设计实验室排气系统需要考虑的问题

设计实验室排气系统需要考虑的问题

实验室通风柜排气系统作为化学研究设施的一部分，通常被视为理所当然。但是，在设计和配置实验室时，排气系统的选择对实验室建筑和附近建筑的人员的安  全有很大影响。排风柜排风系统的选择也会影响到建筑的长期运行费用。

地理解各种排风系统及其操作方式，可以消除未来可能出现的重大安  全问题，同时优化建筑物的效率和系统的可靠性。

通风系统的基本原理。

室内排风柜排出系统的主要目的是除去化学蒸汽、化学反应及其他室内活动产生的污染物。该系统必须提供大保护，同时尽可能少地使用空气。要控制两种空气流动方式：实验室排气和清洁空气的替代品。

关于通风柜排气系统，在设计新的实验室设施或更新现有实验室设施时，重要的考虑因素是安  全(关于将实验室排气量二次输送到建筑物或邻近建筑物)，以及保护建筑物内居民的内部空气质量。另外，该系统是否能满足适当的污染控制标准(包括消除排放和排放管道中的恶臭)也是一个关键考虑因素。

其它重要的考虑包括：系统效率、初始成本和运营成本，以及屋顶美观(图1)。举例来说，静音、无振动性能对保护精密实验仪器非常重要。

在实验室设备通风柜排风系统的选择中，屋顶的美观是考虑因素之一。

实验室通风柜排风系统的选择应首先考虑通风柜的位置。其位置将严重影响工作效率和安  全。举例来说，在实验室里，人们只需要通过通风柜就能产生空气紊流，从而把污染物拉出他们的控制区。通风柜上方设计有空气散射器的工作区域，明显的空气湍流会导致污染物泄漏到实验室。

另外，进入实验室的气流也会影响通风柜的排气系统。因为实验室应该保持相对于外部的负气压，所以在正常运行过程中，门、窗、排气孔和其他开口都应该保持关闭状态，以确保污染物通过通风柜排放，而不是其他实验室的开口。

可根据所提供的安  全措施来评价实验室通风柜排气系统的有效性。理论上的设计参数可以使操作者和实验人员安  全地清除烟雾。空气流速是从房间到通风柜内达到安  全  的关键因素。若气流过低，烟气就会从通风柜中漏入室内。若风速过大，在拉门处会产生空气紊流，从而使烟气进入室内。安  全  的空气流动速度可以根据制造商不同而不同，但一般在100ft/min(0.5m/s)以内。

排出的废气应该比送风大，以便产生由外向内的气流，从而捕捉和控制空气中的污染物。

试验室的排风柜排风系统可采用恒定风量(CAV)或变风量(VAV)设计。通风柜排放空气的速率不变，风速随窗扇减小而增大；通过改变通风柜中的排气量，VAV通风柜试图消除变速气流。这可以减少总的排放总量，也有助于降低运营成本。风机风柜采用闭环排气系统，监测排出的空气量，以维持工作面所需的平均风速。这个控制系统也可以帮助监测污染物的存在。另外，VAV通风柜还采用了视觉和听觉警报以及风速监控，以提醒风速不足或排气系统故障。

通风装置风机

根据设备要求，实验室可在各种通风柜排气系统设计中进行选择。排风系统依赖于隐藏的、但又必不可少的子系统，包括风扇和通风系统。

排气管的排风系统一般是风管网(通风管)，它通向安装在房顶上的排风系统，它的动力来自以下三种风机技术：轴流式，离心式和混合流式叶轮。这几类风机均可采用直接驱动设计，风机叶轮可直接安装在电机轴上，也可采用皮带驱动，风机叶轮安装在独立的驱动轴上，由一根或多根皮带驱动。

轴流动风扇系统——轴流动风扇叶片将空气吸入风扇外壳，并沿同一轴向排出空气——是低气压下按额定流量或静压力排出大量空气的理想系统。用在轴流通风机上的叶片通常为塑料、铝、不锈钢或玻璃纤维。不同类型的轴流风机，用于工业应用包括：壁挂式风机，这种风机安装在墙上，用来把空气吸入到室内，或从室内排出空气；管式轴流风机，与一系列管道系统相连，用于排放被污染的空气或热空气。

风扇系统-离心风扇叶轮安装在壳体内。刀片可向前弯曲，向后弯曲，或直立。排出的气体通过鼓风机外壳和风机叶片吸入进口。

向螺旋状倾斜。然后，涡流壳体聚焦这些气流，并将其导向一个出口气流。风量以与机箱组件的轴线成直角的方式离开机箱。传统的离心式涡旋风机壳体采用圆柱形壳体代替涡旋壳体和截断组件，是传统离心风机壳体的变型。

该离心风机设计为每分钟高速运转，屋顶上安装有很高的排气筒，可将排气量充分排入设施之上，防止二次夹带(及其有害烟气或恶臭)污染进入建筑物及周边设施。因为烟囱的尺寸和高度，它需要昂贵而复杂的安装硬件来保持稳定，并大限度地减少振动。这些包括弯管，弹性接头，弹簧减振器和拉线的支撑。

混流式叶轮风机——混流式叶轮风机通常比离心风机提供更大的气流，并且比轴流式风机提供更大的空气压力。该系统可以消除设备和周围建筑物中的废气和异味对二次吸入的污染，并改善室内空气品质(IAQ)。和其它技术相比，这种技术一般比较低，屋顶安装的排风系统与低速风扇相结合。该系统采用低振动直接驱动电机，在实验室通风柜内排出废气，以达到大程度的降噪效果。

带离心风机和带混流式叶轮的排气系统之间的显著区别在于排气烟囱的高度：混流式叶轮的外观较小，占地面积也较小。这一特征在适应空间和重量限制以及审美品质方面具有明显的价值(越来越多的社区通过法令，限制建筑物的总高度(包括屋顶附属部分)。

排放系统的不同类型是屋顶烟囱的高度，这一特点的价值在于可容纳空间和重量限制。

正如其名称所示，混流式叶轮系统结合了轴向和离心式空气运动技术。该方法叶轮效率高，能耗低，一般较安静。真正的混流技术对整个叶轮的性能曲线也比较稳定。这样，就不会出现在轴向和离心风机在较高压力区的曲线上出现失速或性能不稳定的情况。令人担心的是，在这种不稳定性能区域或附近运行的系统会导致严重的性能、声音和振动问题。

混合式叶轮将实验室通风柜内的废气与外部环境空气混合，以减少被污染的微粒浓度(每立方米(ppm)或毫克(mg/m3)测量)，从而使其能够安  全合法地排放到大气中。风扇把废气吸入管路网络，然后送到设备外部，通常是送到屋顶，屋顶与周围空气混合。有时，尤其是在当地法令规定屋顶外观的情况下，混流叶轮系统(通常是为了美观的目的)可安装在封闭设备中。

采用安装在底座上的旁路风门，混合流动的叶轮吸入的新鲜空气比排气量多一倍，因此可以降低实验室通风柜中需要处理的污染物和引起气味的物质的浓度。

向大气层发射

混合流式叶轮排气系统甚至可以在风机转速很低的情况下产生很高的排放率，因为当空气通过喷嘴从屋顶烟囱排出时，额外的新鲜空气会被带到排气混合物中。这一机理将在排放的废气混合物周围形成一层保护层，并固定住周围的空气，从而解决二次夹带污染问题。释放出来的气体可以通过每分钟6300英尺(32米/秒)的速度释放出超过120英尺(36.5米)的羽状物，甚至可以通过稳定的侧风释放到空中。毫无疑问，许多因素都决定了系统的有效性，包括建筑结构、周围地形，甚至天气状况。

以80,000立方英尺/分钟(135921立方米/小时)为动力的混合空气叶轮，其排气量通常可达到6,300英尺/分钟的排放速率。据风洞研究，额外的空气将被吸入空气中，即便是出口速度为每分钟3,000英尺(ANSIZ9.5标准所规定的清除实验室通风系统中化学污染物的低速度)。

由皮带驱动的离心风机排气系统和管路网络也能像混合流叶轮那样将污染的洁净空气混合，在排放到大气中时起到一定的稀释作用。但采用离心风扇要求屋顶烟囱必须有足够的高度，有时高达40英尺(12.2米)以上。混流式叶轮系统通常在屋顶上15英尺(4.6米)的高度上工作，具有相同的稀释性和工作效率。混流式叶轮排气系统高度较低，无需额外的稳定硬件，离心风机排气系统也是必要的。

与离心风机系统有关的结构并非只有高排气管。一般情况下，离心风扇系统还需要屋顶的顶层机房，主要是为了保护维护人员。因为离心风机系统依赖皮带驱动电机(与更可靠的混流叶轮直接驱动电机相反)，需要定期维护，以调节皮带张力，或更换皮带轮或更换失效皮带。顶楼机房为维护人员提供了安   全，运行环境。

与典型的皮带驱动离心风机和轴流式风机系统相比，混合流式叶轮的室内通风柜排气系统可靠性高，不需要维护。在皮带传动系统中，只有皮带会随时间而拉伸、松弛、断裂，因此需要定期进行维修，从而缩短预期的使用寿命。举例来说，皮带传动系统(L10)中轴承的低预期寿命一般为40,000h，而在某些混流式叶轮系统中，直驱电机轴承的预期工作寿命至少为200,000h。

噪音的解决方案

 在大多数实验室和地区，噪声管理也是一个重要考虑因素-在有些情况下，公司需要在其性能线上进行噪声研究，以确定设备的不同系统的噪声水平(包括实验室排气系统)。相对于轴流式和离心风机系统，混流式叶轮排气系统中的直接驱动电机具有速度低、结构固有的静音设计，通常可以降低噪音和振动水平。另外，对于必须严格控制噪声的应用场合，可设计配有集成式噪声衰减器的混流叶轮系统，而这种噪声衰减器不会增大屋顶排风机的高度。

还可在排气烟囱上安装轴流和离心风机排气系统，以减少噪音，如排气消  音  器。然而，这会增加已经很高的烟囱高度，并且需要额外安装硬件来减少建筑物所产生的振动。混流式叶轮即使在低速马达运行时，其性能也很少受到损害。该系统能在较低转速下提供比离心风机更大的空气流量和比轴流风机更大的空气压力。

直接驱动的混流式叶轮风机与皮带驱动的离心风机和轴流风机相比，具有节能、经济、高   效的特点，与皮带驱动的离心风机系统相比，能效可提高25%左右。带传动系统中，轴、带轮、枕形块和电机的排列不正确，会使传动系统失去动力，造成可靠性问题。类似地，混流式叶轮系统的出口喷嘴可在风机转速较低、功率要求相应降低的情况下，设计成具有较高的排放速度。

要进一步提高能效，可能需要指定变速传动系统。采用变速驱动装置，可降低能耗，并能在实验室空余时间低风速运行。另外，如果一个风扇在多个风扇排气系统中出现故障，其余风扇将被提升风速进行补偿。对于许多生物安  全级别(BSL)实验室来说，这是非常重要的。

另外，回收通常是通过排出废气而流失的热量，可以节约能源。混合流动的叶轮可配有一个独  特的热量回收模块，该模块可从废弃气流中获取温暖的空气，并将热能传送到建筑物通风系统的入口，从而显著降低建筑物的加热燃料费用(每增加1ºF的热量)，相应地减少3%的加热燃料费用。

实验室内没有管路的通风设备。

迄今为止，所讨论的三种主要的实验室通风柜排风系统都是假定使用管道网络来将被污染的空气从实验室排出。近几年来，无管实验室通风柜成为其替代产品之一。没有管路设计，通风柜配备了碳床或其它类型的过滤器来清除和控制污染物。滤料必须与实验室所用的化学物质种类相匹配。一般的过滤器会吸收一定比例的化学物质和气体，而一些应用程序可能需要使用微粒过滤器。有些情况下，过滤器需要浸渍化学物质，以便将目标化学物质转变成危害较小的物质。

实验中，除电源外，实验室通风柜没有其它外部连接，这使得它非常轻便，并且对于需要不定期地重新设计的设备非常有用。电力线与电子系统相连，用于监测气流和过滤器状况，以确保操作人员的安  全，并在需要时提供视觉和听觉警报。没有管路方法不能代替所有管路系统，而且绝  对不能用于化学结果未知的化学实验室(可能没有过滤器)。当然，无管实验室通风柜为了便于携带而牺牲了效率，尤其是相对于离心式和混流式叶轮系统，它们需要仔细监测碳过滤器的状况，以便在其饱和时能够被替换。