潔凈實驗室與空調通風系統(tǒng)的選型

在高等院校和研究院所實驗室中，潔凈實驗室是對相關空氣和環(huán)境參數(shù)給予特別設計的一種實驗室類型。按照國家標準，科學實驗室分為兩類，一類為普通實驗室，一類為專用實驗室。專用實驗室定義為有特定環(huán)境要求(如恒溫、恒濕、潔凈、無菌、防振、防輻射、防電磁干擾等)或以精密、大型、特殊實驗裝置為主(如電子顯微鏡、高精度天平、譜儀等)的實驗室。 這一類實驗室大都需要建設凈化空調系統(tǒng)，隨著科學技術的飛速發(fā)展和綜合國力的提高，凈化實驗室在高校和研究院所實驗室中所占的比例逐年提高。本文僅就潔凈實驗室的功能特點與空調通風系統(tǒng)設備的選擇等相關問題作出討論
1.潔凈實驗室的特點
1.1  潔凈實驗室位置和環(huán)境的選擇   潔凈實驗室在位置選擇方面要遵從潔凈等級的設計要求，應選擇大氣含塵濃度較低，自然環(huán)境較好的區(qū)域和地段，要遠離落葉和空氣異味的場所，（如河邊、食堂周圍、動力區(qū)域等），還要盡量避開振動或噪聲干擾的區(qū)域。選擇實驗室周圍的位置、地形、環(huán)境時，要與精密設備、精密儀器、儀表等允許環(huán)境振動值進行分析權衡。
1.2  潔凈實驗室墻體圍護的標準   潔凈實驗室的污染源一般主要是大氣中含塵、含菌、塵粒和微生物以及實驗人員的發(fā)塵、實驗設備和實驗操作過程中的產塵等。因此建筑圍護結構質量和建筑施工方法對保持和提高潔凈實驗室的標準具有重要意義。潔凈實驗室的外圍護結構如門窗、墻板、吊頂板、高效過濾器、電器燈具等方面要充分考慮其保溫、隔熱、防火、防潮、密閉性能好的要求，做到不產塵、無裂痕、可擦洗、耐潮濕，板縫平齊密封，壓縫條平直縫隙小。地面則力求做到耐磨、耐沖擊、耐火、耐侵蝕性好，不易產生靜電，表面不易附著塵粒。
1.3  潔凈實驗室的整體布局設計  潔凈實驗室的平面和空間設計，應將潔凈實驗區(qū)和人員凈化、設備材料凈化和其他輔助用房進行分區(qū)布置。同時應考慮實驗操作、工藝設備安裝和維修、氣流組織型式、管線布置以及凈化空氣調節(jié)系統(tǒng)等各種技術設施的綜合協(xié)調效果。實驗室內各種固定技術設施(如送風口、照明器、回風口、各種管線等)的布置，宜首先考慮凈化空氣調節(jié)系統(tǒng)的要求。
1.4  對空氣潔凈度等級標準   空氣潔凈度劃分為九個等級，如表1-1所示。
空氣潔凈度等級（N）
大于或等于所標粒徑的粒子*大濃度限值（個/每立方米空氣粒子）
0.1 um
0.2 um
0.3 um
0.5um
1um
5 um
ISO Class 1
10
2
      
ISO Class 2
100
24
10
4
ISO Class 3
1000
237
102
35
8
ISO Class 4
10000
2370
1020
352
83
ISO Class 5
100000
23700
10200
3520
832
29
ISO Class 6
1000000
237000
102000
35200
8320
293
ISO Class 7
  
352000
83200
2930
ISO Class 8
  
3520000
832000
29300
ISO Class 9
  
35200000
8320000
293000
注：由于涉及測量過程的不確定性，故要求用不超過三個有效的濃度數(shù)字來確定等級水平。
潔凈室空氣潔凈度等級的檢驗，驗收時應以動態(tài)條件下測試的塵粒數(shù)為依據。對于空氣潔凈度為5級的潔凈室內大于等于5微米塵粒的計算應進行多次采樣。當其多次出現(xiàn)時，方可認為該測試數(shù)值是可靠的。
確定潔凈實驗室空氣潔凈度等級時，首先要滿足實驗內容和實驗儀器設施對空氣潔凈度的要求，然后還要根據實驗操作步驟和實驗程序布局綜合考慮各個實驗區(qū)域的不同凈化等級要求，從而做到既滿足凈化要求又節(jié)約成本支出。
1.5  潔凈實驗室的空氣凈化調節(jié)系統(tǒng)  一般情況下,5級、6級潔凈區(qū)控制溫度為20℃～24℃,相對濕度為45%～65%;7級、大于7級潔凈區(qū)控制溫度為18℃～28℃,相對濕度為50%～65%。對潔凈室溫、濕度無特殊要求時,溫度應控制在18℃～26℃,相對濕度控制在45%～65%。此外，空氣氣流速度、送風量和新風量要符合凈化室實驗設施和人員的要求。因為凈化實驗室是一個相對獨立密閉的空間，在保持溫度、濕度、空氣流速流量的同時，還要采取措施補償室內排風和保持室內正壓（或負壓）值所需的新鮮空氣量。隨著潔凈度要求的不斷提高，還需要用到超高效過濾器, 那么要求空氣處理機組也至少要配置初效、中效、亞高效過濾器系統(tǒng), 這樣對機組的強度要求更高, 對空氣處理機組送風機的壓頭會更大，而對于生物潔凈實驗室，含菌量也是主要控制參數(shù)之一，在空氣凈化處理方法上一般應增加過濾器，不僅可以有效的濾去空氣中的塵埃，也可以阻斷**和病毒在空調系統(tǒng)中傳播和擴散，特別是高效過濾器，對于大氣中浮游的病毒、**的捕捉效率實際上能達到100%，也可采用有效防止過濾器**滋生的過濾器。如含**劑INTESEPT的過濾器、二氧化鈦過濾器等，過濾器要定期更換。
2.凈化實驗室對空調通風系統(tǒng)的要求
為了使?jié)崈魧嶒炇沂覂缺３炙枰臏囟取穸?、風速、壓力和潔凈度等參數(shù)，*常用的方法是向室內不斷送入一定量經過處理的空氣，以消除潔凈室內外各種熱濕干擾及塵埃污染。為獲得送入潔凈室具有一定狀態(tài)的空氣，就需要一整套設備對空氣進行處理，并不斷送入室內，又不斷從室內排出一部分來，這一整套設備就構成了潔凈空調系統(tǒng)。
2.1  空調系統(tǒng)應能夠對潔凈實驗室的凈化等級參數(shù)進行綜合控制
潔凈空調系統(tǒng)分為集中式與分散式，集中式潔凈空調系統(tǒng)又稱中央空調，所有空氣處理設備（風機、粗、中、高效過濾器、加熱器、冷卻器、加濕器、除濕器和制冷機組等）都集中在空調機房內，通過輸送管道將精密控制處理后的空氣分配給空氣末端裝置，送到凈化實驗室里，以不同換氣次數(shù)和氣流形式來實現(xiàn)潔凈實驗室不同的潔凈級別。
    這種空調系統(tǒng)熱源和冷源集中，對空氣的基本參數(shù)的調整易于實現(xiàn)，它處理空氣量大，也便于凈化參數(shù)控制，運行可靠，是目前大型集群式凈化實驗室的優(yōu)選方式。
分散式潔凈室空調系統(tǒng)大多局限于局部實驗室需要凈化處理的情況，把單獨的空調處理系統(tǒng)安置在凈化實驗室或凈化實驗室的不同區(qū)域，在出風口通過各類過濾器和凈化裝置如風機過濾單元（FFU）對空氣進行凈化處理，每一個末端處理系統(tǒng)可以單獨對空氣參數(shù)進行調節(jié)，也可以實現(xiàn)對不同凈化實驗室凈化等級的控制。
2.2  空調通風系統(tǒng)必須使?jié)崈魧嶒炇揖S持一定的正壓或負壓 
潔凈實驗室中，機械儀器設備潔凈室和一般生物潔凈室都是采用正壓維持, 但對于使用有毒、有害氣體或使用易燃易爆溶劑以及其他有特殊要求的潔凈實驗室則采用負壓控制。潔凈實驗室維持一定的正壓是保證潔凈室不受或少受污染、是維持設計潔凈度等級必不可少地條件之一。即便是負壓潔凈室，它也必須有不低于它潔凈度級別地相鄰房間或套間維持一定的正壓，負壓潔凈室的潔凈度才能得以維持。
    潔凈室正壓值是指門窗全部關閉狀態(tài)下，室內靜壓大于室外靜壓的數(shù)值。它是通過凈化系統(tǒng)送風量大于回風量和排風量的方法來達到。不同等級的潔凈實驗室以及實驗室內潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間的靜壓差，應不小于5Pa，潔凈區(qū)與室外的靜壓差，應不小于10 Pa.。此外，潔凈實驗室對于風量，風速等各項指標的技術要求也都非常嚴格，因此，空調系統(tǒng)必須能夠滿足對其參數(shù)進行**的控制。
2.3  空調系統(tǒng)低噪聲低能耗指標是提高凈化實驗室質量的重要因素
凈化實驗室內的噪聲不僅會使實驗人員產生煩惱效應和困倦現(xiàn)象，還會對語言通訊、精密儀器和設備造成干擾，影響工作效率和實驗進展。潔凈實驗室的靜態(tài)噪聲來源有很多，但主要的來源還是空調通風系統(tǒng)和局部凈化設備運行噪聲。靜態(tài)噪聲的大小與潔凈室氣流流型、換氣次數(shù)等因素有關，但關鍵在于凈化空調系統(tǒng)的合理布置及合理的降噪措施。因此低噪聲是凈化實驗室對空調通風系統(tǒng)的必然要求。
多年以來，潔凈空調通風系統(tǒng)的高能耗是潔凈實驗室發(fā)展的瓶頸，資料顯示，潔凈實驗室的能耗是一般寫字樓的10倍到30倍，其能耗主要體現(xiàn)在空氣的處理和輸送上，在強調可持續(xù)發(fā)展的總體思路下，必須采取現(xiàn)實有效的節(jié)能降耗措施，逐步淘汰高能耗的落后產品，大力發(fā)展和應用體現(xiàn)時代科技水平的新型節(jié)能系統(tǒng)。
2.4 對空調通風凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有相當高的要求   
例如生物培養(yǎng)室：是進行微生物培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)等的用房。要求的環(huán)境條件相當嚴苛，包括溫濕度、光照、空氣、水分、酸堿度等及****等措施，這就對空調通風和空氣凈化設施和整套系統(tǒng)提出了更高的要求。即使是對于普通凈化實驗室的要求，例如電子、光電子等，對恒溫、恒濕、潔凈、無菌、防振、防輻射、防電磁干擾等也有別于普通舒適性空調系統(tǒng)。另外，還有一些飼養(yǎng)生物實驗所需動物的房間，雖然從嚴格意義上來說不屬于實驗室，但對于實驗有著重要的意義，要有良好的**滅毒功能，就凈化和對空氣環(huán)境的處理方面對空調通風和潔凈等級有著許多特殊的指標。
3.潔凈實驗室對空調通風系統(tǒng)的選型
用于潔凈實驗室的空調通風系統(tǒng)有兩類，一類是集中式、一類是分散式。前者適用于集群式、多房間、多要求、多功能的潔凈實驗室，優(yōu)點是便于管理，遠離噪聲、降低成本。后者適用于規(guī)模較小的潔凈實驗室或有著單獨特性要求的實驗室，優(yōu)點是控制精細、針對性強。
3.1  選型原則一定要滿足凈化要求
在選型實際中，人們往往會根據資金、能耗來選擇空調的類型，忽略了選型的根本是為了滿足需要，滿足凈化標準要求。在選型之前，一定要領會凈化實驗室的用途和實驗內容、實驗儀器設備、實驗對象對空氣參數(shù)和環(huán)境要求的具體事項，然后有的放矢地提出有針對性的凈化標準，應該考慮的內容要包括：實驗室的面積、樓層高度、實驗室的總高度和凈化實驗室圍護后的高度；希望達到的溫度、相對濕度、風速、靜壓、靜壓差等；實驗室內要求的潔凈等級、噪聲標準、無菌要求等等，綜合考慮這些因素后，提出一個適宜的資金要求，從而確定空調通風系統(tǒng)的具體形式和類型。
3.2  空調通風系統(tǒng)的選擇既要量力而行又要酌情而動
潔凈實驗室之所以潔凈，是因為首先使用特殊的工藝阻隔空氣與使用空間的自由交流，然后借助于人工的方式把空氣處理之后輸送到使用空間，當然這里既要輸送新風也要輸送濁風，所謂濁風就是把使用空間內的空氣輸送給外界經過處理后使之成為潔凈的空氣重新輸送回使用空間。其原理可以用下面的流程圖來簡示：空氣氣流→初效空氣處理→空調→中效空氣處理→風機送風→凈化管道→高效送風口→潔凈室→帶走塵?！仫L夾道→新風、初效空氣處理。
用于潔凈實驗室的空調通風系統(tǒng)主要由空氣處理設備、粗高中效過濾器、空氣輸送設施和局部凈化設備組成，這些設備類型各異、作用不同。
3.2.1空氣處理設備：空氣處理設備一般是由空調器（AHU）、新風機組（MAU）和循環(huán)機組（RAU）組成的一整套機組，是空調凈化系統(tǒng)常用的空氣熱濕交換和空氣凈化處理設備。適用于具有一定規(guī)模的凈化實驗室，但要求其他過濾器和凈化裝置的整體配合，投資相對較高。比較小型的實驗室空氣處理裝備是采用分立式的小型設備組成，例如把冷暖空調機作為冷熱源，對空氣進行溫度濕度的簡單處理，然后配備風機過濾器單元（FFU）對空氣進行潔凈處理，是一種比較簡易的凈化方案。
3.2.2各類空氣過濾器：按過濾器對空氣處理的效率、阻力、容塵量等性能進行分類，可將過濾器劃分為粗效、中效、高效、亞高效、高效和超高效六大類。每種過濾器對塵埃微粒的處理能力不一樣，因此它們被應用在各種不的功能段上，如果選用正確、使用合理就能使之發(fā)揮作用，否則，就會適得其反。
3.2.3風機和送風管道：送風風機一般設在空調機組內，要根據整體管道和空調通風量選擇風機，壓頭較大雖然可以滿足克服系統(tǒng)阻力的要求，但會增大能耗和噪聲，較好的選擇是考慮變頻風機，這可能會增大投入但可以使送風量依系統(tǒng)阻力變化自動調節(jié)，并且可以做到節(jié)能降噪。送風管道要做好保溫和降噪，必要時應加增消聲裝置。
3.2.4局部凈化設備：包括風淋室、自凈器、潔凈工作臺和電子**裝置等。風淋室是在潔凈實驗室入口處單獨設置一個局部潔凈室，當打開風淋室的門進入到風淋室后，經過中效和高效過濾器過濾的空氣氣流，其速率會達到≥25m/s的高速，則進入實驗室的人員和設備表面附著的塵埃微粒會被吹落凈化，是潔凈實驗室的必備設施。其他局部凈化設備要根據不同的凈化要求和實驗室類型酌情選擇。
結論：
建設潔凈實驗室的主要目的是為了防止空氣中的微粒子、有害空氣、**等污染物對實驗儀器和實驗對象、實驗過程的污染，按照國際慣例，實驗室凈化級別主要是根據每立方米空氣中粒子直徑大于劃分標準的粒子數(shù)量來規(guī)定。所謂超凈、凈化、潔凈等概念并非100%一塵不染，而是將空氣中符合凈化標準的塵埃顆粒含量控制在一個非常微量的單位上。潔凈實驗室的另一個功能是將室內溫度、潔凈度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電影響等因素控制在某一需求范圍內，這一范圍之中所有參數(shù)控制的精度，決定了潔凈實驗室的凈化等級和標準。