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科研建筑实验室通风设计

科研建筑实验室通风设计

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【概要描述】

科研建筑实验室通风设计

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设计依据国内外规范、标准:

《科学实验建筑设计规范》JGJ91-93

《实验室变风量排风柜》JG/T222-2007

《排风柜》JB/T6412-1999(中国机械行业标准)

《建筑设计防火规范》GB50045-2014(2018年版)

《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012

《公共建筑节能设计规范》GB50189-2015

《环境空气质量标准》GB3095-2012

《声环境质量标准》GB3096-2008

《大气污染物综合排放标准》GB16297-2017

《生物安全实验室建筑技术规范》GB50346-2011

北美:

ASHRAE110-2016 美国供暖制冷及空调工程师学会

NEPA45-2000 美国国家防火协会认证

SEFA1-2002美国科学仪器设备与实验室家具国际协会

OSHA,29CFR PART 1910 美国职业安全和健康管理委员会

ANSI/AIHA-Z9.5美国国家标准学会/美国工业卫生协会认证

ACGIH 美国政府工业卫生师协会认证

ADA 美国残障协会认证

U.L. 1805保险商试验所认证

GLP(Good Laboratory Practice)优良实验室规范

欧洲:

EN/BS14175 欧盟/英国国家标准协会

BS7258 英国国家标准协会

DIN12924 德国国家标准协会

适用、安全、卫生。技术先进、安全可靠、经济合理、确保质量、节省能源和符合环境保护的要求。

 

人流,物流及气流的合理分布

实验室组成及分布:

实验用房:通用实验室,专用实验室、科研工作室。

辅助用房:学术活动室,图书资料室,试剂室,温室,冷库,天平室,洗涤室,标本室,附属加工厂,器材库等。

公共设施用房及管道空间:制冷机房、空调机房、排风机房、给排水及水处理用房、变配电室、电讯室、气体供应室及管道井、管道走廊和管道技术层等设施的用房。

各类用房宜集中布置,做到功能分区明确、布局合理、联系方便、互不干扰且留有发展余地。

实验室建设如创造一个生命体,建筑工程为骨架、暖通水电为肌肉器官系统、信息控制为脉络、装修装饰为皮肤、概念(先进性、前瞻性、环境、健康、安全等)为曲线。整体完整、协调才能运转流畅,缺少某一方面或过于侧重某一方面都将对整体建设不利。

优秀的实验室不但能够提供给使用者一个良好的工作环境,同时也应能给予使用者良好的认同、归属感,充分发挥科研人员的创造性思维以及团队合作精神,帮助管理人员实现方便管理、优化流程、规范操作等。

实验室工艺设计最大程度考虑以人为本、标准模块、先进性、前瞻性等因素,综合考虑各检验内容的特点,统筹水、电、气、通风、空调等各种因素,将各类条件协调完善,使得该实验室条件灵活、完备、和谐。

建筑结构:

通用实验室标准单元组合设计。

荷载重,振动大的实验室放在底层。

隔音类,污染大,废气多的实验室放在顶层。

科研室,工作室朝南布置;辅助类房间放整层的中间。精密仪器室朝北布置。

楼层柱网分布:水平开间≥6600mm,垂直不大于7500mm。

走廊分布样式:单走道式,中走道式,偏走道式,双走道式。

层高要求4500-5000mm以上,吊顶净高≥2600mm(规范2400mm)。

荷载设置为350kg/m2,局部区域设置为500kg/m2,屋顶荷载设置为400kg/m2。

公用设施用房宜设置在对周围环境干扰最少且靠近使用负荷中心处。

当有隔振要求时,应根据其防振距离要求进行布置,在无法保证防振距离时应采取必要的隔振措施。

实验室通风设备:

通风柜:

通风柜类型: 定风量型(CAV):分为传统型和旁通型。改良型如持续型(continuous-flow)旁通等。目前在一些使用频率不高或者特殊的场合中有大量应用 。 补风型(MAV):分为柜内补风和柜外补风两种。优点:节能;缺点如下:

1.安全性:柜前补风会严重影响柜面处的气流,扰动加剧,很可能导致有害物溢出;另外补风与排风的平衡比较难做到,平衡不当会导致污染物大量泄漏。

2.经济性:通常它需要两台风机和两套风管,初投资较高;

3.舒适性:冬季未经处理的补风温度过低对实验不利,也会使操作人员感到不适,夏季湿度过高的补风也可能影响实验。美国工业卫生委员会AIHA不鼓励使用该类型排风柜。可以在一些对安全性、舒适性等要求不高的地方应用。

变风量型(VAV):节能性、安全性、舒适性、可扩展性目前变风量通风柜大有替代前两者的趋势。

安全和防护执行国家现行有关安全、卫生、辐射防护、环保法规和规定。实验区走廊设有安全淋浴洗眼器(实验室最远操作位距离紧急喷淋步行距离不能超过18m),化学分析室、样品前处理室等操作室设有桌 上型洗眼器。

消防:

执行国家现行有关消防的法规和规定。普通实验室消防使用消火栓和自动喷水灭火系统,精密仪器室使用气体灭火消防(高压细水雾)。化学品储存室使用专用的消防系统。 固定灭火器按《建筑灭火器配置设计规范》GB50140执行。

气体管路要求:

实验室供气模式:集中供气方式。气体分类储存,助燃性及易燃性气体分开储存。每栋楼分设两个气瓶 间:惰性气体气瓶间;可燃气体气瓶间(要考虑建筑物及内饰机电的防爆性能)和一个动力气源间。使用单独的气体管井输送到实验室内。 包括氢气、氧气、氮气、煤气、乙炔、压缩空气和真空等气体管道。气瓶室的设计考虑墙体防爆、楼板承重、防火门、换气次数、泄爆容 积比、报警系统。气体管道均采用BA级SUS316L不锈钢管材,确保气体工程的使用气体的纯度达到99.999%,管路使用全自动无缝焊接技术。 考虑使用点气体泄漏报警装置。

考虑不同仪器的使用压力不同。特殊气体应考虑特殊的输送及储存方式。

给水排水要求:

给水、热水:给水-合理设计用水点,尽量减少管路距离。PPR或不锈钢管。热水-循环系统,避免死水区。PPR或不锈钢管。

排水:需要在最大程度符合预设位置要求,坡度符合《建筑给水排水设计规范》,密封性好,避免污水及气味泄露。实验室排水管选择塑料管路,如PVC-U,CPVC,耐酸碱腐蚀,耐高温。

纯水:

水质满足GB/T6682-2008《分析实验室用水规格和试验方法》中规定二级水的要求。

纯水系统,电阻率≥5MΩ.cm。

超纯水水质要求:电阻率≥18.2 MΩ.cm,25℃。考虑纯水的输送问题(循环系统,避免死水区)采用SUS316L不锈钢管材。

实验室废水处理:洗涤性废水需要对其成分进行检测,能够达到污水排放标准,直接排入市政污水管道。

对于不能达到标准的污水,可简单进行处理,或者储存在污水池待污水处理公司定期拉取进行处理。

废弃溶剂废弃溶剂需要分类储存,交由专业的处理公司进行处理。

实验建筑以其特殊性,对通风空调系统也有着不同的要求。实验建筑内将不能单纯的追求环境的舒适性,应重点考虑室内有毒物残留控制、噪音控制、压力控制以及节能控制,通风空调系统还将兼顾末端设备的使用要求。

实验室通风空调设计目的:

充分保证人员、环境的安全;

实验环境:符合实验条件;

提供使用者舒适健康高效的工作环境;

实验室的运行维护,能耗;系统的灵活性。

通风设计也应配合实验室的整体形象,完善设计需求,努力创造一个安全、 高效、明亮、且令人心情舒畅的实验环境,不是所有实验室的通风空调设计都一成不变,适合于实验室整体定位的才是最好的。

实验室通风系统分类:

研究类实验室由于实验室的建设目的是基于目前的研究方向,研究方向的改变必将导致实验内容、实验室布局的改变。因此在设计研究类实验室通风系统时还应考虑系统的可持续性发展要求以及灵活性要求。实验室将采用标准化(标准单元组合设计)设计,保证实验方向的随时可调。

为保证标准实验室的可调整性,设计时应充分考虑了风量的预留以及通风系统调整的便利性。通风管路需采取标准布局形式,使用统一的管径以平行的方式进入室内,保证在任何位置的通风都能接入系统。通风系统通常以楼层进行分区。

检测类实验室由于其实验内容和实验流程较为成熟,在通风系统的设置上将更多地考虑实验室和实验设备的需求,以实验排风效果的实现和成本控制为主。此类实验室通风通常以检测部门和检测内容进行分区。

建筑面积较小,且方向较为单一的实验室也可以将整栋实验楼作为一个通风系统进行设计。

在实验室排风量变化幅度不很大的情况下,实验室与办公区域的送风也可以 共用。但应对压力梯度进行严格控制,以免造成办公区域的污染。

化工类实验室由于其危险性实验较多,可燃溶剂、气体使用量较大,因此实验室内设置的通风柜数量较多,换气次数较大(通常8-10次)。医药、食品类实验室重点考虑人流物流的污染控制,实验室内的洁净控制等,换气次数相对较小(通常6-8次),但压力梯度控制较严格。

实验室通风设计要求:

实验室换气次数:

ASHRAE-实验室总的换气次数应由以下其中一项决定: 1.实验室排风设备总的排风量。

2.满足实验室中温度要求所需换气次数。

3.最小换气次数要求。

“...能够保持室内4-12次/小时的换气次数是比较合适的..”–OSHA-美国职业安全和健康管理委员会

“...最小换气次数必须保持在6-10次/小时,并保证100%使用室外空气。”-ASHRAE-美国供暖制冷及空调工程师学会

“...当实验室无人使用时(夜间或周末),我们要求最小换气次数为4次/小时,当有人使用时则通常要求不小于8次/小时,最小换气次数应与实验室的使用状况相一致。”-NFPA45-美国全国防火委员会

通风柜面风速:

美国职业安全与健康管理委员会0.3-0.5m/s;

美国国家标准0.5-0.6m/s;加拿大国家标准0.5 m/s;

澳大利亚标准 0.5m/s;英国标准0.5m/s;

瑞典标准0.5m/s;日本标准0.4m/s;

德国工业标准0.3 m/s;中国标准0.3-0.5m/s,特殊工艺需要时面风速可由工艺确定。

参照以上相关标准,应根据实验室的类型不同设置工作状态6-10次/小时的换气次数,并保证实验室内有毒气体含量小于0.5PPM的要求。排风柜的工作面风速应满足0.5±0.1m/s的面风速,以便保持良好的室内状态。

过高或者过低的通风柜工作面风速都将导致实验室出现安全隐患。过低的面风速将使得通风柜内的有毒气体被人员走动带出通风柜,而过高的面风速>0.76m/将使得通风柜内产生大量的气体紊流,导致有毒气体不能有效排放。

设计参数:

通风柜的排风量可根据下式计算:[陆耀庆 供热空调设计手册]

L=3600A·v·βm3/h

A—操作口或缝隙实际开启面积,m2;

v—罩面风速,m/s;

β—安全系数,一般取β= 1.05~1.1(根据通风柜产品选取)。

实验室压力控制:

“通风...空气由非实验室环境区域进入实验室后应直接排放出实验室建筑外部”-美国职业安全与卫生管理局(OSHA)

“任何条件下,进入实验室区域的空气...应来自办公区,走廊等区域 - Prudent Practices

“...在实验室室内压力控制过程中,保持室内外特定压差并非我们的最终目的,我们真正需要达到的是使得空气在室内外流通时,能够以某一速度保持恒定流向 -美国国家标准协会(ANSI)/美国工业卫生协会(AIHA)Z9.5

“实验室,作为污染抑制的二级屏障,应始终保持实验室为负压,以充分保障周边临界区域的安全。在洁净室或者无菌设施里,则相反, 要求保持室内为正压,以防周边区域不洁净气体进入。- ASHRAE美国供暖制冷及空调工程师学会

实验室工作区域的压力相对于走廊和非实验区域应始终保持相对的负压。

实验室内应满足有效、连续的排风以降低实验室内有毒气体的残留。通常来说,实验室的通风系统将24小时工作。从图上可以看出,实验室需要有效通风30分钟以后才能满足安全要求。

常规实验室由于使用大量的化学试剂及有机溶剂,相应的试剂、溶剂挥发以及实验产生的有毒性气体将在实验室内普遍存在,在设置实验室的室内压力时即应考虑控制有毒气体不能外溢到公共区域。实验室与公共区域将设置-10Pa的负压,适当地控制实验区及公共区域的通风比例,将能达到预期的控制效果。

实验室内微负压控制将依靠严格控制的通风差值进行实现。常规来说,送风量将设置在排风量的70-90%(视实验建筑情况而定)。

实验室内同时应考虑通风气流布局,以保证室内有毒气体得到有效排放。有效的气流走向以及不同区域的压力控制的实现将会极大程度地增加实验室的安全性。

设计应考虑通风风管内的风速设定,严格控制实验室内噪音小于JGJ91-93 OSHA要求的55分贝,排风管径应同时应考虑未来发展的预留空间。

有防爆要求的特殊实验室(如气瓶室、溶剂储存室等)将参照《建筑设计防火规范》、《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》对防爆、泄爆、换气进行特殊考虑,应单独设置防爆风机,保证室内有效的换气次数。

实验室通风系统的基本组成:

1、通风末端设备:主要包括通风柜、万向排气罩、原子吸收罩、吹吸式排风罩等。

2、排风风道系统: 主要包括风机、显热回收、风管风阀、消声器、废气处理设备等。

3、送风风道系统:主要包括新风机组、显热回收、风道、风阀、 消声器、风口等。

4、控制系统:

实验室将按照通风分区设置新风机组,新风机组通常采用变频组合式新风机组,包括:过滤段、热回收段、盘管段、加湿段、风机段。变频排风机组将按照设计要求在本层进行设置或集中设置在设备层。

实验室通风将需要能根据设备的使用情况和压力变化情况进行联动,以保证实验室内的气流稳定、安全。

通常来说,根据实验室和排风要求的不同,排风管道可设置为:不锈钢、PVC、无机玻璃钢等;新风管道可设置为:镀锌钢板、布袋式风管等。

实验室通风控制系统:

实验室通风系统、气体泄露监测系统、消防系统将需要设置有效联动。实验楼内将分设控制中心,气体监测系统、通风自控系统将集中到楼内控制室,所有点位保证可视、可控。对于大型实验室通风控制系统将采用主动式、压力无关的控制系统,对通风流量精准控制:

压力无关:

美国国立卫生研究院设计方针及规范参考资料-机械

任何新建的实验室设施内的通风柜都应安装具有压力无关型的气流量监测装置,并且与实验室区域内的视频或音频报警器相连。

ASHRAE-美国供暖制冷及空调工程师学会

系统可分为压力无关和压力相关两种类型。压力相关系统通常是采用定风量控制,并对每台排风蝶阀的平衡叶片进行手动调节。如果压力相关系统内增加额外的通风柜,那么整个系统必须重新调整平衡,排风机的转速可能也要进行调整。由于压力无关型的系统更加具有柔性,所以在当今的设计当中,已经很少采用压力相关型的系统了。

系统空气量的改变会造成风道内静压的变化;

缓慢的响应时间会在设备之间产生振荡;

在风道环境中流量设备必须精确操作。

变风量阀门的反应时间需要小于1秒,通风系统风量的平衡时间需要小于3秒,以满足安全要求:

由于之前介绍的通风柜面风速的限制要求,实验室内通常都需要设置通风控制系统,系统将有效控制通风柜的面风速满足规范要求,同时即时调整房间内的通风流量以满足压力控制的需求:

定风量(CV)控制系统:

变风量(VAV)系统:

自适应(UBC)系统:

双稳态(2-State)控制系统:

实验室负压控制系统:

通过被动式的压差跟踪或主动式的流量跟踪进行控制:

实验室最小换气次数控制:

对于单个实验室房间其中有多台VAV排风柜,室内相对走廊保持负压状态,在排风柜最小开度时需要辅助排风保持最小换气次数。

通风柜面风速控制:

将通过位移传感器或风速传感器配合文丘里阀或电动蝶阀进行控制,满足规范的面风速要求。位移传感器(水平、垂直、组合)准确、灵敏但相对复杂,风速传感器简单、直观但相对不准确。

通风柜控制原理:

自适应系统需设置区域状态传感器。

风量控制阀控制原理:

风量控制阀:变风量蝶阀;文丘里阀。

风量控制阀类型:定风量;双稳态;变风量。

风量控制阀技术要求:

压力无关:响应时间<1秒,精度<信号的5%;

稳定控制<5% 振荡,控制范围:调节比为10比1系统;间稳定性<1秒,精确度不受风管布局影响,耐腐蚀性,可靠性高/简单灵活。

对于简单的、变风量设备较少、室内环境控制要求不是很高的实验室,蝶阀或文丘里阀都将能满足要求;对于系统较为复杂、变风量设备较多、室内环境控制要求较高的实验室,建议使用压力无关的文丘里阀以保证系统的稳定性和安全性:

在压力变化的情况下,文丘里阀风量基本没有变化。

Phoenix文丘里阀工作原理:

风量控制:

风量标定:

文丘里阀与蝶阀的比较:

实验室间通过485通讯接口(ModBus-RTU协议)将该系统相关的各阀门控制 风量、通风柜调节门开度、DDC的控制、各种报警信息传至楼控管理系统。

实验室通风系统节能、环保:

通常来说,由于实验设备的排风量较大,以1.5米宽通风柜来说,每小时的排风量为1300立方米。对于实验建筑来说,实验室的独立通风系统不但有利于实验安全,同时有利于大幅度的节能。

实验室送风为全新风系统,为保证节能内部舒适性通常靠室内盘管(或VRV) 解决。当实验工作暂停期间,通风系统将可进行关闭,只使用室内盘管(或VRV)进行温度调节。实验室排风同时应设显热回收系统。

实验室新风温度设置:冬季新风补给空气温度为17℃~19℃,夏季新风补给空气温度为 26℃~28℃,这样将有利于未来使用的大幅度节能,对于特殊需求的实验室(如液质使用区),可用可调节式的室内盘管(或VRV)来降低局部区域内的温度。

按照马塞诸塞大学的统计结果来看,1立方米/小时的排风量,年的运行成本将为7.5美元,约合人民币47元。而一个1万平方米面积的化学实验室,设计排风量经常达到20万立方米/小时以上。通常我们会设置工作状态和非工作状态两种形式,工作状态通风柜面风速设定为0.5米/秒,非工作状态设置为0.3米/秒,实验室的换气次数可降至4次/小时。

冷梁的使用仅限于:排风量变化幅度不是很大、设备发热量较大、用水点较少且房间密闭性较强的实验室。

对于实验室废气的处理,目前有水洗塔、高空排放、射流风机、干式化学过滤、就地化学溶液过滤等方式:根据《环境空气质量标准》和《大气污染物综合排放标准》,实验室产生的废气需要进行处理方能进行排放,综合对比通常建议采用干式化学过滤的方式:

P3生物实验室建设标准和要求

P3生物实验室建设标准和要求

生物安全防护三级实验室,简称P3实验室。P3实验室强调的是对病毒的防护,和普通实验室不同的是,这里防范严密,内设多道关卡,进出的人都得全副武装……整个实验室须完全密封,室内处于负压状态,从而使实验室内部的气体不会跑到外面而造成污染,其建设是一项复杂的系统建设。P3实验室适用于主要通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致死疾病的致病微生物或其毒素。
2024-02-28
百级手术室要如何设计

百级手术室要如何设计

手术室作为医院必不可少的部分,它让病人感到害怕的同时却也是他们的求生希望,手术室设计既要照顾到眼前医院设计的具体需求,又要兼顾医院整体发展的长远目标,是医院进行建筑设计的重要一环。关于百级手术室设计,手术室应设在安静、清洁、便于和相关科室联络的位置。
2024-02-26
SPF级动物房实验室建设

SPF级动物房实验室建设

SPF级实验动物房可称为洁净动物房。它需通过科学的设计建设和严格的管理。建设SPF级动物房的环境条件均符合国家有关标准,经当地实验动物监测所验收合格,新建动物房还应取得《实验动物使用许可证》,才能保证SPF级动物房的正规正常运营。
2024-02-23
洁净厂房装修施工隔间结构

洁净厂房装修施工隔间结构

洁净厂房装修施工隔间结构是指在洁净厂房装修过程中,为了保证车间的洁净度,需要对车间进行隔断处理。
2024-02-21

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