淺析藥品檢驗凈化實(shí)驗室的通風(fēng)系統如何設計
2021-02-10 10:58:03
本文作者參與了深圳市藥品檢驗所新建工程空調通風(fēng)系統的設計，該所是負責深圳市藥品、保健品、化妝品、醫療器械等產(chǎn)品檢驗及質(zhì)量監督的法定機構，建筑物主要功能是對多種藥品及醫療器械進(jìn)行檢驗檢測。該建筑從功能上分為管理部門(mén)、檢驗部門(mén)和配套服務(wù)部門(mén)。其中檢測部門(mén)包括藥品檢驗，醫療器械檢測，保健品、化妝品檢驗，公共檢測中心，動(dòng)物房及動(dòng)物實(shí)驗室。檢測部門(mén)總建筑面積約一萬(wàn)平方米。
各不同功能實(shí)驗室分布如下：地上部分實(shí)驗樓主樓呈Z型，分前樓及后樓，前樓為五層，后樓四層，中間由電梯廳走廊，衛生間及輔助用房連接。主樓底層前樓為檢品收發(fā)廳及業(yè)務(wù)科，后樓為留樣區及總務(wù)庫房。主樓的二層，前樓為行政辦公，后樓為中藥室。主樓的三層，前樓為化學(xué)室，后樓為生測室及潔凈區細胞實(shí)驗室。主樓的四層，前樓為抗生素室，后樓（頂層）為潔凈區細胞實(shí)驗室。主樓的五層，前樓（頂層）為保健品化妝品室。北段醫療器械檢測樓共四層。一層設有單獨的檢品收發(fā)室。
一～三層為醫械檢測實(shí)驗及辦公室。四層為公共檢測中心。
本文介紹實(shí)驗室通風(fēng)系統的特點(diǎn)和要求以及通風(fēng)柜的選擇；介紹實(shí)驗室通風(fēng)系統和空調系統的設計方案選擇；介紹各檢測部門(mén)的實(shí)驗室、儀器室和輔助用房的通風(fēng)系統，并針對不同實(shí)驗室通風(fēng)系統進(jìn)行分析和討論。
2.實(shí)驗室通風(fēng)系統簡(jiǎn)介
2.1 實(shí)驗室通風(fēng)的目的和要求
實(shí)驗室通風(fēng)與舒適性空調系統的通風(fēng)設計要求不同，主要目的是提供安全、舒適的工作環(huán)境，減少人員暴露在危險空氣下的可能。通風(fēng)主要解決的是工作環(huán)境對實(shí)驗人員的身體健康和勞動(dòng)保護問(wèn)題。
實(shí)驗室通風(fēng)要求新風(fēng)全部來(lái)自室外，然后100%排出室外，通風(fēng)柜的排氣不在室內循環(huán)?；瘜W(xué)實(shí)驗室換氣要求每小時(shí)大于10次，物理實(shí)驗室每小時(shí)大于10次，實(shí)驗室無(wú)人時(shí)換氣可減少為6次。實(shí)驗室通風(fēng)柜設計數量要足夠，并且不作為唯一的室內排風(fēng)裝置，儀器室或產(chǎn)生危險物質(zhì)的儀器上方設局部排風(fēng)系統。
實(shí)驗室的補風(fēng)一部分來(lái)自空調系統直接送入實(shí)驗室的新風(fēng)，這部分新風(fēng)根據實(shí)驗室排風(fēng)量的變化而變化；另一部分通過(guò)空調系統送入非實(shí)驗室區域的走道、房間再通過(guò)實(shí)驗室的門(mén)縫補給。實(shí)驗室的負壓通過(guò)送、排風(fēng)風(fēng)量和送排風(fēng)口的布置來(lái)實(shí)現，氣流組織從辦公、管理用房、內走道、到產(chǎn)生危險物質(zhì)的實(shí)驗房間。通風(fēng)柜的位置布置在遠離空氣流動(dòng)、紊流大的地方，遠離行走區域和空氣新風(fēng)區。新風(fēng)從遠離通風(fēng)柜的地方引入，空氣流動(dòng)路徑遠離通風(fēng)柜。
2.2 通風(fēng)柜的類(lèi)別
建設現代化的實(shí)驗室是個(gè)綜合的系統工程。在裝備各種儀器設備及其配套設施的同時(shí)，既要考慮供電、給水、排水、送風(fēng)、排風(fēng)、凈化、排污等要求，還要考慮到對人員、物體、周邊環(huán)境的安全性，噪音、異味、視覺(jué)環(huán)境的舒適性，儀器設備的可操作性、功能性，以及信息處理的便捷性。因此，現代化的實(shí)驗室必須有最佳的設計和高品質(zhì)的設備去滿(mǎn)足。
在現代化實(shí)驗室設備中有通風(fēng)柜、中央實(shí)驗臺、邊臺、藥品柜、器皿柜、氣瓶柜等，其中通風(fēng)柜是生化實(shí)驗室設備中擔負著(zhù)十分重要的功能，是必不可少的設備。因此，選擇通風(fēng)柜是實(shí)驗室建設中的重要問(wèn)題，必須引起足夠的重視。
通風(fēng)柜按照排風(fēng)方式分類(lèi)：分為上部排風(fēng)式、下部排風(fēng)式和上下同時(shí)排風(fēng)式三類(lèi)。為保證工作區風(fēng)速均勻，對于冷過(guò)程的通風(fēng)柜應采用下部排風(fēng)式，對于熱過(guò)程的通風(fēng)柜采用上部排風(fēng)式，對于發(fā)熱量不穩定的過(guò)程，可在上下均設排風(fēng)口隨柜內發(fā)熱量的變化調節上下排風(fēng)量的比例，從而得到均勻的風(fēng)速。
通風(fēng)柜按照進(jìn)風(fēng)方式分類(lèi)也分三類(lèi)。通過(guò)室內進(jìn)風(fēng)在柜內循環(huán)后排出室外稱(chēng)為全排風(fēng)式，這是應用非常廣泛的一種類(lèi)型。
當通風(fēng)柜設置于采暖或對溫濕度有控制要求房間時(shí)，為節省采暖，空調能耗，采用從室外取補給風(fēng)在柜內循環(huán)后排出室外的方式稱(chēng)為補風(fēng)式通風(fēng)柜。
再一種就是變風(fēng)量控制式的通風(fēng)柜。普通的定風(fēng)量系統需要人工調整固定葉片的風(fēng)閥，調節通風(fēng)柜的排風(fēng)量，當調節閥門(mén)到某一角度時(shí)達到希望的面風(fēng)速。變風(fēng)量控制是通過(guò)調節閥門(mén)的傳感器改變風(fēng)量達到給定的面風(fēng)速，當然標準式成本低、變風(fēng)量成本高，適用于要求精度高的場(chǎng)合。
通風(fēng)柜按照使用狀態(tài)分類(lèi)可分為整體式下部開(kāi)放式、落地式、兩面式、三面玻璃式、桌上式、連體式以及根據不同實(shí)驗使用需要而設計的對放射性實(shí)驗的、對合成實(shí)驗的，對過(guò)氯酸實(shí)驗的專(zhuān)用通風(fēng)柜。
2.3 通風(fēng)柜的主要功能
通風(fēng)柜的功能中最主要的是排氣功能，在化學(xué)實(shí)驗室中，實(shí)驗操作時(shí)產(chǎn)生各種有害氣體、臭氣、濕氣以及易燃、易爆、腐蝕性物質(zhì)，為了保護使用者的安全，防止實(shí)驗中的污染物質(zhì)向實(shí)驗室擴散，在污染源附近要使用通風(fēng)柜。
以往通風(fēng)柜使用臺數較少，只在特別有害且危險的氣體及產(chǎn)生大量熱的實(shí)驗中使用。通風(fēng)柜只擔負實(shí)驗臺的輔助功能。近年來(lái)考慮到改善實(shí)驗環(huán)境，在實(shí)驗臺上進(jìn)行的實(shí)驗逐漸轉移到通風(fēng)柜內，這就要求在通風(fēng)柜里要有最適于設備使用的功能。
新建的實(shí)驗室設計有空調，因此通風(fēng)柜的使用臺數必須納入空調系統的計劃。由于通風(fēng)柜在生化實(shí)驗室中占有非常重要的位置，從改善實(shí)驗室環(huán)境、改善勞動(dòng)衛生條件，提高工作效率等方面考慮，通風(fēng)柜的使用臺數日益增多。隨之而來(lái)的是通風(fēng)管道，配管、配線(xiàn)、排風(fēng)等都成為實(shí)驗室建設的重要課題。
使用通風(fēng)柜的最大目的是排出實(shí)驗中產(chǎn)生的有害氣體，保護實(shí)驗人員的健康，也就是說(shuō)要有高度的安全性和優(yōu)越的操作性，這就要求通風(fēng)柜應具有如下功能：
?。?）釋放功能：應具備將通風(fēng)柜內部產(chǎn)生的有害氣體用吸收柜外氣體的方式，使其稀釋后排至室外的機構。
?。?）不倒流功能：應具有在通風(fēng)柜內部由排風(fēng)機產(chǎn)生的氣流將有害氣體從通風(fēng)柜內部不反向流進(jìn)室內的功能。為確保這一功能的實(shí)現，一臺通風(fēng)柜與一臺通風(fēng)機用單一管道連接是最好的方法，不能用單一管道連接的，也只限于同層同一房間的可并聯(lián)，通風(fēng)機盡可能安裝在管道的末端（或屋頂處）。
?。?）隔離功能：在通風(fēng)柜前面應具用不滑動(dòng)的玻璃視窗將通風(fēng)柜內外進(jìn)行分隔。
?。?）補充功能：應具有在排出有害氣體時(shí)，從通風(fēng)柜外吸入空氣的通道或替代裝置。
?。?）控制風(fēng)速功能：為防止通風(fēng)柜內有害氣體逸出，需要有一定的吸入速度。決定通風(fēng)柜進(jìn)風(fēng)的吸入速度的要素有：實(shí)驗內容產(chǎn)生的熱量及與換氣次數的關(guān)系。其中主要的是實(shí)驗內容和有害物的性質(zhì)。通常規定，一般無(wú)毒的污染物為0.25―0.38m/s
，有毒或有危險的有害物為0.4―0.5 m/s ，劇毒或有少量放射性為0.5―0.6m/s ,氣狀物為0.5m/s ,粒狀物為1m/s
。為了確保這樣的風(fēng)速,排風(fēng)機應有必要的靜壓，即空氣通過(guò)通風(fēng)管道時(shí)的摩擦阻力。確定風(fēng)速時(shí)還必須注意噪音問(wèn)題,通過(guò)空氣在管道內流動(dòng)時(shí)以7―10m為限，超過(guò)10m將產(chǎn)生噪音，通常實(shí)驗室的噪聲（室內背景噪聲級）限制值為70dB（A），增加管道裁面積會(huì )降低風(fēng)速，也就降低噪音，考慮到管道的經(jīng)費和施工問(wèn)題，必須慎重選擇管道及排風(fēng)機的功率。
?。?）耐熱及耐酸堿腐蝕功能：通風(fēng)柜內有的要安置電爐，有的實(shí)驗產(chǎn)生大量酸堿等有毒有害氣體具有極強的腐蝕性。通風(fēng)柜的臺面，襯板、側板及選用的水咀、氣咀等都應具有防腐功能。
2.4 氣體排放處理
由于實(shí)驗室氣體排放中存在著(zhù)很多有毒和酸堿腐蝕性極強的氣體，所以在排入大氣前要對氣體進(jìn)行過(guò)濾處理，通常情況下：酸性氣體選用立式酸霧塔；有毒和有機氣體選用光學(xué)催化凈化箱。兩種設備分別安裝在排風(fēng)系統末端，立式酸霧塔安裝在風(fēng)機的正壓段，光學(xué)催化凈化箱安裝在風(fēng)機負壓段。動(dòng)物房的氣體經(jīng)過(guò)初效和中效過(guò)濾后，直接排入大氣，但在排風(fēng)口處做高壓噴射流處理，噴射高度在3米以上。
3.實(shí)驗室通風(fēng)系統設計方法
綜上所述，實(shí)驗室通風(fēng)系統對設備（特別是通風(fēng)柜）是有一定標準和要求的。拋開(kāi)設備因素，單純從系統設計上考慮，實(shí)驗室通風(fēng)空調系統的設計要考慮以下幾個(gè)主要因素：（1）保證實(shí)驗室的安全性，保證一定數量的換氣次數；（2）解決實(shí)驗室通風(fēng)系統負壓的設計和系統控制；（3）在滿(mǎn)足換氣次數和全新風(fēng)條件下，控制能耗。（4）系統穩定可靠。
深圳市藥檢所的實(shí)驗室通風(fēng)設計采用以下步驟和方案：（1）實(shí)驗室根據工藝要求和功能布置選擇一定數量的通風(fēng)柜，有的還兼有部分局部排風(fēng)罩。通常校核下來(lái)?yè)Q氣次數遠遠大于10次，一般在20-30次以上，滿(mǎn)足換氣次數要求。但是此換氣次數是按照通風(fēng)柜最大開(kāi)啟面積計算的通風(fēng)量，資料和經(jīng)驗表明100臺通風(fēng)柜99%的時(shí)間只有18個(gè)或更少的人在使用。故還應校核通風(fēng)柜最小開(kāi)啟面積時(shí)的通風(fēng)量和換氣次數，若小于換氣次數要求，則增加綜合排風(fēng)系統。（2）實(shí)驗室通風(fēng)采用全新風(fēng)系統，通風(fēng)柜的排氣不在室內循環(huán)。由于實(shí)驗室要求房間相對其他輔助區域為負壓。所以實(shí)驗室的新風(fēng)量設計為排風(fēng)量的70﹪-80﹪。另外20﹪-30﹪的新風(fēng)送至實(shí)驗室輔助房間、辦公、管理用房、內走道等，再由門(mén)窗縫隙補充到房間。（3）通風(fēng)柜的風(fēng)量平衡可以采用定風(fēng)量控制系統，即排風(fēng)量恒定，送風(fēng)量和門(mén)窗縫隙補充風(fēng)量恒定。此方法適用于最大排風(fēng)量滿(mǎn)足最小換氣次數要求的實(shí)驗室。（4）對于排風(fēng)量遠大于最小通風(fēng)量要求的房間還可以采用兩段式通風(fēng)控制系統保證風(fēng)量平衡，即根據通風(fēng)柜的位移信號，排風(fēng)機、送風(fēng)機有2種送風(fēng)工況，低風(fēng)量工況應用于維持最小換氣次數的要求，節約能耗。此情形藥檢所采用了變風(fēng)量控制系統。通風(fēng)柜風(fēng)量變化時(shí)，排風(fēng)量也會(huì )相對變小，此時(shí)要求放置在屋頂的排風(fēng)機隨著(zhù)通風(fēng)柜柜門(mén)的位置變化而變頻，降低風(fēng)量，保證通風(fēng)柜面風(fēng)速恒定。同時(shí)自控系統改變全新風(fēng)風(fēng)機的頻率，降低風(fēng)量，維持負壓平衡。變風(fēng)量系統可以降低系統能耗。系統最大、最小換氣次數接近則考慮采用定風(fēng)量系統，使得系統簡(jiǎn)單，降低初投資。
通風(fēng)系統除上文所述對通風(fēng)柜有特殊要求外，對其他設備和控制系統也有一定的要求和標準。通風(fēng)柜的選擇除滿(mǎn)足排風(fēng)和捕捉能力外，還要注意需要根據調節門(mén)移動(dòng)而立即改變風(fēng)量，維持表面風(fēng)速的恒定。筆者建議系統風(fēng)量的測定和控制以柜門(mén)位移為信號而不是測定表面風(fēng)速來(lái)測定。實(shí)驗室壓力控制和最小通風(fēng)量的控制除了設備選型因素以外，通風(fēng)系統設計和控制系統是關(guān)鍵因素，要保證系統的反應時(shí)間要足夠短（<1秒），通風(fēng)系統不平衡會(huì )導致通風(fēng)柜排風(fēng)和捕捉能力散失，氣流流出實(shí)驗室，建筑物內壓力不穩定。
還有一點(diǎn)要注意的是系統應該是壓力變化無(wú)關(guān)型的，即系統風(fēng)量的變化不會(huì )因為風(fēng)管內靜壓的變化而使得反應時(shí)間緩慢影響系統流量的精確性。壓力相關(guān)型的系統也會(huì )造成系統流量設備無(wú)法精確控制，緩慢的反應時(shí)間會(huì )讓送排風(fēng)設備產(chǎn)生震蕩，速度不穩定會(huì )有大量的平衡問(wèn)題存在，波動(dòng)的送、排風(fēng)系統使氣流平衡復雜化，從而自控系統無(wú)法實(shí)現調節功能。
所以，系統首先監測的是通風(fēng)柜的狀態(tài)，接受調節門(mén)感應器信號后可以計算調節門(mén)面積（風(fēng)量），此時(shí)向（壓力無(wú)關(guān)型）閥門(mén)送出風(fēng)量控制信號，調節閥門(mén)的開(kāi)度，送風(fēng)量跟隨排風(fēng)量即刻變化，送排風(fēng)機變頻調節送風(fēng)量。
4.結論
本文介紹了實(shí)驗室通風(fēng)設計的目的，實(shí)驗室通風(fēng)柜的的要求和功能，排放氣體的處理方法和實(shí)驗室通風(fēng)系統設計方法。實(shí)驗室的通風(fēng)設計首要解決的問(wèn)題是安全性問(wèn)題，通風(fēng)柜的捕捉集塵能力要符合一定的標準和規定，氣流方向為流向實(shí)驗室，實(shí)驗室要隨時(shí)保持負壓。實(shí)驗室通風(fēng)設計還要考慮到為實(shí)驗人員創(chuàng )造一個(gè)舒適的工作環(huán)境，解決溫度、氣流、噪音的問(wèn)題，同時(shí)要保證最低的能源消耗，系統穩定，容易控制，易于操作管理。簡(jiǎn)而言之就是要從安全、舒適、節能、可靠運行方面進(jìn)行設計。