ASHRAE 110与EN14175测试标准比较

实验室排风柜测试方法的比较与分析

EN 14175,ANSI/ASHRAE 110和JB/T 6412-1999比较分析

李斯玮 刘东

同济大学机械工程学院

摘 要:本文对欧洲标准(EN 14175)、美国标准(ASHRAE 110)和中国标准(JB/T 6412-1999)中排风柜的测试方法进行了对比研究,详细分析了各个标准中基本测试条件、面风速测试方法和污染物浓度测试方法的差异,综合比较后得出的结论认为ASHRAE 110 中的测试方法具有较高的综合评价。

  • 引言

排风柜是实验室中控制污染物的重要设备。目前,为了确保实验人员的安全和健康,对实验室环境控制的要求越来越高,人们也越来越关注排风柜自身的效率和安全性,并制定了相应的排风柜标准,如美国在 1995 年制定了 ANSI/ASHRAE 110-1995[1],并在2003  年对其进行了修正[2],出 版了 BSR/ASHRAE 110;欧洲在 2003 年制定了欧洲标准 EN 14175[3];我国在 1999 年也制定了相关的标准 JB/T 6412-1999 以指导和规范国内排风柜的生产和使用[4]。

本文将对EN 14175、ANSI/ASHRAE 110-1995(包括 BSR/ASHRAE 110P 中一些修正,以下都简称为ASHRAE 110)和 JB/T 6412-1999中提到的排风柜检测方法进行比较。

  • 主要测试项目

排风柜内的气流组织必须合理,以利于控制柜内散发的污染物,并使其顺利排到室外,而不会通过排风柜的操作口散逸到室内,危害实验人员的健康和安全。为了评价排风柜的这一性能,尽管各个国家制订的标准细则存在差异之处,但都具有两个相同的基本要素, 即:面风速和污染物控制浓度。

美国国家标准学会(ANSI)和美国工业卫生协会(AIHA)在 1992 年制定了 ANSI/AIHA Z9.5-1992 实验室通风标准,强调面风速是评价排风柜性能的一项重要指标。所谓面风速,即排风柜操作面上的控制风速。一般要求面风速应控制在 0.4~0.6m/s 的范围内。面风速太小,说明排风机在操作面上的控制效果不够,柜内污染物容易摆脱预定的气流排放路径,经由操作面逃逸出排风柜;面风速太大,容易在柜内靠近出口处的区域产生紊流,影响排风柜的气流组织形式,污染物可能会积聚在排风柜内的角落或从操作面逸散出排风柜[5, 6]。理想的面风速测试结果,应使面风速大小在预定范围内,且在操作面上的风速分布尽可能均匀。

然而研究表明,即使在面风速合乎要求的情况下,排风柜对污染物的控制情况并不一定能够达到预期的目标。从 176 份根据 ASHRAE110 进行的排风柜测试报告发现,排风柜面风速与示踪气体的控制浓度之间的相关系数仅仅只有 0.24[7]。因此,1995 年,ANSI和美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)推出的 ANSI/ASHRAE 110-1995 实验室排风柜性能的测试方法中不仅坚持了面风速的测试,还首先提出了另一项评价排风柜性能的指标:污染物浓度测试。目前绝大多数国家都已经将污染物测试列为排风柜测试中另一项非常重要的评价指标。污染物控制浓度,是指在在排风柜正常运行时,在柜内以 2 L/min 的速度释放示踪气体, 操作面上的示踪气体浓度。在ASHRAE 110 和 JB/T 6412-1999 中,采用柜前假人呼吸带处的示踪气体浓度作为控制浓度,其柜内示踪气体的释放速率为 4 L/min;而在 EN 14175 中,采用的操作面上的示踪气体浓度作为控制浓度,此时,柜内示踪气体的释放速率为 2 L/min。相比较于面风速而言, 污染物控制浓度能够更加直接地反映排风柜的污染物控制效果。但由于自然界的化学物质很多,污染物控制浓度所反映的也只是排风柜对于与所选用示踪气体化学物理性质相近的化学物的控制情况,所以污染物控制浓度这一项指标也并不能全面地反映排风柜性能。因此,目前各国标准主要利用面风速和污染物控制浓度两项指标来评价排风柜的性能,并根据自己的国情相应地增加一些其他评价指标。

  • 各国标准概述

2.1 美国标准(ASHRAE 110 Method of Testing Performance of Laboratory Fume Hood)

ASHRAE 110 是目前世界上适用范围最广的排风柜标准,其目的是为了提供定量和定性的测试方法来评估实验室排风柜对污染物的控制能力。定量的测试方法就是上文所述的面风速测试和污染物控制浓度测试,而定性的方法是流动显示测试。

流动显示测试是利用可视的烟气来直接显示排风柜内气流的流动方式。在 ASHRAE 110 中,流动显示测试分为两种:微量烟气测试和大量烟气测试。这种定性的测试方法具有操作简便、结果直观的优点,但也有其局限性。首先,主观性强。尽管 ASHRAE 110 在不断加强对其测试结果描述的规范性,如最新的BSR/ASHRAE 110P(即 ANSI/ASHRAE 110-1995 的修正版)不仅增加了流动显示测试的内容,还规范了对其检测结果的描述方式,该描述仍然具有相当大的主观性,其可信度也因此降低。其次,该结果无法量化。两个描述相同的结果之间无法进行进一步比较。最后,人眼观察的范围有限,对于其微小的变化或散逸无法辨别。鉴于以上这些局限性,流动显示测试始终都只是一个辅助测试,而无法成为一个必要的评价指标。

2.2 中国标准(JB/T 6412-1999 排风柜)

JB/T 6412-1999 中规定了排风柜的型式、基本参数和尺寸、技术要求、测试方法和检验规则、以及标志、包装、贮存。其中测试方法部分除了引用 ASHRAE 110 的测试内容外,还增加了阻力测试一项。 阻力测试的目的是为了测量排风柜的阻力,该指标可以从另外一个侧面间接反映排风柜的设计是否合理,气流流动是否平缓顺畅。

其测量原理是利用毕托管测出排风管道内的全压值和动压值,再由动压值算出管道内的风速,然后根据风速算出各接头的局部阻力和管道内的沿程阻力。用开始测出的全压值减去动压、局部阻力和沿程阻力后剩下的就是排风柜阻力。

2.3 欧洲标准(EN 14175 Fume Cupboards)

EN 14175 的描述在目前所有排风柜标准中最为详细,共有 6 个部分,分别是:《术语》、《安全规范和运行要求》、《规范测试方法》、《现场测试方法》、《安装和维护建议》和《变风量排风柜》。其中在《规范测试方法》中详细描述了在检测室进行排风柜检测的测试方法, 共分为:气流测试、拉门测试、气流指示器测试、结构和材料测试及照明测试五大部分,其中气流测试部分与ASHRAE 110 相比,略去了流动显示测试,而增加了抗干扰测试、换气效率测试和压差测试等相关内容,旨在用定量的方法更加精确和全面地反映排风柜性能。

抗干扰测试的目的是考察如果有操作人员在柜前走动是否会对排风柜的污染物控制能力产生影响。测试中,用一块平板来回移动来模拟操作人员在柜前进行操作时可能对排风柜运行造成的影响,然后记录下该移动过程中,操作面上示踪气体浓度的变化。

换气效率测试的目的是为了考察在实验室内正常通风的情况下,排风柜将柜内污染物完全排出所需要的时间,即在柜内没有污染物发生时,柜内外污染浓度的衰减情况。

压差测试是用微压计测量排风管道内的表压,看是否符合预定的压差值。

  • 测试方法的比较和分析

尽管部分测试项目相同,如面风速测试和污染物控制浓度测试,但是在各部标准中规定的测试要求也不尽相同。下面对各个测试方法进行比较和评价。

3.1 基本测试条件

测试前的准备在某种程度上决定了该次测试的可信度和精确度。在上面提到的三部标准中,对于基本的测试条件都做了相应的要求,详见表 1。

表 1 基本测试条件的比较

由表 1 可以得出,这个部分的差别主要集中在测试室尺寸、温度、压力、示踪气体背景浓度和避免干扰的要求上。在排风柜的测试中,测试室尺寸主要会对污染物浓度的测试结果和操作面上的气流组织形式产生影响。测试室尺寸过小的影响有两方面,第一,会使实验室通风系统的送风口过于靠近排风柜的操作面,其送风气流速度过大,无法满足上面所提到的基本测试条件,结果会影响到排风柜对污染物的控制[5]; 第二,因为示踪气体的发生量是一定的,测试室的尺寸过小就意味着室内示踪气体的浓度会偏大,难以满足测试的最终要求。反之,如果测试室尺寸过大,会造成浓度测量结果偏小,形成一种假象,认为该排风柜对污染物的控制十分有效。

就温度而言,ASHRAE 110 是按照华氏温度 72±5℉换算过来的,与 EN 14175 的要求几乎一致。理论上来说,测试在室温条件下都能进行,但由于在不同室内温度的条件下,测试结果会有所不同,为了让不同排风柜的测试结果具有可比性和重复性,普遍认为对测试室的温度应该有所控制。

化学实验室的空间压力相对相邻区域应保证一定的负压差以防止室内污染物扩散出去, 因此ASHRAE 110 提出的压力控制要求是非常必要的。ASHRAE 110 与 EN 14175 对示踪气体的背景浓度要求相同,而JB/T 6412-1999 的要求相对要低一些(JB/T 6412-1999 中规定的浓度上限值是 0.5ppm),并且测试的背景浓度要在测试完成后与最后的测试结果相比较才能被确定是否有效。

在避免干扰的要求中,这三种标准的要求基本一致,一般建议在排风柜前 1.5m 区域内的房间送风速度不应超过排风柜面风速的 20%[8],因此,应尽可能地减小该区域内的送风气流速度,以免造成面风速的强烈波动,形成局部涡流,从而导致污染物逸出。值得一提的是,在 EN 14175 中特别指出在测试室内不能有较高温物体存在,这样可避免热压对气流组织的影响。

因此,就这个方面比较而言,EN 14175 中提到的要求要更加细致和全面。

3.2 面风速测试

面风速作为最早提出的评价指标,其测试方法已经得到各国的认同,测试流程也都大致相同。各标准之间的差异主要体现在测量仪器的选择,测点的布置以及数据处理这些方面,如表 2 所示。

由表 2 可以得出,各标准中对测点的布置和数据的处理要求都基本类似,但在 JB/T 6412-1999 中,特别规定了测点数不小于 16 个,这从某一个程度上来说, 也是为了确保测试结果足够可信,能够反映整个操作面上的风速分布情况。在这个部分里,各标准的主要差异其实在于测试时风速仪的选择和对每个测点的数据记录次数。

关于风速仪的选择,直接从表中数据可以算得,按照 ASHRAE 110 的规定,所选风速仪的最小误差为:

0.025m/s,最大误差为 0.1m/s;按照 EN 14175 的规定,所选风速仪的最小误差为 0.03m/s, 最大误差为0.07m/s。而排风柜的面风速规定的范围是 0.4~0.6m/s之间,在这区间内按照 EN 14175 选择的风速仪误差范围在 0.04~0.05m/s 之间,略大于按照 ASHRAE 110 选择的风速仪误差范围 0.025~0.03m/s。此外,如果设计不合理,排风柜的面风速可能会超过 1m/s,所以, ASHRAE 110 中的关于风速仪量程的规定要更合理。

在 1995 版的 ASHRAE 110 中规定每个测点的读数次数为 4 次,而在 110P 中,不仅增加了读数次数,规定了读数时间,还特别强调风速仪在测试过程必须用支架固定读数,不能手持。这样做的目的,也是为了增加测试的可信度和准确性。就单个测点而言,读数 20 次和 60 次均可,都能保证测试结果的准确。因此,在此前提下,读数 60 次不仅使测试时间无谓延长,还加大了数据处理工作量,对测试最后结果的影响并不大。

由此可以看出,就这个部分而言,ASHRAE 110对于风速仪的选择是较为合理的,其整个测试方法已经足够保证测试的精确和严密。

3.3 污染物测试

示踪气体浓度的测试是每部标准的重点,也是差异最大的地方。JB/T 6412-1999 的示踪气体测试部分引用自ASHRAE 110,但只保留了最基本的测试项目,因此在下面的叙述中,不再单独介绍 JB/T 6412-1999 的这一部分。表 3 是ASHRAE 110 中浓度基本测试与EN14175 中的内平面测试的比较。(所谓的内测试平面是指排风柜操作平面,即以拉门开度两侧边缘为水平边,排风柜两侧内壁为垂直边的一个平面。)

表 3 污染物基本测试过程比较

由表 3  的对比可以看到,ASHRAE  110  与 EN14175 中污染物浓度的测试采用的是两种截然不同的方法,将这两种方法从经济性、可信度和操作性三个方面来进行比较,发现 ASHRAE 110 中的测试方法更为合理。

首先,从经济方面考虑,SF6  是一种比较昂贵的气体,EN 14175 之所以使用 SF6  浓度为 10%的 N2  作为测试气体,就是为了降低测试成本。然而,SF6  浓度降低,意味着气体分析仪的检测下限和精度需要提高,也就意味着测试成本总量仍然可能增加。其次,在 EN 14175 中提到,气体分析仪的精度要求为 0.01ppm,而其规定的测点控制浓度应小于 0.01ppm,这就意味着当测点的示踪气体浓度小于 0.01ppm 时,气体分析仪是无法测出具体数值的,哪怕测点的气体浓度为0.0099ppm。当测试方的检测报告中测点控制浓度这一栏注明“<0.01ppm”字样时,实际的控制浓度可能小于 0.01ppm 很多,也可能很接近 0.01ppm,只是由于测试仪器和方法的问题而无法测出,因此,这份报告的可信度打了个折扣。最后,从操作层面来说,要检测浓度为 0.01ppm 的示踪气体,其用来进行对比的标准气体浓度应为 0.005 或 0.001ppm,无论是自己配制还是直接购买,该标准气体的浓度误差都比较大,配制起来也极为不方便。综合这三方面的考虑,EN 14175 中希望用低浓度 SF6 在较低发生速率的情况下进行测试以降低成本的做法值得商榷。在ASHRAE 110-1995 中, 并没有强制规定必须要用纯度为 100%的 SF6,但在110P 的版本中,却提到了这一限制,要求一定要使用纯度为 99%以上的SF6。

另一个较大的争议在于测试中是否应该使用假人。欧洲标准委员会对于他们不使用假人的解释是, 人的体型有差异,没有哪个假人能够代表所有人的体型。但实际上,放置假人的目的并不在于要它能够完全真实地模拟有实验人员在柜前操作的情况,而是为了再现有人在柜前操作时,因为人员的阻挡,而在柜前部分区域形成涡流的情况,测试此时的控制浓度才能够更好地反映排风柜的性能。并且,关于假人尺寸,每个国家都有根据国民的身高尺寸调查结果而确定的标准人体模型,尽管这个模型确实不能代表所有人的尺寸,但已经足够来反映一个国家国民的标准尺寸。

除了基本测试之外,ASHRAE 110 中还有两组测试来弥补基本测试中不足的地方:①移开假人,把采样探针沿着距排风柜柜门边缘等速移动一圈,记录下这个过程中出现的浓度最大值和位置。②将假人放回原处,打开引射器,关闭拉门。两分钟后,测试此时室内的背景浓度。然后等速缓慢打开拉门,记录这个过程中的 SF6 浓度,取最大值。运行稳定后,再以同样的速度缓缓关闭拉门,持续记录 SF6  浓度。可以看到,①过程与EN 14175 的测试方法类似并且更加快捷和方便。而②过程与EN 14175 中的外测试平面测试类似。

  • 结论

本文综合叙述和比较了欧洲、美国和中国关于排风柜性能测试的相关标准,尽管各标准的表述不一, 但对于测试的基本项目和主要控制指标是一致的,即面风速和控制浓度两大主要指标。其中,通过分析后, 各标准之间的比较结果可以用表 4 来表示。

表 4 各标准之间比较的最终结果

通过表 4 可以发现,ASHRAE 110 作为目前最为通用的测试方法,其测试的完备性、可行性、可信度、精确度和要求的严格性都是最好的。美国对排风柜的研究从来没有停止过,从 ASHRAE 110-1995 到 110P,标准的条文叙述和相关测试方法也一直在变化。EN 14175 的综合评价虽然略逊于 ASHRAE 110,但也在持续发展着,努力缩小与美国认识上的差异,并且其语言描述的严密性和严谨度是值得我们学习的。JB/T 6412-1999 与另外两部标准相比,虽然起步时间较晚, 但是也在积极地完善之。

今年我国正在制订《无风管自净型排风柜》,无论是ASHRAE 110,还是EN 14175,都值得我们仔细研究与借鉴。

参考文献

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  • Method of Testing Performance of Laboratory Fume Hood (BSR/ASHRAE 110P)[S]. Atlanta: ASHRAE,2005
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  • 国家机械工业局. 排风柜(JB/T6412-1999)[S]. 北京: 国家机械工业局, 1999
  • 阙炎振. 现代实验室通风控制研究[D]. 上海: 同济大学, 2003
  • Lan  B D Mclntosh. ASHRAE  Laboratory Design  Guide  [M].Atlanta: ASHRAE, 2001
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