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如何设计安全、节能的实验室排气系统?
发布日期：2021-08-06 来源：软旗科技 分类： 技术文章
色散建模方法
变风量实验室排气控制策略
1. ANSI/AIHA, American National Standard for Laboratory Ventilation, Standard Z9.5-2011.
2. British Standards, BSI, Fume Cupboards. Safety and Performance Requirements, British Standard
BS EN 14175-2:2003, November 2003.
3. Australian/New Zealand Standard, Safety in laboratories, Part 8: Fume Cupboards, AS/NZS 2243.8:2014, January, 2014.
4. ASHRAE, ASHRAE Handbook-HVAC Applications, Chapter 45, Building Intake and Exhaust Design, American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA
2015.
5. ASHRAE, ASHRAE Laboratory Design Guide, Planning and Operation of Laboratory Systems, Second Edition, American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA, 2015.
6. ACGIH, Guide to Occupational Exposure Values, 2017.
7. ACGIH, Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents, 2017.
8. ACGIH, Odor Thresholds for Chemicals with Established Occupational Health Standards, 1989.
9. Petersen, R.L., B.C. Cochran, and J.J. Carter, “Specifying Exhaust and Intake Systems,” ASHRAE Journal, August 2002.
10. Petersen, R.L., J.J. Carter, and M.A. Ratcliff, “Influence of Architectural Screens on Roof-top Concentrations Due to Effluent from the Short Stacks,” ASHRAE Transactions, Vol. 105, Part 1,
1999.
11. Petersen, R.L., J.J. Carter, and J.W. LeCompte, “Exhaust Contamination of Hidden vs. Visible Air Intakes,” ASHRAE Transactions, Vol. 110, Part 1, 2004.
12. Meroney, Robert, et.al., “Review of CFD Guidelines for Dispersion Modeling,” Fluids, Volume 14, 2016.
13. EPA, Guideline for Use of Fluid Modeling of Atmospheric Dispersion, April 1981.
简 介
实验室排气系统不仅可以清除实验室和通风柜内的污染空气，而且还可以安全地将废气排出建筑物，这样有害和有气味的烟雾不会通过进气口重新进入或影响周围的敏感位置（接受者）。这是通过增加烟囱高度和排气动量的适当组合来实现的，即烟羽抬升。烟囱高度越矮，烟羽抬升将越大，因此需要更多的风量来将排气安全地从建筑物中运走。或者，如果排气烟囱更高，则烟羽抬升将更少，需要的风量越少。
实验室排气管道的设计通常基于各种标准和最佳实践指南中描述的经验法则1,2,3,4；通常定义最小烟囱高度（建筑物高度的3米至1.25倍）和出口速度（10 m/s至15 m/s）。遗憾的是，仅靠烟囱高度和出口速度不足以在所有附近的接受者位置处定义空气质量是否在可接受范围内。
图一所示：实验室排气管的流场位于建筑物的上风和顺风处。从图中可以清楚地看出，根据规则确定烟囱设计会对附近进气口的空气质量造成不利影响。
不应使用经验法则，应使用称为排气扩散模型的工程分析技术确定烟囱高度和排气量的正确组合。分散建模用于预测周围区域中敏感位置处的浓度分布，作为风速和风向的函数。当最大预测浓度小于或等于设计目标时，排气系统被认为是可接受的，该目标是为了确保排出物浓度保持低于公布的健康限值和气味阈值6,7,8。
在预测浓度低于设计目标的风向和风速下，通常可以减少排放量并仍然实现设计目标，同时节省大量能量。为了定义最节能的排气系统，应该使用物理扩散建模（即风洞建模）。
确定二次夹带废气的设计目标
为了评估空气质量的可接受性，使用分散建模技术来预测存在于附近接受者位置的排气烟羽的最大浓度。但是，除非指定了一些最大可接受浓度或设计目标，否则此信息无用。空气质量可接受性问题可表示为：
其中（C / m）max是接受者位置（进气口，可操作的窗户，行人区等）的最大预测标准化浓度，（C / m）health/odor是任何标准化的健康限度或气味阈值浓度。排放化学物质等式的左侧（C / m）max仅取决于外部因素，例如排气烟囱参数，接受者位置和大气条件。每个等式的右侧与排放有关，并定义为健康限度或气味阈值（μg/ m3）与排放率（g / s）的比值。因此，具有低排放率的高毒性化学品可能比以非常高的速率排放的毒性较小的化学品受到关注。
在实践中，检查每种排气类型的化学品清单，以确定任何释放的化学品的（C / m）健康和（C / m）气味的适当值。执行色散建模以确定所评估的各种烟囱高度设计的（C / m）max。那些产生浓度等于或低于设计目标的设计，即（C / m）max≤（C / m）目标，被认为是可接受的。
使用三种不同类型的研究，可以在不同程度的准确度下完成敏感位置的浓度预测（C / m）：
1、全面的现场监测
2、数值模拟研究
3、缩小规模的风洞研究
1、全面的现场监控
全面的现场监测计划包括从排气系统内释放示踪气体并测量顺风接收者位置的浓度。虽然它可以产生最准确的排气行为预测，但执行通常是昂贵且耗时的。此外，它只能用于现有的实验室设施。如果研究的性质是估算几个地点的几个烟囱的最大浓度，那么在测量与最坏情况气象条件相关的最大浓度之前可能需要多年的数据收集。
2、数值色散建模
基于高斯的分析模型
排气烟羽的顺风浓度可以使用ASHRAE手册 - HVAC Applications 4和ASHRAE Laboratory Design Guide5中提供的基于高斯的分析扩散模型来计算。该模型设计用于带有屋顶烟囱的隔离矩形建筑，并未考虑相邻建筑物，高架地形或植被的影响，这些足以影响沿屋顶顶部的气流。该模型假设排放物在建筑物顺风的弱回流区域内未被捕获，因此不应将其用于烟囱高度低于相邻屋顶顶部的地面排放。
如果使用得当，ASHRAE分散模型设计为保守的（即低稀释/高浓度）。然而，已经发现，当建筑物角落直接位于烟囱和顺风进气口9之间的直线上风时，或者当烟囱位于幕墙10内时，它是非保守的。此外，分散模型没有利用从排气烟囱11“隐藏”的进气口处的浓度降低。因此，在使用ASHRAE分散模型时，应注意确保模型得到适当应用。
计算流体动力学
计算流体动力学（CFD）已经使用了相当长的一段时间来成功地模拟实验室和动物园等区域的内部流场。因此，存在尝试使用相同模型用于外部气流来模拟实验室排气烟囱的性能的自然趋势。但是，用于室内模拟的模拟技术不适合模拟大气湍流。由于排气烟羽的分散与大气湍流直接相关，因此即使湍流模拟中的小误差也会导致预测的下风浓度的大误差。
目前关于使用CFD模型进行色散建模的研究表明，非稳态模拟，如大涡模拟（LES），显示出最大的可能。然而，LES模型运行起来更加困难和耗时，甚至LES模拟的结果也应经过验证以验证其准确性12。
此时，由于上述关于使用CFD进行实验室排气分散的限制，应该将其视为一种研究工具，而不是可用于正确选择实验室排气系统的设计工具。
3、风洞散布模型
风洞建模通常是预测烟囱设计和特定位置的最大浓度的首选方法，因为它可以在复杂的建筑环境中提供最准确的浓度水平估算4。风洞模型研究就像一个全面的实地研究，除了它是在项目建设之前或之后在受控环境中进行的。通常，评估中的建筑物的比例模型以及300米半径内的周围建筑物和地形被放置在大气边界层风洞中。从特定的排气源释放示踪气体，然后在特定的接受者位置测量该气体的浓度水平并转换成满量程浓度值。接下来，将这些值与适当的设计标准进行比较，以评估排气设计的可接受性。ASHRAE 4和EPA 13提供了有关比例模型模拟和测试方法的更多信息。
风洞研究技术性很强，因此在选择分散模型顾问时应该小心谨慎。过去的经验，风洞的正确校准13以及员工的技术资格等因素都非常重要。
节能实验室排气系统策略
复合实验室排气系统
将排气合并到一个共同的排气系统中，无论是通过排气歧管还是非常紧密的烟囱组合（烟囱几乎必须满足排气烟羽在所有风向上的要求），都会增强排气烟羽的抬升，从而在低于烟囱的高度，降低接受者的顺风浓度。紧密分组的烟囱可用于特殊排气，例如高氯酸和放射性同位素，由于其化学性质而不能进行组合。与用于单个实验室化学通风柜的烟囱上安装排气喷嘴相比，组合排气通常可产生更大的烟羽。
当大多数化学排放物来自不正常情况或来自单个实验室化学通风柜的大量释放时，排气管的组合管还可以提供通风柜排气的一些内部稀释。这种不安全或大释放条件是引起气味和潜在健康影响的主要原因。
通常，实验室排气歧管通常由多个排气扇提供。风机的尺寸通常使得在关闭一个或多个排气扇时可以满足建筑物排气要求。在这种情况下，复合系统在风机故障的情况下提供冗余。这使得实验室乘员的集成系统比单独的通风柜排气系统更安全。总体而言，一个集成系统具有以下优点：
降低资本和运营成本；更少的排气烟囱；更强的设计灵活性；更简单的废水处理；增加稀释和动量；降低维护成本；风机冗余；能量回收的潜力；更少的屋顶渗漏；降低总体积流量需求。
设计实验室以利用可变风量（VAV）排气系统允许排气通风系统匹配或几乎匹配建筑物的供应通风气流要求。这使得设计者能够充分利用与采用各种策略相关的节能机会，以最小化实验室的气流要求。然而，正如任意减少供气流量可能会对实验室环境中的空气质量产生不利影响，在不明确了解系统性能的情况下，将排气系统盲目转换为VAV可能会损害附近敏感接受者位置的空气质量（例如，进气口，可打开的窗户，实验室空间等）。因此，在采用VAV系统之前，应通过详细的分散建模研究仔细评估潜在的操作条件范围，如上所述。由于这些评估的性质是准确地确定排气系统的最小体积流量要求，因此优选的方法是在边界层风洞中使用物理模型。可以使用数值方法，但这些方法通常会在正确进行时产生最小体积流量，从而降低所产生的节能潜力。
下面描述了可用于操作VAV实验室排气系统的两种不同策略。
策略1：简单的调低VAV实验室排气系统
在简单的调低VAV系统中，排气流量基于两个值中的较大值：最小空气质量设定点和建筑物的通风需求。最小空气质量设定点定义为在最坏情况风力条件下在所有敏感接受者位置提供可接受空气质量所需的最小体积流速/出口速度/烟囱高度，如在色散建模评估中所定义的。在评估期间，当采用简单的下调VAV系统时，烟囱设计通常关注实验室建筑物的最小潜在体积流量而不是针对恒定体积排气系统评估的最大值。优选设计一种简单的调节系统，其中排气风机能够完全调节体积流量以满足最小和最大实验室排气需求。这使得系统能够快速响应压力偏移并消除对旁路阻尼器的需求。这通常可以通过评估每个压力通风系统的烟囱数量以及通过VAV控制和风机的分级来完全消除对旁路空气的需求所需的后续高度要求来实现。
图二：简单的下调VAV 实验室排气系统流程图
策略2：风力响应VAV实验室排气系统
如果简单的下调VAV系统不会导致最小体积流量等于或低于建筑物通风需求，或者，如果达到这些最小体积流量所需的烟囱高度太高，则可以通过应用风响应VAV实验室排气系统进一步优化。
在该策略中，将局部风速计连接到楼宇自动化系统（BAS），并且基于当前风况（方向和速度）改变所需的最小排气流量。当前风速和/或风向与最坏情况条件不对应时（如在简单调节策略中所假设的），可以调低排气系统以更接近地匹配建筑物需求。基本上，为每个风向/速度组合指定最小设定点。这通常导致空气最小体积流量设定点远低于许多风力条件的建筑需求，允许整个通风系统以最佳效率运行。
图三：风力响应VAV实验室排气系统流程图
该策略需要在风洞中进行物理排气分散建模，因为大多数数值扩散模型不提供轴外浓度预测。作为风向（WD）和风速（WS）的函数的最小体积流量设定点需要在所有风向，风速，烟囱高度和排气流参数的所有敏感位置（接受者）处的浓度预测。
总结和结论
可以使用对排气分散的精确评估来提供针对安全性和能量消耗而优化的排气/进气设计。无论使用何种类型的排气系统，重要的设计参数是物理烟囱高度，体积流速，出口速度，预期污染物排放率和敏感位置的浓度水平。应使用适当的标准评估整体性能，以确保敏感位置的可接受浓度。当为实验室采用VAV实验室通风供应系统时，设计团队应该强烈考虑将VAV实验室排气系统纳入其中的机会，以充分实现VAV控制的节能潜力。然而，使用“经验法则”操作参数盲目地将VAV应用于实验室排气系统可能对进气口和其他关注位置的空气质量有害。因此，应进行色散建模评估，以确定可接受的最小体积流量。VAV排气系统的任何实施都应包括设计用于处理适当控制逻辑的楼宇自动化系统。此外，系统的调试应包括各种操作条件。
参考