实验室通风系统的设计与测试
高校实验室的废气处理一般是采用通风系统排入空气中的方法,高浓度废气则需要用适当的化学吸收处理后,再由通风系统排入大气。在进行实验时,有毒废气对实验室内人员的身体会产生毒害作用。采用通风系统把有毒气体排出室外是解决问题的有效途径。许多高校在实验室的通风系统设计或改建过程中,经常遇到换气量和噪音的矛盾。换气量过大,实验室内噪声超标;降低噪声,往往又达不到有效的换气量,使得通风系统形同虚设。我校新建的解剖学实验室和分析实验室就存在上述问题。笔者在改建通风系统的过程中,采用合理的计算方法,改进了原设计方案,总结出一种实验室通风系统的设计思路。
1 实验室换气量的计算
根据实验中有害气体的散逸程度,换气速度大体可选在10—20次/H。在废气对人体危害程度不高,且散逸不严重的情况下,可选10次/H,如低于10次,则不能有效的排除室内废气。如换气量过大,则室内噪声加大。我们在设计中,分析实验室选用换气速度为14次/H,解剖学实验室选用换气速度
为18次/H,换气效果良好:室内无异味,室内噪声均低于55分贝。
换气量计算方法:
换气量=室内有效空间×换气次数/H室内有效空间=室内容积-室内设施体积:
以我校分析实验室和解剖学实验室为例说明:两个实验室的有效空间均为:长×宽×高-室内设施体积=250立方米。
根据废气的有害程度,设计分析实验室换气速度为15次/H。则换气量=250×15=3750立方米/H。即每小时排出的空气体积为3750立方米
解剖学实验室换气速度为18次/H,则换气量=250×18=4500立方米/H。即每小时排出的空气为4500立方米。
计算出的换气量,可以作为通风系统的总体设计以及排气管道、风机选用的依据。
2 整体设计
通风系统的整体设计,。首先应考虑有效排气和噪声干扰这两大互相制约因素的影响,同时还应该注意实验室的功能要求和室内布局的美观。风机的安装位置一般有室内和楼顶两种。一般来说,风机安装在楼顶不仅可以节省实验室的有效空间,避免风机噪音直接干扰,还可以有效排放有害气体,并且方便安装。因此,应把风机安装于楼顶。
当单台风机排气量超过2000立方米/H时,室内噪声就会很大。在保证有效换气量的前提下,可以采取多台小风机运行的方式降低噪声。小风机本身震动小,多台风机同时运转时的异步性也会抵消部分震动噪声;增加通风管道的长度和转弯次数也会降低部分噪声,但这需要加大风机功率。实验室所在楼层的位置,往往决定通风管道的长度。这也是影响排气量和噪声的重要因素之一。
上例中,分析实验室位于实验楼的顶层,通风管道较短,噪声问题尤为突出。换气量3750立方米/H,如采用一台3000W大功率风机,虽然可以保证换气量的要求,但噪声干扰会十分严重。如采用4台750W多翼式小风机,既可满足的换气量的要求,又可大大降低噪声。
解剖学实验室位于实验楼的一层,通风管道长达20多米,可以有效的抑制部分噪声,但也会损失一定的排气量。采用两台3000W风机运行,则能够满足以上要求。
3 通风管道的设计
3.1 通风管道的选用
新建实验楼时,可以按照实验室通风系统的要求设计专用的管道井:在已有的建筑物中改建通风系统时,则通风管道不可能使用专用的管道井,必需通过各楼层房间。因此,通风管道材料的选用,不但要保证足够的通风量,还应尽量减少对管道所经过的房间的功能和外观的影响。上述两例中,由于分析实验室位于顶层,不存在其他楼层房间室内管道问题。解剖实验室位于一层,管道需穿过四层楼房房间,如果选材不当,则会对管道所经过的房间造成很大的影响。经过对比,我们选用的是口径为250mm的白色PVC管材。其内外表面细腻光滑,与一般玻璃钢通风管相比,具有外表美观,内部风阻小,不易变形,噪声小等优点。
3.2 通风管道口径的计算
通风管道口径大小,直接影响通风量能否达到设计要求,也是影响管道噪声因素之一。在解剖学实验室的设计中,我们采用两条250直径的管道。所选用的管道口径大小是根据通风量计算出来的。计算过程如下:
室内通风采用两条管道,每条管道的通风量为4500/2=2250立方米/H=0.625立方米/秒。管道口径为250mm,截面约为0.05平方米,通风时内部风速=0.625/0.05=12.5米/秒。这样的风速,会对管壁形成很大的负压。如果采用玻璃钢管道,由于其工艺特点,必然会产生较大的噪声。而采用PVC管,则可避免这一不利情况的发生。
4 风机的选用
在选用风机时,应考虑以下三个方面的问题。
4.1 排量
风机铭牌所标示的排量,作为选用风机的一个重要参数。要结合管道的口径、长度选择适当排量的风机。一般来说可粗略估算为管道口径确定后,管道长度每增加十米,标称排量就增加一倍。上例中的管道为20米,所采用的风机标称排量为6800—7200立方米/H,三倍于单机2250立方米的单机排风要求。由于市场上的风机不可能完全符合计算结果所要求的数值,因此在选用时,可先采用较小排量的近似值机型试验,如符合换气量要求,则无须采用大排量的风机,因为排量增加,噪声也增大。
分析实验室位于顶层,通风管道不到十米,抑制噪音是首先要考虑的问题。我们选用四台750W多翼式小风机,标示排量为1200立方米/H,四台合为4800立方米/H。
4.2 风压
由于管道口径较小,风阻较大,应尽可能选用风压较高的风机,上例中我们选用的是全压11.44Pa的风机。
4.3 噪声
风机的噪声来源于两个方面,一是机器运转的不平衡性所产生的震动噪声,二是风机内气流涡流产生的噪声。前者可以在选用风机和安装时尽量避免,管道与风机之间采用软连接的方式,使机器的震动不能通过管道壁直接传到室内。后者在选用风机时尽量选取多翼风机,可适当减小部分噪声。
5 换气量的测算
通风系统安装完毕后,换气量能否达到设计要求,可按以下方法进行测算。
(1)换气量的测算:使用风速仪,在排风风机的出口处多点采集数据(不少于4点)取其平均值为基本数据。测量风机出口截面积,进行计算。
换气量=实测风速×风机出口截面×3600
上例中,解剖学实验室实测风速为5.2米/秒,出风口截面为0.12平方米。代入上式为,实际换气量=5.2×0.12×3600=2246.6立方米/H。双机同时运行,实际换气量为4492立方米/H。
(2)室内换气速度=换气量/室内有效空间=4492/250=17.92次/H,约为每小时18次。
分析实验室实测风速为5.56米/秒,出风口截住面为0.048平方米。四台风机同时运转的排气量=5.56×0.048×4×3600=3843立方米/H。
换气速度=3843/250=15次/H,略大于设计要求,因其噪音不超标,可以正常使用。
6 室内气流方向的确定
有了足够的换气量,并不一定能有效的排除室内有害气体,在室内还必须保证正确的气流方向,才能使新鲜空气进入,有害气体排出。也就是说,室内气流方向不正确,就可能使换气气流短路,进入室内的新鲜空气被排出了,而有害气体却仍滞留在室内,这同样无法达到换气的目的。
一般室内气流方向的形成,取决于出风口和进风口的位置。要根据出风口的位置来确定进风口的位置。上例中,分析实验室出风口在屋顶,我们就在室内墙壁距地面300mm处开进气孔。孔径120mm,两面墙上共开十孔,孔外侧以PVC网罩镶于墙上,内以PVC管封盖封堵。在使用通风系统时,旋下封盖,可有效补充室内空气;停用时,可将封盖盖上,以防灰尘进入室内。这就保证了室内气流方向是自下而上、自四周而集中流向出风口的走向。上例中解剖学实验室的出风口位于解剖实验台下边,室内气流是往下方流动的,这就可以不必另设进风口了。因为门窗的缝隙,足可以补充室内空气,而门窗的进气方位一般是在实验台上方,这就保证了室内气流是自上而下、自四周而集中于出风口的走向。合理的气流方向,可以确保有效地更换室内空气。
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