通风柜系统工程设计及应用
1 通风柜的功能
通风柜最主要的功能是，将实验操作时产生的各种有害气体、水蒸气、气味、余热等，控制在通风柜内并排至室外，达到为了保护使用者的安全，防止实验中的污染物质向实验室扩散的目的。
通风柜在各种生化和理化实验室中有着非常广泛的应用，在保护实验样品的纯度、保证实验结果的准确、维护实验室环境的清洁、改善劳动卫生条件和提高工作效率等方面，发挥着至关重要的作用。
2 通风柜的种类及选择
2.1 通风柜的分类
通风柜是由局部排风罩发展而来的。传统意义上的通风柜的分类如下：
按照排风方式分类：分为上部排风式、下部排风和上下同时排风式三类。
按照进风方式分类：分为排风型和补风型。通过室内进风从柜内排出室外称为排风型，从室外进风在柜内循环后排出室外的方式称为补风型通风柜。
按照排风量是否恒定分类：分为定风量和变风量型。操作中排风量恒定不变的为定风量型；保持恒定的面风速，排风量随着柜门开启度的大小而改变的为变风量型。
按照排风是否循环分类：分为全排风型和无管过滤型。
按照结构形式分类：分为台式、落地式和连体式等。
按照安装形式分类：分为固定式和移动式。
按照柜体制造材质分类：分为全钢制、钢木制（型钢骨架＋三聚氰胺中密度板）、玻璃钢制、混凝土等类型。
2.2 通风柜的选择
通风柜的选择需要综合考虑的因素有：实验内容、实验要求、实验规模、试剂种类、实验室内通风柜数量、实验者操作习惯和投资等。
实验如果是冷过程，通风柜宜采用下部排风式；如果是热过程，通风柜采用宜上部排风式。若实验发热量不稳定，可采用上、下联合排风式。
若实验的规模较大，单台通风柜无法满足实验要求时，往往采用连体式通风柜，2~3台甚至多至6台通风柜连通运行。若仅仅进行台面上操作，可以选用台式通风柜。若实验者需要步入操作，则需要采用落地式通风柜。
如果实验对室内环境和进风洁净度有特殊要求，或者在实验室内安装的通风柜数量较多，宜采用补风型通风柜，并且根据需要对来自室外的自然风进行热湿处理和过滤。条件许可时，最好排风和补风均为变风量控制。
如果实验室设有空调或采暖系统，或者在实验室内安装的通风柜数量较多，宜采用带变风量控制系统的通风柜，达到节能目的。
如果实验采用的试剂品种或实验产物含有易燃、易爆、放射性物质和无法用化学过滤器吸附的有机成分，试剂消耗量大，通风柜操作时间长，应选用全排风型通风柜。反之，可以考虑无管过滤型通风柜。由于无管过滤型通风柜为100%循环风，能否使用还需由制造商根据应用条件进行判断。
不同材质的通风柜价格差别很大。混凝土通风柜造价最低，由于它是现场加工，质量和使用效果均比工厂化专业生产的逊色很多，近20年来几乎不再采用。玻璃钢通风柜防腐性能好，价格不高，由于是工厂内手工制作，且玻璃钢材质性能差别很大，使得其外形美观程度和使用寿命差别亦较大，目前在工业企业中还有使用。钢木结构的通风柜，采用了三聚氰胺中密度板，是三聚氰胺浸渍胶膜纸干燥、固化到一定程度后，将其铺装在中密度纤维板表面经热压而成的。其表面虽然耐腐蚀，但中间所夹的中密度板，是以木质纤维或其他植物纤维为原料，施加脲醛树脂或其他适用的胶粘剂制成的人造板材，并不耐腐蚀，使用寿命不及全钢结构。现在，科研机构和大学里广泛使用的是钢制通风柜，特别是全钢制的，这种通风柜通常采用镀锌钢板，表面静电喷涂环氧树脂；或者为全不锈钢，能够机械化加工，质量易于保证，外形美观，强度较高，表面处理后耐腐蚀性强，使用寿命长。
3 通风柜系统设计
3.1 设计前期需了解的内容
在进行设计之前，首先要了解实验室以下内容：
实验室的总体规划，包括建设规模、在总图上的位置、当地风玫瑰图等。
了解实验室的性质、目的和任务，确定各类实验室的功能。
了解工艺条件，如试剂的品种和年消耗量，每间实验室通风柜数量和总量，通风柜长度、实验室的环境要求包括温度、湿度、洁净度和风速，
了解甲方、特别是实验室操作人员的要求和习惯，是否需要考虑通风柜预留，实验室今后是否有灵活分隔的可能，有无行政管理和分别计量的要求等。
了解实验室布局、房间尺寸、层高、净高、结构形式、屋顶形式和吊顶形式等。
了解项目的环境影响评价报告书及其审批意见，确定通风柜排风是否需要处理。
工程投资限额和分配给通风柜系统的比例。
3.2 设计依据
一般下列标准和资料作为通风柜系统设计的依据
国家和地方相关标准和规范
各政府管理部门的审批意见，环境影响评价报告书及其审批意见
甲方的要求
工艺资料。
3.3 设计原则
应以安全、实用、有效、经济为原则，使有害气体在尽快就近排走，不至污染环境和操作者，并使实验中的气态污染物全部控制在通风柜以内。
应工艺和建筑专业结合，合理确定通风柜在实验室的位置。通风柜应设置在受气流干扰少的地方，尽量远离门口、送风口和人员频繁往来的通道，避免无组织气流对通风柜排风流场形成干扰；同时，也应远离精密仪器，避免通风柜排风影响仪器操作。
应根据实验性质和实验室工艺要求，选择通风柜类型，确定通风柜数量；详见前文“通风柜的选择”所述。综合考虑各项因素，确定通风柜排风系统和补风系统形式，确定通风机房和通风竖井的位置。
应根据建设项目环境影响评价报告书及其审批意见，以及污染气体成分，确定需要采取的废气处理措施，选择处理设备。
合理布置风管，尽量缩短管道长度，减少风管阻力，降低风机功率和噪声。由于实验时常常有水蒸气或试剂蒸发到排风中，在严寒和寒冷地区冬季的排风管中会出现冷凝现象，因此，水平排风管应设坡度，并尽量避免风管上、下翻弯，以免冷凝液积聚；必要时应在排风管和排风机最低点分别设置带手动密闭阀的泄水管。
合理选择风机。风机选择应考虑以下因素：
首先排风机材质应耐腐蚀，一般应选择离心风机，使电动机置于排风气体以外；
考虑施工和今后实验室变化的可能性，风机风量和压头均要考虑一定的余量;
为减少噪声和振动，风机的转速不应高于1450r/min。
合理确定风机安装位置，风机位置应考虑以下因素：
由于风机的噪声和振动，其安装地点应尽量远离对噪声和振动有限制的房间，并相对集中布置；便于安装和维护；
风机尽量布置在机房内，尤其是在严寒和寒冷地区，既便于隔声减振，又可防冻；
排风机尽量布置在靠近排放口处，如顶层或屋顶，使室内的排风管道处于负压段，避免漏风对风管穿越的其它房间产生不利影响。
确定通风柜排风系统和补风系统的控制方式。空调房间应考虑房间压力控制，并与整个实验楼的楼宇控制系统相结合。
3.4 系统设计
3.4.1 面风速的确定
目前，我国没有国家标准和规范对于通风柜面风速作出明确规定，工程设计通常按照设计手册的推荐值，或者甲方和工艺要求确定，见表1。
表 1 通风柜面风速
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序号
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通风柜内有害物种类
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面风速(m/s)
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备注
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1
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无毒有害物
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0.25~0.375
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【1】
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2
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有毒或有危险的有害物
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04~0.5
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3
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极毒或少量放射性有害物
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05~0.6
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4
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放射性有害物
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≥1.0
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【2】
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5
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同位素实验室内用
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1.5
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【3】
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3.4.2 排风系统形式
通风柜排风系统常见形式主要有一下几种，见表 2。
表 2 通风柜排风系统形式
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系统
形式
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一对一系统
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一对多系统
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变风量系统
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共用系统
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系统
描述
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每台排风机均只服务于1台通风柜
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2~4台通风柜共设1台排风机。
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1台排风机与多台通风柜对应设置， 风机均配变频控制器
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通风柜与其它局部排风或全面排风共用系统
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运转
状态
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风机定速运转，仅有启动、停止两种状态。
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风机通常按2台或3台通风柜同时运行选型。风机速运转，而通风柜按需要切换使用。
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排风机根据通风柜运行数量和柜门开启程度变风量运行。
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排风机通常变风量运行，其它排风口可以与通风柜切换使用。
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优点
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运行可靠，
控制简单，
通风柜之间无干扰，
造价较低。
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造价低，
风机数量比一对一系统少。
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运行可靠，安全性高；
变风量运行，节能，
风机数量少，占地面积小，
面风速恒定，
便于废气处理，
排放口数量少，
噪声低。
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系统简单，
控制简单，
变风量运行时节能，
造价较低，
风机数量比一对一系统少。
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|
缺点
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风机数量多，占地面积大；
排放口数量多，
不便于废气处理，
风机定风量运行不节能，
柜门关小时面风速过大，噪声变大。
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通风柜切换繁琐，
每台通风柜的排风量难以准确平衡，
面风速不足时污染气体可能外溢，
风机数量比变风量系统多。
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控制复杂，
造价高，
调试困难。
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通风柜柜门开启度低时面风速增大，
风机数量比变风量系统多。
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适用
范围
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适用于通风柜之间实验差别较大，要求分别计量和归属不同管理人，投资额较低的项目。
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适用于通风柜安装于同一房间或进行的实验类型接近，同时使用率不高，投资受限的项目。
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适用于通风柜的实验类型接近，安全性要求高，投资充裕的项目。
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适用于通风柜安装于同一房间或进行的实验类型接近，同时使用率不高，投资额中等的项目。
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3.4.3 补风系统形式
通风柜补风系统常见形式见表 3。
表 3 通风柜补风系统形式
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系统
形式
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自然补风
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机械补风
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||
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新风不处理
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加热新风
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空调风
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优点
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造价低，
能耗低，
系统简单。
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房间压力可控，
造价较低，
能耗较低，
系统较简单。
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房间压力可控，
冬季能保证室温。
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房间压力可控，
房间温、湿度保证，
效果好。
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缺点
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房间压力不可控，负压过大时会影响排风量和房门的开启，
房间温、湿度不保证，
实验样本存在被污染的可能。
|
房间温、湿度不保证，
实验样本存在被污染的可能。
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房间夏季温、湿度不保证，
造价较高，
能耗较高。
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系统复杂，
控制复杂，
造价高，
能耗高。
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适用
范围
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资金匮乏的项目
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资金有限的项目
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严寒或寒冷地区的项目
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资金充裕的项目
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3.4.4 控制系统形式
通风柜控制系统常见形式见表 4。
表 4 通风柜控制系统形式
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控制
形式
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排风机启停控制
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排风机启停及补风机连锁控制
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排风机启停或变频及不同通风柜切换控制
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通风柜面风速控制
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通风柜面风速控制+红外线检测
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通风柜面风速＋房间压力控制
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适用
范围
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采用自然补风的一对一系统
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采用机械补风的一对一系统
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一对多系统
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采用机械补风的变风量系统
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采用机械补风的变风量系统且实验者远离时可以降低面风速
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对房间压力有要求的采用机械补风的变风量系统或共用系统
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特点
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简单，造价低
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简单，造价低
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较简单，造价较低
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较复杂，造价较高
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较复杂，造价高
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复杂，造价高
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3.4.5 废气处理
通常理化实验会采用多种试剂，通风柜的排风中气体成分复杂且多变，有害物浓度不高，一般能够直接排放。只有在一些特殊情况下需要进行排风处理。
实验中大量使用高浓度强酸、强碱时，可以采用废气净化塔，以酸碱中和的原理处理排风。
实验中使用放射性核元素时，排风应经过高效空气过滤器处理后排放。
实验中使用氨或实验产物含有氨、恶臭或痕量致癌物时，排风应经过活性碳过滤后排放。用于吸附气态物质时应选择粒状活性碳，其四氯化碳的活性应高于60%。
通风柜内做标记实验时，排风口应设除碘过滤装置。
4 通风柜应用实例分析
4.1 一对一系统
某大学生命科学学院总建筑面积27000m2，设有102台通风柜，所有通风柜的排风机均置于屋顶5个风机房内，实验室设有新风和全面排风系统，通风柜排风时采取自然补风。
某大学理科楼，总建筑面积38000m2。通风柜共47台，主要集中在11~14层的化学、生物和环境实验室，通风柜排风机均置于15屋顶。
这种一台排风机对应一台通风柜的系统，使用灵活，互不干扰，得到实验人员的好评。这两所大学，通风柜在一天中的使用时间不长，因而实验室的环境参数基本不受影响。如果通风柜长时间集中使用时，实验室的舒适度可能会受到影响。
4.2 共用系统
某大学化学学院的新楼总建筑面积19700m2。采用的是2~4台通风柜共设1台排风机的一对多系统。每间实验室的标准配置是设3个通风柜（1.8m的2个、1.5m或1.2m的1个），和两个房间排风口（设于吊顶上），每个实验室配置1台排风机和1个变频控制器。每个通风柜都装有位移传感器，随着玻璃柜门开启（升降）幅度的变化自动调整系统的排风量，以维持通风柜正面的面风速基本不变（风速为0.5±0.1m/S）。当所有通风柜的玻璃柜门都关闭（降到底）时，吊顶上排风口的电动风阀随即自动开启，通过吊顶上的2个排风口进行全面排风。当任一通风柜的柜门开启时，吊顶排风口随即关闭。
每层设有新风系统，新风一部分送至走廊，一部分通过吊顶上送风口送入实验室。新风系统夏季送冷风，过渡季可送自然风，冬季不送风。
通风柜与房间共用排风系统的特点是：
（1）通过位移传感器直接控制变频器，风管内不装传感器，避免了传感器被腐蚀和污染，在较低成本下实现变风量控制。
（2）通过玻璃柜门的升降直接调整排风量，控制简单。
（3）节能效果好，小风量排风时既可省电、又可减少冷、热量损失。
（4）低速排风时，室内外噪声降低。
（5）通风柜柜门半开至全开时面风速约为0.5m/s，柜门开启高度小于300mm时面风速约为1m/s,风速增大。面风速不稳定。
4.3 变风量系统
变风量系统在外企研发实验室大量应用，仅以国内某生命科学研究所实验及办公楼和某出入境检疫检验局大楼采用的是变风量通风柜控制系统。
某生命科学研究所实验及办公楼总建筑面积18000m2。设有变风量通风柜的通风系统8个，每个系统并联6台通风柜，送、排风机均变频控制，送、排风之间设有空气热交换器，回收排风能量。
某出入境检疫检验局大楼14~19层为实验室。全楼设有36台通风柜，排风系统根据走廊、房间和通风柜的压力梯度、采用变风量阀和变频器，控制通风柜的排风和补风。同时，通风柜排风经酸雾吸收塔净化处理后排放。
变风量通风柜系统的面风速控制和实验室环境舒适度较好，但如果按照每台通风柜面风速进行变频控制，则出现风阀频繁动作、调节滞后、风机振动和噪声大等现象，实际应用时变频器往往难以做到无级调节。
4.4 无管过滤系统
当实验规模不大、实验强度和频度不高时，无管过滤型通风柜以安装简便、使用灵活、安全节能的特性成为首选。由于无管过滤型通风柜配装了分子过滤器、排风机和风速仪，还可以选配亚高效过滤器或高效过滤器，只要排风中的污染物能够被过滤器吸收，出风口污染物的浓度低于GBZ 2.1-2007、GBZ 2.2-2007中的规定值（PC-TWA、PC-STEL、 PC-MAC中的最严格值），过滤后的空气不需排出室外而在实验室内再循环，运行可以取得显著的节能效果。同济大学李强民教授等人曾经以上海为例，计算一台排风量为2300m3/h的无管过滤型通风柜节约的能耗及费用，共节省全年新风耗冷量79207kWh，全年新风耗热量34106kWh，能耗费用55170元。【4】
这种无管过滤系统的净气型通风柜已在中国科学院上海药物研究所、北京兽药监察所，北京四环制药厂等多家单位使用。
目前，《再循环自净型排风柜》国家行业标准的制定工作已接近尾声。
5 总结
通风柜排风系统的选择受到诸多因素影响，应用时需要根据具体情况分析后确定。只要系统合理，哪种系统都能够取得令人满意的使用效果。