中国建筑西北设计研究院有限公司 华正博等：某生物实验室暖通节能设计

某生物实验室暖通节能设计

中国建筑西北设计研究院有限公司 华正博^☆ 王乐 王娟芳

摘要  生物安全实验室因其工艺需求，通风量大，能耗高，传统设计理念已不符合当前节能减碳的政策。本文从房间需求侧和节能高效方面列举了暖通可采用的几项节能措施，通过节能分析，采用风幕式排风柜，一台风量为1000 m³/h的排风柜一年可节省电量约1.1万度；新风系统采用冷凝热回收技术，本项目每年可节省电量约3.6万度。节能效果显著。

关键字  生物实验室  节能降碳  排风柜  串级压力控制  冷凝热泵热回收

0 引言

随着新冠疫情的爆发，全国各地新建了一大批生物安全实验室，其中以生物二级实验室占大多数。对于生物安全实验室的设计建造，首先关注的是它的生物安全性，以暖通专业来说，往往采用大风量差来实现实验室的压差要求，造成项目通风量大，耗能高。由于对卫生新风和换气次数的需求，高等级生物安全实验室的能耗非常大，这是新一代实验室建设需要面对和解决的问题^[1]。有统计，实验室的平均能耗约为普通公共建筑的10倍以上。在双碳背景下，如何在满足实验室生物安全的前提下，减小实验室的能耗是值得探讨的问题。

1 项目概况

本项目为某市疾控中心实验楼。建筑共4层，总建筑面积2590m²，建筑高度18.1m，为新建多层公共建筑。其中一、二层为微生物实验室，三、四层为理化实验室。

2 空调、通风设计

本项目暖通设计主要依据的规范为《疾病预防控制中心建筑技术规范》GB50881-2013、《生物安全实验室建筑技术规范》GB50346-2011、《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008及《病原微生物实验室生物安全通用准则》WS 233-2017。

2.1空调设计

实验室区域，根据业主及工艺要求，一层洁净实验室、二层负压P2实验室、呼吸道实验室及PCR实验室按照加强型BSL-2（BSL-2+）实验室设计，其它实验室房间按普通BSL-2实验室设计。

根据相关规范的规定，本项目BSL-2实验室和BSL-2+实验室的室内设计参数如下：

BSL-2+实验室设置全新风净化空调系统；普通BSL-2实验室满足舒适性要求即可，设置多联机系统+新风。空调新风按楼层、房间功能分区域设置。空调通风原理图如下。

图1a 舒适性空调系统原理图

图1b 净化空调系统原理图

2.2通风设计

实验室房间设置全面排风系统，换气次数不小于6次/h；除个别实验室有正压要求外，其余实验室均按负压设计。

实验室设有局部排风设备（生物安全柜、排风柜、试剂柜、抽风罩、万向罩等），根据实验性质、使用时间等原则，分设局部排风系统。

排风机均设于屋面，排风尾气分类处理达标后高空排风。

3 节能措施

降低实验室建筑的通风空调能耗，可以从两方面入手，一是降低建筑的通风空调需求，实验室除了全面通风外，还有大量的局部排风设备，如生物安全柜、排风柜、试剂柜、万向罩等，局部排风量较大，为了保证实验室的压差及室内的温湿度要求，局部排风的同时需要向房间补充新风，加上对新风的冷热处理，局部排风、补风的能耗非常高。所以可以考虑是否有办法改变传统局部排风设备的工作原理来减小通风需求；降低需求的另一个措施是优秀的通风控制策略，以往有设计的控制系统比较粗放，往往是利用大风量、大风量差来保证实验室房间的压差要求，如果能有一套设计合理的通风控制系统，则可以减少为了弥补控制系统的偏差而多付出的通风能耗。第二方面就是利用适宜的节能技术，如热回收等。

综上所述，本项目所采用的节能措施主要有以下三个方面。

3.1 新型排风柜

排风柜是实验室最重要的设备之一，排风柜按气流组织形式分为标准型和补风型两种^[2]。标准宽度为1.2m、1.5m和1.8m，操作口的平均面风速推荐为0.4~0.5m/s，排风柜的排风量范围约为900~2400m³/h。

目前医院和实验室大多采用的是变风量排风柜，变风量排风柜是安装变风量调节装置的标准型排风柜，当排风柜拉门移动后，能保持设定的面风速。规定无人操作时平均面风速为0.3 m/s，有人操作是平均面风速为0.5m/s。响应时间不大于3s^[3]。为了平衡实验室房间内的送、排风量，需要设置送风系统来补偿排风柜的局部排风。且此部分送风因直接送入实验室房间内，应进行冷热处理。

风幕式排风柜属于补风型排风柜，其在排风柜操作口增加了隔离排风柜内外气体交换的气帘，可阻挡柜内的有毒有害气体溢出。同时设置补风系统，补风可从室外直接引风送入排风柜内，用于补偿排风柜的排风，由于风幕的阻隔作用，在保证规范要求的允许泄漏量下，排风柜操作口的面风速可以降低，排风柜的排风量也可大大降低，补风直接引自室外，不但减小了对室内气流组织和压力梯度的影响，同时节省了补风冷热处理所消耗的能量。风幕式排风柜的示意图如下：

图2  风幕式排风柜示意图

与传统变风量排风柜相比，风幕式排风柜排风量约为传统通风柜的60%，且直接采用室外新风进行补风，以一台额定排风量为1000 m³/h的传统排风量为例，风幕式排风柜节约的排风耗电量及节省因处理补风热量而消耗的电量共约3kW（设计地区），一台排风柜一年可节约电量约1.1万度。

3.2 通风控制策略

对于有负压要求的BSL-2+实验室，房间力需要通过送、排风系统进行控制，实验室压力控制方法通常有变送定排、定送变排和定送定排（大压差）三种模式。实践中发现，送风量增加的直接结果是使房间趋于正压，因此变送风量控制在送风量增加（如房间的局部排风设备开启等）时出现正压逆转的潜在风险更大，对传感器、阀门响应速度和精度更具挑战性，对现场自控工程师的经验和技术要求更高，因此工程上更多采用定送变排的控制模式^[4]。

但单一参数的控制方式，对房间干扰的响应时间长，调节滞后，故本项目采用余风量控制和房间压差控制的串级控制方式，控制模式示意图如下：


 

图3 BSL-2+实验室房间压力控制示意图

此控制方式恒定房间送风量，调节房间排风量。送风量根据房间需求的换气次数及工艺要求的风量确定，房间排风通过排风管路上的变风量阀门调节。串级控制的控制回路如下图所示。

图4  串级压力控制回路示意图

房间压力控制回路是由压差控制的主环路和余风量控制的副环路组成，压差控制器根据测得的当前房间压差与压差设定值对比，计算出当前所需的余风量差，再与余风量测量装置测得的当前余风量采样值进行对比，计算出偏差，对排风管路上的变风量阀门进行调节。

房间压力控制系统的控制目标是保证房间的压差恒定，为定值控制，所以将主环路设定为压差控制环路，需要其控制精度高，调节速度快，抗干扰能力强。副回路为余风量控制，属于粗调，注重对干扰响应的快速性。通过双回路的串级控制，能快速有效的维持房间的压差稳定。

房间的控制还包括送、排风机的启动顺序控制和排风机变频运行控制。开启风机时，先启动排风机再启动送风机；关闭风机时，先关闭送风机再关闭排风机。排风机的变频控制采用定静压控制方式。

3.3 热回收技术

热回收技术是节能降碳的重要措施之一，常见的空气-空气热回收装置有板翅式换热器、转轮式换热器、热管式换热器、中间热媒式换热器、溶液吸收式热回收换热器、热泵式热回收装置。实验室排风量大，且实验室房间需保持负压，排风量大于送风量，故合理采用排风热回收技术是一种非常有效的节能手段。

实验室的排风因工艺特殊，多为有毒有异味的气体，所以必须采用泄漏量低的热回收方式，如热管热回收、中间热媒式热回收、溶液吸收式热回收或者热泵热回收方式，不能采用转轮式、板式或板翅式热回收装置。

本项目使用了热泵热回收技术，实验室的排风经处理后进入热泵冷凝器，回收室内冷量。通过冷媒管连接至新风机组的表冷段，室外新风经表冷段冷却处理后送入室内，室内排风与送风彻底隔离，无交叉污染，且回收效率高。原理图如下：

 

图5 分体冷凝热泵热回收机组原理图

由于冷凝器的进风温度低，冷凝热回收热泵机组的能效相比普通的新风机组高，根据某热泵厂家的测试数据，相较普通新风机组，相同制冷量下，冷凝热回收热泵机组的压缩机电量可节省10%左右。本项目新风总冷负荷约为600kW, 普通的新风机组的制冷能效比按3.0计算，新风制冷总耗电量为200 kW。而采用冷凝热回收热泵机组，总新风制冷总耗电量为180kW。每年可节省电量约3.6万度电。

4 结论

1）生物实验室属于高能耗建筑，设计时需在保证生物安全的前提下考虑节能措施。

2）应鼓励业主对排风柜进行考察对比，在满足实验工艺要求的前提下，采购通风量小，能耗低的产品。

3）串级压力控制对有压差要求的房间具有较好的控制效果，对于压差要求特别严格的场所，主环路控制器可以选择控制精度更高、调节速度更快、抗干扰能力和鲁棒性更好的自抗扰控制，代替PID控制器。

4）冷凝热回收技术用于实验室房间具有较好的节能效果，但在使用时，应注意室外机的防腐问题，实验室排风往往具有酸碱腐蚀性，室外机应有相应的防腐措施。

参考文献：

[1] 亚太建设科技信息研究院. 生物安全实验室建设与发展报告[M].北京：科学出版社，2021

[2] 国家机械工业局.JB/T 6412-1999 排风柜[S]

[3] 中华人民共和国建设部. JB/T 222-2007 实验室变风量排风柜[S]

[4] 梁磊.高等级生物安全实验室压力控制方法[J].暖通空调，2020,50（1）：43-49

☆ 华正博，男，1987年7月生，硕士研究生，高级工程师。

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