理后再排放。

空调系统采用直流系统，运行过程中会浪费很多能源，不利于节能。为避免交叉污染，本项目采用乙二醇热回收的方式。整个6层实验室大部分房间有不同的排风设备，比如通风柜、安全柜、万向罩、试剂柜、设备排热等。通风柜排风是变化的，安全柜、万向罩、设备排热、试剂柜排风是固定的。另外，在设备不排风时，需要保持人员及实验室洁净需求的换气次数。实验室变风量、定风量和局部排风量会给房间带来风量平衡、压力控制、温湿度控制等问题。

3  设计依据及标准

设计需依据上海的气象参数。

洁净区细胞培养：温度20～24 ℃，湿度45%～65%，人员新风40 CMH，洁净级别C级，最小换气次数20 ACH。

洁净区分子实验室、动物房：温度20～24 ℃，湿度45%～65%，人员新风 40 CMH，洁净级别7级，最小换气次数15 ACH。

敞开实验室等：温度18～25 ℃，湿度35%～65%，人员新风40 CMH，洁净级别NC级，最小换气次数6 ACH。

4  空调系统

4.1  空调系统概述

空调系统采用全空气系统，由于实验室通风柜、试剂柜、万向罩等排风设备比较多，排风量也较大，当系统运行时可能会引起室内的温湿度、压力波动。为保证实验室房间的温湿度、压力等参数波动稳定，整个实验室采用送风变风量阀门控制，根据排风需要将排风相应地改为定风量或变风量阀门控制。比如，通风柜排风采用变风量阀门控制，万向罩试剂柜等采用定风量阀门控制，房间排风可以根据具体情况而定，不过至少也要做到定风量阀门控制，否则不利于整个系统调试和风量平衡控制。

根据ASHRAE要求，实验室实际换气次数与通风柜数量、风量、开启台数有关，同时房间最小换气次数要求满足6～10 ACH，实验室无人时可以减少至4～6 ACH。另外，实验室通风柜排风不作为室内排风设施，当其关闭时考虑到200 CMH的排风量足够，不能作为0 CMH考虑。

实验室噪声要求：为了给实验人员提供安静、舒适的工作环境，房间噪声应该控制在45 dB以内，因此排风机、空调箱、站房等有震动的设备应尽量远离室内，有条件的最好  在风管上做好降噪措施，其他部分设备也需做好减震措施。

通风柜有标准型、旁通型、变风量型、补风量型几种，能够有效吸收实验产生的有害气体，维持实验室的卫生，保护实验室人员的健康，具有高度的安全性、操作性和节能性。

根据长度，可将通风柜分为1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm和1 800 mm等不同类型，类型不同，所对应的风量也不同，在实际选用时，需要弄清业主的需求。

通风柜最小吸风面风速：国内标准对人体无害但有污染的风速为0.3/0.4 m/s；轻度、中度或有害、有危险的风速为0.4/0.5 m/s；有极度危害或释放少量放射性有害物质的风速为0.5/0.7 m/s。国外标准低于国内标准，因为国外设备测试的环境与国内不同，国外比较严格，因此不同项目的设计标准需要在计算开始时与业主讨论确定。本项目使用国内标准。

4.2  空调箱功能段组成

细胞培养、重点实验室的洁净区空调采用净化循环空调箱，同时设置送排风乙二醇热回收系统，以便达到节能的目的。新风量满足人员卫生、工艺排风要求及房间压力要求。回排风口置于对人员及产品无影响的区域，送风口根据需求，比如细胞培养等有洁净等级的需求设计H13高效送风。AHU设置蒸汽加湿段、表冷段、加热段，用于控制房间温度和保证湿度不低于下限值。循环空调箱由新回风混合段、初中效过滤段G4＋F6、乙二醇回收段、表冷盘管段、加热盘管段、风机段、中效段F9、消声段、干蒸汽加湿段组成。排风需高出屋面6 m排放。

洁净室（除潮湿房间）空调送风采用吊顶高效送风口，回风和排风采用单层百叶下侧，保证良好的气流组织。对于洁净区潮湿房间，空调送风采用吊顶高效送风口，回风和排风采用吊顶单层百叶，以避免工作区潮湿产生的微生物返回空调系统。洁净室房间送回排支管均设置CAV/VAV阀门，以满足房间的压差要求，房间压力通过VAV控制，空调系统为变风量系统。实验区采用直流式全新风空调系统，同时设置送排风乙二醇热回收系统，以便达到节能的目的。新风量满足人员卫生、工艺排风要求及房间压力要求。回排风口置于对人员及产品无影响的区域，AHU设置蒸汽加湿段、表冷段、加热段，用于控制房间温度和保证湿度不低于下限值。直流空调箱由新风段、初中效过滤段G4＋F6、乙二醇回收段、表冷盘管段、加热盘管段、风机段、中效段F9、消声段、干蒸汽加湿段组成。

5  房间风量计算注意事项

计算房间风量时应该注意以下几点：①通风柜排风最大值和最小值需根据通风柜操作面的面积计算，如果通风柜厂家提供了参数，则可以参考使用。②烘箱、万向罩、试剂柜等排风设备需要由供应商提供准确的数值。如果设计初期没法提供，可以按照150～200 CMH估算。③通风柜面风速一般为80～120 fpm，本项目取100 fpm，0.5 m/s。面风速过低会导致有害气体外溢，过高会导致通风柜内部产生乱流，从而溢出通风柜危害实验人员，同时过大的排风量不利于节能。④最小换气次数需要根据具体房间及房间设施危险等级来定。⑤房间处于负压，房间风量平衡很重要，比如房间与走道之间的压差、房间内部通风柜与房间的压差等。

6  本项目实验室安全控制及要求

本次项目包含动物实验室部分，这部分比较特殊，根据国家动物实验室规范，需要对温湿度及压差梯度进行控制。

不同动物对温湿度有不同的要求，此次啮齿类动物温度要求为20～25 ℃，温度变化范围为±1 ℃，因此设计温度定为22 ℃±1 ℃；适当的温度下可以接受的湿度要求为40%～70%，因此设计湿度定为50%为宜。动物实验室的换气次数稍微高于普通实验室，在10～20 ACH，压差范围一般在25～50 Pa；压差梯度很重要，需从清洁向污染的方向流动，通过各个房间的风量平衡控制气流方向。

动物实验室洁净等级定义为7级（动物实验室的等级一般在7～8级）；氨气浓度14 mg/m³，噪声≤60 dB，空调系统运行状况24 h。

独立双风机系统：房间送风管和排风管上安装定风量文丘里阀门，根据确定的房间换气次数和余风量调整送风量和排风量；IVC的排风管上安装定风量笼架阀。

7  总结

对于洁净的实验室、动物房，整个空调系统的风量平衡很重要，需要业主提供工艺设备的排风数据。工艺设备散热散湿不可忽视，压差梯度及换气次数是实验室洁净度的保证，热交换很有必要。动物实验室设计需谨慎，温湿度、压差梯度、气流方向、换气次数、系统风量平衡一个都不能忽视。

参考文献：

［1］实验室生物安全手册（2016版）［M］.北京：人民卫生出版社，2016.

［2］陈培聪.探析实验室暖通变风量的控制及暖通空调的设计［J］.科学与财富，2016（8）.

［3］中国建筑科学研究院.GB 50447—2008 实验动物设施建筑技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［4］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

〔编辑：刘晓芳〕