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切勿“削足适履”!浅谈“补风型通风柜”

发布日期:2021-11-18 10:10:50  浏览次数:383次

      通风柜是实验楼建筑排风系统在室内的抽风末端设备,主要目的是将可能产生污染物的操作限制在其柜内,污染物可以被抽到室外,如同马桶抽水一样,由于室内空气被抽走,所以也同时起到了刷新实验室内旧空气的作用,如果通风柜和新风散流口布局合理的话,就相当于清扫室内旧空气进入排风柜的清洁工效应。这两个功能都是实验室需要的。

     通风柜属于一线操作污染源头的负压设备,是实验室防护的第一道防线,化学污染物能否保证不逸出至关重要。而补风型通风柜,则是为了减少室内空气被抽出,从室外引进空气到通风柜内或柜前,再通过通风柜被抽出室外的一种以节能为主要考虑的通风柜。大多数补风型通风柜的设计原理据称是70%使用补进风,30%还是从室内抽,但是由于缺乏实时检测手段,所以这两个百分比属于理想值。补风型通风柜有两个主要特点:

     1.补风来自于专门的昂贵的补风管和补风机,就是说这类通风柜的补风是自带动力的。因为补风管道漫长复杂,沿程阻力大,靠自然吸入补风是不可能的。这种通风柜最大的缺陷是:一旦主排风机突发故障,而补风机没有立即停止,补入的空气瞬间把柜内污染物倒灌进入房间,所以危险性较大。即使不考虑主排风机的故障概率,平时的建筑排风管网压力波动,连在一起的各个通风柜之间相互串气,也加剧了补风管内气流的不稳定性,补在柜前的气流更是直接干扰面风速。

     2.补风虽经过滤网,但是温湿度没处理,也就说补进来的是“野风”,冬季三九,夏季三伏,直接补进柜内还好,如果是补在柜前,工作人员会有不舒适感,如果要进行温湿度处理,则失去了节能的初衷,就和其他类型通风柜也没有区别了。


     首先,应该告知年轻一代的实验室设计师:“补风型通风柜”并不是一种新型通风柜,而是一种曾在上世纪九十年代产量很大的传统型的通风柜,但为什么后来慢慢地从市场上消失了呢?(当然在印刷资料上还是能找到的)原因众说纷纭,有的说是排烟效果不好,有的说室内温湿度乱了,其实归根到底只有一个原因:为了单纯追求节能,反而在通风柜的根本原则(安全性)上做了妥协,强行补风是一种不成熟的技术,干扰了通风柜正常的气流组织,导致通风柜相对于房间形成的宝贵的局部负压降低甚至产生负压会短暂消失的风险,这就是“削足适履”。在沉寂多年后,补风型通风柜又在市场上出现,实属沉渣泛起。


     通风柜相对于房间形成的局部负压是通风柜的防护力的源泉


     众所周知,通风柜作为一种实验室防护设备诞生的目的就是把实验室操作种产生的污染物限制在其柜内,要想做到这一点,就必须依赖其柜内腔体相对于房间形成的“局部负压”! 注意是相对于“房间”,只有面向房间的一面维持足够的负压,通风柜才会形成气流从房间向通风柜内的稳定流向,保证污染物被向内吸入,不致逸出到房间内,从而保护房间内的人和环境。

通风柜相对于房间形成的局部负压是通风柜的防护力的源泉,并且最终反映到一个指标上,即通风柜面向房间的视窗截面上的“面风速”,这也就是为什么世界各国标准都规定通风柜面风速应有一个最佳值:

 

美国国家标准 0.5 - 0.6 m/s

加拿大国家标准 0.5 m/s

澳大利亚标准  0.5 m/s

英国标准 0.5 m/s

瑞典标准 0.5 m/s

日本标准 0.4 m/s

德国工业标准 0.3 m/s

中国国家标准 0.5 m/s 

     所以面风速是一个通风柜最重要的指标,在美国,没有安装面风速显示报警器的通风柜,如同一辆车没有尾灯,是不能使用的,当美国国家标准ANSI在正文使用“shall be”这种措辞的时候,是没有商量余地的。

     但是面风速太高也不好,为什么呢?这里打个比喻:山中的小溪,如果溪水中央有一块石头(好比通风柜前气流中站着一个人),当水流速过快时,在石头下游的下方(相当于柜前人正面部呼吸区)会形成涡流回旋,引发气流紊乱(污染物逸出),反而水流速平稳有力,才会持续带走污染物,所以大多数国家的标准要求通风柜的面风速最好稳定在0.3-0.6m/s之间。

以下内容摘自美标ANSI Z9.5-2003,这些数据很多科学家多年试验和研究的结晶:

60–80 fpm (0.30–0.41 m/s):

Hoods with excellent containment characteristics operating under relatively ideal environmental conditions (i.e., room design characteristics) and with prudent operating practices can provide adequate containment in this velocity range although at an increased level of risk. Containment must be verified quantitatively in this range and effective administrative controls should be in place and compliance must be enforced.

80–100 fpm (0.41–0.51 m/s):

Most hoods can be operated effectively with relatively low risk in this velocity range although containment should still be quantitatively verified. Proper operator training and enforcement of administrative controls are still highly recommended. This is the range recommended for a majority of laboratory chemical hoods.

100–120 fpm (0.51–0.61 m/s):

This velocity range has similar characteristics as 80–100 fpm (0.41–0.51 m/s) but at significantly higher operating costs. Containment may be slightly enhanced in this range and hoods that do not contain adequately in the 80–100 fpm (0.41–0.51 m/s) range may be improved by operating in this range.

120–150 fpm (0.61–0.76 m/s):

Although most hoods can operate effectively in this range, performance is not significantly better than at the lower ranges of 80–100 fpm (0.41–0.51 m/s) and 100–120 fpm (0.51–0.61 m/s) and the operating cost penalty imposed by high face velocities in this rage is severe and is not recommended for this reason.

>150 fpm (>0.76 m/s):

Most laboratory experts agree that velocities above 150 fpm (0.76 m/s)  at the design sash position are excessive at operating sash height and may cause turbulent flow creating more potential for leakage.

     所以面风速即不能太低,也不能太高,那么想让面风速稳定不变,而视窗优势升降不停的,所以只能是通过改变通风柜的排风量来让面风速稳定,这就是通风柜应该是变风量的原因.

通风柜变风量控制的一个副作用是能够“按需排风”也同样起到了节能效果,不过我们始终不要忘记,安全性是通风柜变风量的主要动机,节能只是一个副作用而已。

     实验室节能,应该是一个全局观念,不能只盯着一个通风柜,更不能牺牲通风柜的安全性能来换取一个局部节能。实验室可节能的环节很多,比如各种建筑热交换技术,再比如近年来实践效果极佳的“变风量加自动关闭视窗”的通风柜,都在不向安全性妥协的前提下实现了实验室的巨大节能。

     无论科技如何更新换代,物理学的基本原理不会改变,就如万有引力定律一样。通风柜的空气动力学原理来自于其相对于房间形成的“局部负压”,这是通风柜的命根子,不容挑战。

最后说一句,“补风型通风柜”画面很美,但是弥补不了原理上的根本缺限,虽然也有厂家拿出检测报告的数据说明补风型通风柜在检测时也显示污染物溢出物浓度很低,其实这种检测数据通常都是在理想的人造环境下模拟出来的,比如检测现场通风柜视窗横向距离一米内干扰气流小于0.1m/s,可是现实中这种气场条件很难存在,这就是为什么很多人用过补风型通风柜之后就选择常规通风柜的原因。


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