淺析潔凈實驗室凈化系統(tǒng)氣流控制的安全性設(shè)計

　　摘要：潔凈實驗室的建設(shè)過程中，氣流控制的效果直接關(guān)系到實驗室的安全標(biāo)準(zhǔn)能否實現(xiàn)。本文從暖通自控的角度重點闡述了實驗室氣流控制需要考慮的幾個重要參數(shù)。 　　關(guān)鍵詞：氣流控制 面風(fēng)速 響應(yīng)時間 負(fù)壓 壓力無關(guān) 

　　 目前，在我國潔凈實驗室的發(fā)展進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，在實驗室的建設(shè)中對通風(fēng)控制有著嚴(yán)格的要求，潔凈度、壓力、自控等都圍繞暖通來展開，這是實驗室建設(shè)工程中的重要一環(huán)，也是實驗室安全保障建設(shè)的重要方面。 
　　 實驗室的通風(fēng)設(shè)計首要解決的問題是安全性問題，通風(fēng)柜的捕捉集塵能力要符合一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，氣流方向為流向?qū)嶒炇?，實驗室要隨時保持負(fù)壓。 
　　 傳統(tǒng)的實驗室控制方式采用的是定風(fēng)量控制方式。70年代，又出現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)控制方式，通過不同工況下的氣流控制以提高效益，例如降低夜間設(shè)定值。80年代出現(xiàn)的變風(fēng)量控制方式是更加復(fù)雜的實驗室氣流控制方法，在這種方式下，空氣流量根據(jù)通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門位置進(jìn)行變化。目前，新的控制方式是適應(yīng)性的控制方式，氣流速率保持在最低安全限上，根據(jù)使用者的狀態(tài)進(jìn)而調(diào)整通風(fēng)柜的工況，系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，控制精確，確保人員安全，盡量降低能源消耗及維護(hù)費用。為了確保操作人員及環(huán)境的安全，以下幾點是現(xiàn)代實驗室建設(shè)需要重點考慮的因素。 
　　 一、穩(wěn)定的通風(fēng)柜面風(fēng)速 
　　 在定風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)中，當(dāng)調(diào)節(jié)門降低時，會產(chǎn)生多余的面風(fēng)速，從而產(chǎn)生渦流干擾，影響通風(fēng)柜集塵能力，釋放出有毒顆粒。變風(fēng)量的通風(fēng)控制系統(tǒng)中，排風(fēng)量和調(diào)節(jié)門開度為線性函數(shù)關(guān)系，如60%的流量對應(yīng)60%的調(diào)節(jié)門開度，通過這一閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以保持通風(fēng)柜開口的面風(fēng)速恒定，消除面風(fēng)速過大產(chǎn)生的風(fēng)險。 
　　 通風(fēng)柜有效的面風(fēng)速設(shè)定值，通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是60―100fpm（0.3―0.6m/s），一般100pfm(0.5m/s)被接受作為安全運行標(biāo)準(zhǔn)。圖1所示，操作人員的移動在面風(fēng)速80―100 fpm時對集塵幾乎沒有影響，但在80 fpm以下時會有擾動影響。在沒有操作人員移動時，60 fpm 以下一般性集塵可以實現(xiàn)。 
　　 二、快速的系統(tǒng)響應(yīng)時間 
　　 該響應(yīng)時間主要是指實驗室范圍內(nèi)通風(fēng)柜及其閥門調(diào)節(jié)系統(tǒng)。響應(yīng)時間的大小將直接決定氣流控制的效果?？焖?、穩(wěn)定的控制會防止有毒顆粒跟隨調(diào)節(jié)過程可能產(chǎn)生的振蕩或過沖逸出通風(fēng)柜。排風(fēng)量對調(diào)節(jié)門開度的快速響應(yīng)時間必須在調(diào)節(jié)門到位后1秒鐘內(nèi)達(dá)到其指令值，有效保證通風(fēng)柜的集塵能力。圖2中從調(diào)節(jié)門移動到通風(fēng)柜排風(fēng)量的總的響應(yīng)時間大約0.6秒。緩慢的響應(yīng)時間將會產(chǎn)生多余的面風(fēng)速，危害到實驗的安全，例如燃燒器被吹滅，器皿被吹翻，或者藥品等受到損失。 　　 
　　 三、保證房間壓力 
　　 房間凈負(fù)壓主要控制房間氣流由外到內(nèi)的流動，防止房間外部被污染，是實驗室安全控制的一個重要指標(biāo)。負(fù)壓的產(chǎn)生也就是房間的排風(fēng)量或補(bǔ)風(fēng)量和送風(fēng)量之差等于房間的余風(fēng)量。余風(fēng)量是送風(fēng)以外從房間門、傳遞窗或其他縫隙進(jìn)入房間的空氣量。 
　　 當(dāng)房間溫度調(diào)節(jié)與通風(fēng)所需氣流量大于通風(fēng)柜所需氣流量的時候，房間的送風(fēng)量增加了，這就要求控制系統(tǒng)還必須把這部分“過剩”的送風(fēng)量排出去，以保證房間負(fù)壓。實驗室總的空氣交換率由總的排風(fēng)、制冷負(fù)荷和最低通風(fēng)率決定。最小通風(fēng)速率一般為占用時每小時 6?10 次換氣。這可通過增大房間綜合排風(fēng)閥門的開度來實現(xiàn)，該控制涉及房間總送風(fēng)量和排風(fēng)量的計算，以及信息采集、風(fēng)機(jī)變頻的控制等，系統(tǒng)調(diào)試的難度大為增加。 
　　 四、壓力無關(guān)性 
　　 通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門的移動造成風(fēng)量快速變化導(dǎo)致風(fēng)道靜壓發(fā)生變化，或者在通風(fēng)柜面風(fēng)速未要求變化時，總管中風(fēng)壓的變化也會引起排風(fēng)柜上部支排風(fēng)管道中風(fēng)壓的變化，如果此時風(fēng)量控制系統(tǒng)不能化解管道的風(fēng)壓變化，就會使排風(fēng)柜的排風(fēng)量變大或變小，進(jìn)而影響此時本該穩(wěn)定的面風(fēng)速。 
　　 傳統(tǒng)的變風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)管道的壓差反饋信號進(jìn)行排風(fēng)量的調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度一般在20~30s之間，為了保證實驗室的安全性，實驗室氣流控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間必須控制在1s之內(nèi)。目前，采用文丘里閥的通風(fēng)柜控制系統(tǒng)可以很好的解決這一問題。 
　　 閥門是一個椎形的構(gòu)造，內(nèi)置不銹鋼彈簧，根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化調(diào)整文丘里打開的面積，以維持固定的空氣流量。壓力降低時，彈簧張開，閥芯分離，增大通風(fēng)量，如圖3；壓力增大時，彈簧壓縮，閥芯接近，減少通風(fēng)量，如圖4。 　　 
　　 五、精確的控制系統(tǒng) 
　　 系統(tǒng)排風(fēng)量控制如果不能跟隨風(fēng)管內(nèi)靜壓的變化快速、精確的變化 ，就會造成排風(fēng)柜流量無法精確控制，而產(chǎn)生振蕩（如圖5），將會使房間壓力變成正壓或者增大房間余風(fēng)量的要求。風(fēng)速的不穩(wěn)定會產(chǎn)生大量的平衡問題，波動的送、排風(fēng)系統(tǒng)使氣流平衡復(fù)雜化，自控系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能將變得更加困難。 
　　 面風(fēng)速要在一個大的風(fēng)量控制范圍內(nèi)得到精確控制。在達(dá)到理想的控制值時，控制系統(tǒng)應(yīng)保證調(diào)節(jié)的過調(diào)量和欠調(diào)量小于5％，確保通風(fēng)柜的集塵能力及操作人員的安全。 　 
　　 完備的通風(fēng)及控制系統(tǒng)確保實驗室的安全性，這也是關(guān)系到實驗室建設(shè)的成敗的關(guān)鍵。因此系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備的配置等必須滿足以上所講到的幾點基本要求，但高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的實驗室不僅僅局限于此，還要解決好溫度、氣流、噪音的問題，同時要保證最低的能源消耗，系統(tǒng)穩(wěn)定，容易控制，易于操作管理。簡而言之就是要從安全、舒適、節(jié)能、可靠運行方面進(jìn)行全盤的考慮設(shè)計。