中国航空规划设计研究总院有限公司孙晓离中国建筑设计研究院有限公司杨硕 中国昆仑工程有限公司刘舒佳
摘要介绍了实验室的通风特点，阐述了实验室的冷热源的配置和水系统、风系统的设计.通过重点论述实验室的负压控制和整体实验区的压差梯度的控制，得到空调通风系统的计算和变风量系统的自动控制是保障实验室安全 运行的重要措施的结论.
关键词实验室：洁净室：变风量：通风
AirConditioningandVentilationSystemDesignofaLarge Pharmaceutical Researchand Development Laboratory
Sun Xiaoyu Yang Shuo and Liu Shujia
the design of water system and air system in the laboratory are described. By focusing on the negative pressure control in AbstraetThe ventilation characteristics of the laboratory are introduced. The configuration of the chillers and boilers andthe laboratory and the control of the differential pressure gradient in the whole experiental area it is concluded that thecalculation of the air conditioning and ventilation system and the automatic control of the variable air volume system are important measures to ensure the safe operation of the laboratory.
和办公区.建筑地上共6层，总高度29.7m.其中地上1层、3层层高4.5m，2层、4层、5层、6层层高5m.
0引言
平的提升，越来越多的医药企业开始提高自身的研发 近些年，随着我国经济的发展、医药行业技术水能力，扩大实验室的规模.不同于普通办公建筑，实验室具有排风量大、室内温湿度要求相对较高、气流组织和压力梯度要求较高、能耗大等特点.实验室规 模的不断扩大，需要局部排风的试验室设备的密度越来越高，对本已非常复杂的通风空调系统提出了更高的要求.
2设计参数
2.1室外计算参数
中提供的室外计算参数表进行选取，详见表1. 根据（工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》
表1北京室外计算参数
名称 数值 单位夏季空气调节室外计算干球温度 33.5冬季供暖室外计算干球温度 夏季空气调节室外计算湿球温度 -7.6 26.4冬季空调室外计算干球温度 -9.9夏季通风室外计算干球温度 冬季空调相对湿度 29.7 44 %冬季通风室外计算干球温度 -3.6夏季大气压力 1000.2 hPa冬季大气压力 1021.7 hPa
统的设计思路、控制方式和需要注意的事项，希望能 本文结合项目情况，介绍了实验室的空调通风系够对今后同类项目的设计起到参考作用.
1工程概况
本项目为位于北京的某大型制药研发实验室，建筑面积37518m²，其中地上建筑面积20699m²，地下建筑面积16819m².地下2层、3层为车库，地下1层为动物房洁净区和设备用房区，地上为研发实验 楼，其中含有细胞间等洁净区、理化实验室等实验区
2.2室内计算参数
根据《医药工业洁净厂房设计标准》和《实验动物设施建筑技术规范国确定各洁净级别下的室内计算参数，见表2.
表2洁净区各级别下的室内计算参数
此本项目风量大于40000mh的空调系统采用“一对一”形式的液体循环热回收系统.
夏季 冬季区域 温度 /C 相对湿度 温度相对湿度 C 人均新风量 /(m/hp)J7 22±2 40~70 /% 22±2 40~70 /% 40JD K 24±2 24±2 4565 <70 20±2 20±2 4565 二 40 30办公室24±2 <70 20±2 30 4空调通风系统设计 4.1排风系统 1）局部排风 局部排风设备主要指通风柜、万向罩、试剂柜等.m/h.通风柜是一种通过对柜体内排风形成负压、防止 万向罩和试剂柜的排风量较小，通常为100m/h~200柜内有害物散发到实验室环境中的局部排风设备.为保证通风柜内的有害气体外逸、避免柜内形成紊流，因此需要对通风柜操作面的面风速进行控制.综合国 内外相关规范可知l，通风柜的面风速一般控制在0.3m/s~-0.6m/s，在理化实验室中通常取0.5m/s.通风柜的如式（1）所示 排风量会根据操作面的开度进行调整，具体计算方法 洁净区新风量应取下列两项中最大值： 1）补偿室内排风量和保持室内正压所需新鲜空气量之和. 2）保证供给室内没人新鲜空气量不小于40m/h. 3空调冷热源及水系统设计 3.1空调冷热源 空调冷源设计选用4台水冷冷水机组联合提供，每台机组额定制冷量900RT，冷媒参数为6C~13℃冷冻水：热源设计选用2台7000kW的真空热水锅炉采用60C/50C热水：洁净区空调加湿采用0.3MPa 和1台1400kW的冷凝真空热水锅炉联合提供，加热普通工业蒸汽，并在蒸汽管道上增设200目的高精度排水专业提供自来水. 蒸汽过滤器.非洁净区空调加湿采用湿膜加湿，由给 式中：Q为排风量，m/h：H为柜门开度，m：W为柜门宽度，m：M为翼型翻板下的固定面积，m：v为 面风速，m/s. 通常当柜门开度为0.5m，面风速为0.5m/s时，计算出排风量为最大值.当柜门开度关至最小，仅保主方无特殊要求，同时确保实验室安全、正常使用的 留固定面积的排风时，计算出排风量为最小值.在业前提下，局部排风设备的同时使用率可取0.6~0.8. 本项目冷热湿负荷见表3. 通过计算和全年模拟，得到夏季最小供冷量约组采用三级压缩，可以承担夏季最小供冷的运行工 150RT，冬季最小加热量约2350kW.本项目冷水机况.锅炉的最小供热量为最大供热量的20%左右，而本项目最小负荷率为33.5%，满足要求. 2）全面排风 小于8次h的换气要求.当通风柜关闭时，排风旁 实验室除局部设备排风外，仍需对实验室设置不通管上的变风量阀全开，使得房间达到相应的换气次数要求，起到排除室内有害气体的作用.当通风柜开启后，排风旁通管上的变风量阀关小，使得房间总排 风量不小于8次h换气要求. 3.2空调水系统 用四管制，风机盘管采用两管制冷热型.空调机组水 空调水系统采用闭式循环系统.空气处理机组采系统采用异程连接，风机盘管水系统采用异程连接. 3）排风机数量 承担4台通风柜的排风量.而在当下，通过引入变 传统的实验室设计中，一台排风机通常最多只能风量系统控制后，一套排风系统可以负责更多的通风柜，但设计时需要计算排风系统的最大和最小风量，确定一台变频排风机是否能承担风量的变化. 空调机组和新风机组设置预热段，新风机组的预热均由防冻机组提供的冰河冷媒溶液提供. 3.3液体循环热回收系统 排气罩和试剂柜等有排风要求的实验设备，因此一些 本项目根据工艺要求，设有大量的通风柜、万向空调分区的送风、排风量巨大.如果不对其做任何措施直接排出，将会造成很大的能源浪费，同时由于实验室的复杂性，很难采用常用的板式热回收形式，因 由于实验室的排风空气中含有各种酸碱物质，因此根据规范要求，排放时需要对废气进行处理，保证排放至大气的气体中污染物浓度低于限值要求.实验室中常用的废气处理方式有两种，一是活性炭吸附装 表3冷热湿负荷统计表 供冷量kW加热量/kW 工业蒸汽加湿量/（kg/h）湿膜加湿量/（(kg/h）总冷指标/(W/m²）总热指标/(W/m²)总计 12163 10657 1200 5512 550 482 4）废气处理 4.2新风系统 4.3案例计算 置，二是近些年推出的一体光氧吸附装置.两种方式各有利整，活性炭吸附装置初投资便宜，但是存在活性炭吸附饱和后的再生处理问题，后期维护量很大：一体光氧吸附装置初投资较昂贵，无再生处理问题. 由于实验室的排风空气中含有各种酸碱物质，因此根据规范要求，排放时需要对废气进行处理，保证排放至大气的气体中污染物浓度低于限值要求.实验 室中常用的废气处理方式有两种，一是活性炭吸附装置，二是近些年推出的一体光氧吸附装置.两种方式各有利，活性炭吸附装置初投资便宜，但是存在活 性炭吸附饱和后的再生处理问题，后期维护量很大：一体光氧吸附装置初投资较昂贵，无再生处理问题. 为了确保实验室周边环境的安全，实验室需要维持“微负压”状态，工程上通常取80%~90%的补风量以保证室内外产生一定的压差.但当房间局部排风 设备的密度非常高时，如果仍用此数据设计可能出现室内外压差高于常规需求，甚至出现影响相邻的卫生间、茶水间的排气的情况，此时应通过缝隙法计算校 核补入实验室的新风风量. _可知：式中：G为送风量，m/h：Q为室内冷负荷，kW：hg为室内计算焙值，kJ/kg：h.为送风状态焙值，kJ/kg. 很多时，所需要的补充的新风量很大，送风状态和室 在冷热负荷相差不大的条件下，当局部排风设备内状态点的焙差和温差较小，为保证室内状态点在允许范围内，新风机组必须要设置再热. 284m²，净高5m，内有41台台式通风柜（1500m/h）、 本文以F5层理化实验室为例，该分区面积为2台落地式通风柜（1800mh）、3台安全柜（200m/h）和37台万向罩（200m/h），经业主要求，本项目设备同时使用率为1.0.平面图详见图1. 图1实验室平面布置图 计算结果如表4所示. 表4通风系统风量计算表 单项 数量单台风量最小风量最大风量名称 设备名称 300/1500 (m²/h) /(m²/h) 12300 /(m²/h) 61500局部 落地式通风 台式通风柜 41 2 360/1800 720 3600排风量 安全柜 万向罩 37 3 200 200 7400 600 7400 600总计 21020 73100总排风 全面排 10 次/h 21020 14200 73100总新风 %06 65790 由此可见如采用单台排风机，则风量变化为21020m~73100m/h，最小风量为最大风量的28.7%，超出风机最佳的变频范围，故本房间设置了两台排风 机并联运行. 5自控设计 验室的自控设计主要分为以下几部分： 本文仅针对理化实验室的自控进行阐述，理化实 5.1通风柜控制 1）位移传感器将直接测得的柜门开度信号传输至通风柜变风量控制器.控制器将该值计算出的风量值作为风量设定值.同时，风量控制阀比较这一风量 设定值与风量传感器测得的实际排风量值，二者出现偏差时，则输出信号至执行器调整阀门开度以维持风量设定值，从面保证面风速恒定. 2）当柜门关至最小时，变风量阀不再根据面风速进行调整而是维持最小排风量. 3）当出现异常情况时，手动切换至紧急工况.变风量阀将维持紧急排风量而不受面风速控制. 4）配有用户操作面板.面板上有报警声音复位按钮，紧急工况按钮及调试按钮，并可在面风速超过限定范围时发出声光报警信号. 5.2房间送排风变风量控制原理 行控制，以保证房间处于微负压状态，防止刺激性气 1）理化实验室通过余风量法对室内风量平衡进体散发到公共区. 2）各通风柜及房间旁通管上变风量阀的当前实际排风量通过总线传输至房间送风变风量控制阀.送 风控制器将通风柜及其它排风设备的排风量进行累加得出房间总排风量：然后根据余风量值确定房间送风量设定值，并与实测送风量值进行比较，当二者出现偏差，即输出信号给执行器调整变风量阀开度直至 达到所需送风量值. 3）保证实验室满足最小换气次数需求并实现节能.通过控制器将房间实际排风量累加后，与设定的最小排风量进行比较，如果实际排风量小于最小换气排风正好满足最小排风量：如果大于最小换气次数， 次数，旁通管上的变风量阀则控制差值风量，保证总旁通管则保持最小排风量，以此实现节能.控制原理见图2. 图2房间送排风变风量控制原理图 5.3新风机组及排风机控制原理 一级表冷无法承担全部冷量，故需将表冷段拆分为两 1）本项目因新风量巨大，导致表冷量亦非常大，级表冷，在第一级表冷盘管后设置温度传感器并传输信号给配套电动阀，将新风温度处理到室内湿球温 度.新风机组根据排风管上的温湿度传感器调节表冷盘管、加热盘管和加湿管上的电动阀开度. 其中粗效过滤器当压差高于120Pa、中效过滤器当压 2）粗效、中效过滤器前后设置压差报警装置，差高于200Pa时报警. 3）空调系统运行工况控制 风机变频采用定静压控制.在送、排风主管安装风管静压传感器.当实验室内排风（或送风）需求增静压传感器测得这一变化，并据此提高变频器输出频 大，变风量阀开大以增加风量，风管中静压值减小，率，提高风机转速，总管静压值恢复至设定范围内.反之亦然. 4）空调系统联动控制 新风阀与送风机联锁启闭，空房间的排风机与送风机联锁启闭，排风机出口的电动阀与排风机联锁启闭. 5）空调机组启停控制 开机顺序依次为：排风电动阀、排风机、新风电动阀、送风机，停机顺序相反. 6注意事项 由于本项目的局部排风设备数量非常多，且安装密度很大，因此和普通理化实验室以及高校实验室有 很大的不同.此类设备高度集中的大型实验室虽然在原理上和传统实验室相同，但却有一些需要特别注意的事项.现将本项目设计过程中遇到的问题总结如下： 1）通过详细计算，确定空气处理过程. 设备高度集中的大型实验室排风量很大，但冷负荷却未必很大.通过计算会存在送风温差仅有 7结语 参考文献 3C-4C的情况，因此空调机组需要设置再热段才能满足要求.当新风机组长度受限时，需要先假定最大送风温差送风，通过计算反推此时室内状态点是否在 可接受的范围内，以此来决定是否可以取消再热段，优化机组长度. 2）充分考虑冷热源的最小负荷情况. 大型理化实验室的局部排风设备很多，但在实际操作时未必会在工作时段内全部投入使用.风量的大范围变化会导致对冷热量的需求产生很大的波动，因此在设计之初时需要和业主充分讨论未来的使用需 求.根据业主实际使用情况列出多种运行方案并计算最小冷热量，最终选择匹配的冷机和锅炉. 3）需要根据风量变化计算确定排风机台数. 如上文所述，大型理化实验室存在风量大范围变化的可能性，因此需要考虑排风机变频到最小风量时能否满足使用需求.当计算最小排风量高于变频排风 机的风量下限时，可以采用一台排风机.当计算最小排风量低于变频排风机的风量下限时，可以采取加大房间最小换气次数或增加排风机台数等方式满足使 用需求 4）充分考虑各房间的压力梯度. 补风的做法，会使得房间内外的压差较大，可能会影 排风量很大的实验室如果仍按照80%~90%机械响到其他房间的排风效果，因此需要通过缝障法计算补入的新风量，校核实验室内外的压差值. 来越多的医药企业对实验室的规模、环境、控制、节 伴随着我国自主研发药品领域发展日益繁荣，越能提出了更高的要求.实验室空调通风设计是维持实验室环境的重要保证，因此需要对空调通风系统的计 算和自动控制进行严谨的设计论证.除此之外，由于空调通风系统是实验室中最为复杂、最占建筑空间的机电事项，因此在进行设计时要做到充分考虑机房位 置和管道路由，为项目顺利施工奠定基础. 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