Система вентиляции медицинской лаборатории

Расположение машинного отделения системы кондиционирования воздуха чистых комнат напрямую влияет на стоимость проекта, уровень шума и эффективность работы системы кондиционирования, поэтому компоновку машинного отделения следует комплексно прорабатывать на этапе проектирования поэтажных планов. Машинное отделение системы кондиционирования чистых комнат оптимально размещать как можно ближе к чистым комнатам с большим расходом приточного воздуха, чтобы максимально сократить протяженность воздуховодов. Однако для защиты от шума и вибраций машинное отделение должно быть отделено от чистых комнат. Оба аспекта необходимо учитывать. Существует несколько способов такого разделения:

1. Конструктивное разделение

• 1.1 Разделение осадочным швом: осадочный шов проходит между чистой комнатой и машинным отделением, выполняя функцию разделителя.
• 1.2 Разделение стеной с воздушной прослойкой: если машинное отделение примыкает напрямую к чистой комнате, вместо одной общей перегородки с каждой стороны обустраивают отдельную перегородку, а между двумя стенами оставляют полость определенной ширины.
• 1.3 Разделение с помощью вспомогательного помещения: между чистой комнатой и машинным отделением размещают вспомогательное помещение, выполняющее функцию буфера.

2. Распределенное размещение

• 2.1 Размещение на крыше или над подвесными потолками.
• 2.2 Размещение ниже уровня земли: машинное отделение располагают в подвальном этаже.

Само собой разумеется, что из-за большого расхода воздуха и наличия дополнительного оборудования для фильтрации воздуха машинное отделение системы кондиционирования чистых комнат имеет большие размеры, чем машинное отделение обычной системы кондиционирования; при проектировании необходимо учитывать площадь чистых зон, рассчитывать габариты установок и резервировать достаточное пространство для машинного отделения.

Раздел 2. Система вентиляции медицинских лабораторий

I. Основные понятия вентиляции

• 1. Понятия вентиляции и вытяжных шкафов: вентиляция — это процесс удаления загрязненного внутреннего воздуха наружу напрямую или после очистки, а также подачи свежего воздуха в помещение, благодаря чему поддерживаются параметры внутреннего воздуха, соответствующие санитарным нормам и требованиям производственного технологического процесса; первый процесс называется вытяжкой воздуха, второй — притоком воздуха. Вытяжной шкаф можно упрощенно представить в виде камеры и вентилятора: газы, образующиеся в камере, удаляются вентилятором и безопасно выбрасываются в атмосферу.
• 2. Классификация вентиляции: по типу движущей силы системы вентиляции делятся на системы естественной и механической вентиляции; механическая вентиляция, в свою очередь, подразделяется на общеобменную (разбавляющую) и местную вентиляцию. Общеобменная вентиляция — это способ вентиляции всего помещения целиком; местная вентиляция ограничивает зону вентиляции местами с концентрацией вредных веществ или местами постоянного пребывания персонала, например вытяжными шкафами, шарнирными вытяжными рукавами и атомно-абсорбционными вытяжными шкафами.
• 3. Вентиляция лабораторий: вентиляция лабораторий — это область техники, обеспечивающая контроль влияния и вредного воздействия опасных лабораторных веществ на состояние внутренней и наружной воздушной среды.

II. Цель и требования к вентиляции

Вентиляция лабораторий отличается от проектирования вентиляции в системах комфортного кондиционирования воздуха; ее основная цель — обеспечить безопасные и комфортные условия труда и снизить вероятность воздействия опасных сред на персонал. Вентиляция в первую очередь решает задачи охраны здоровья и труда сотрудников лабораторий в рабочей среде.

III. Принцип притока свежего воздуха

Система притока свежего воздуха работает по следующему принципу: с одной стороны специальное оборудование подает свежий воздух в закрытое помещение, а с другой стороны специальное оборудование выводит отработанный воздух наружу, создавая внутри помещения «поле потока свежего воздуха», которое удовлетворяет потребность во внутреннем воздухообмене. Принцип реализации системы следующий: высоконапорный, с большим расходом воздуха, маломощный высокоскоростной бесщеточный двигатель постоянного тока приводит в действие центробежный вентилятор; за счет механической энергии с одной стороны воздух нагнетается в помещение, а специально разработанный вытяжной вентилятор системы свежего воздуха выводит воздух наружу с другой стороны, обеспечивая формирование в системе поля потока свежего воздуха. В процессе подачи воздуха поступающий свежий воздух проходит фильтрацию, стерилизацию, дезинфекцию, обогащение кислородом и предварительный подогрев (в зимнее время). При прохождении вытяжного воздуха через основной блок системы происходит рекуперация тепла и его теплообмен со свежим воздухом, при этом большая часть рекуперированной энергии возвращается в помещение вместе с приточным воздухом. Благодаря использованию схемы формирования чистого пространства на большой площади гарантируется чистота воздуха, поступающего в помещение, за счет чего достигается очистка внутреннего воздуха.

Системы притока свежего воздуха подразделяются на: системы свежего воздуха с однонаправленным потоком, системы свежего воздуха с двунаправленным потоком и системы свежего воздуха с двунаправленным потоком и рекуперацией тепла.

1. Система свежего воздуха с однонаправленным потоком

Такая система реализуется с применением одного вентилятора и оконного воздухозаборника: при запуске вентилятора загрязненный внутренний воздух выводится наружу, в результате чего в помещении создается разрежение; под действием внешнего атмосферного давления наружный воздух поступает внутрь через оконный воздухозаборник, обеспечивая замену отработанного воздуха.

2. Система свежего воздуха с двунаправленным потоком

Система реализуется на базе двух основных блоков: один вентилятор принудительно выводит загрязненный воздух из помещения наружу, а второй забирает свежий воздух и подает его в помещение. Характерной особенностью системы с двунаправленным потоком является принудительный приток и вытяжка воздуха, при этом перед приточным блоком может быть дополнительно установлена система фильтрации воздуха (опционально) для обеспечения чистоты подаваемого в помещение воздуха — такие системы подходят для лабораторий.

3. Система свежего воздуха с двунаправленным потоком и рекуперацией тепла

В состав системы входит основной блок с рекуперацией тепла: в северных регионах, где зимой наблюдается большая разница температур внутри помещения и снаружи, а подаваемый в помещение воздух является холодным, блок рекуперации тепла осуществляет теплообмен между воздухом, выводимым наружу, и поступающим свежим воздухом, что позволяет достичь экономии энергии.

[Рисунок: Планировка системы приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха лаборатории на поэтажном плане, включая биохимический зал, холодильную камеру, зону хранения образцов, санузлы, офисную зону, комнаты для совещаний и обучения, приемный зал и различные буферные зоны, зону электрофореза, зону секвенирования, зону тестирования библиотек, зону амплификации и т.д., с отмеченными размерами по сетке координационных осей и трассировкой воздуховодов]

Рис. 6-25 Планировка приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха на поэтажном плане

IV. Основной состав системы вентиляции

• Конечное вентиляционное оборудование: преимущественно включает вытяжные шкафы, шарнирные вытяжные рукава, вытяжные шкафы для атомно-абсорбционного анализа, приточно-вытяжные колпаки и т.д., как показано на рисунках 6-26 и 6-27.

[Рисунок: Фотография лаборатории с несколькими красными шарнирными вытяжными рукавами, установленными над лабораторными столами]

Рис. 6-26 Шарнирный вытяжной рукав

[Рисунок: Фотография лаборатории с несколькими вытяжными шкафами для атомно-абсорбционного анализа из нержавеющей стали, установленными над столом для инструментального анализа]

Рис. 6-27 Вытяжной шкаф для атомно-абсорбционного анализа

2. Система вентиляционных воздуховодов: преимущественно включает воздуховоды, воздушные заслонки, глушители шума, башни очистки отработанных газов и т.д.

3. Вентиляционные агрегаты: основным элементом являются вентиляторы.

V. Параметры проектирования системы вентиляции

1. Для клиентов, которым требуется проектирование вентиляции лабораторий, объем воздухообмена вентиляции определяется по кратности воздухообмена в помещении; кратность воздухообмена в лаборатории составляет 10–12 раз в час, в особых случаях она может быть соответствующе увеличена. [Для вентиляции помещений в качестве конечного устройства обычно выбирают металлический вытяжной колпак размером 500 мм × 500 мм; производительность каждого колпака по вентиляции составляет до 600 м³/ч. Длина помещения × ширина × высота × 10 (кратность воздухообмена) = часовой объем вентиляции помещения; деление часового объема вентиляции на 600 дает количество колпаков; скорости потока в ответвительных и магистральных воздуховодах рассчитываются на уровне 6 м/с.]

2. Скорость потока в ответвительном воздуховоде для вытяжных шкафов составляет 6–10 м/с (для расчетов обычно принимают 10 м/с); в особых случаях она может превышать 10 м/с, но не должна превышать 12 м/с; скорость потока в магистральном воздуховоде составляет 10–14 м/с (обычно принимают 10 м/с; для длинных воздуховодов выбирают 12 м/с, для больших объемов воздуха — 14 м/с).

3. Лицевая скорость вытяжного шкафа обычно регулируется в диапазоне 0,375–0,75 м/с; приемочная норма обычно составляет 0,5 м/с, оптимальная лицевая скорость — 0,508 м/с. (При измерении лицевой скорости створку шкафа обычно поднимают на 5 см; допустимой считается скорость 0,3–0,5 м/с. Если отверстие створки слишком большое, скорость, измеренная на 5 см ниже створки, также может быть принята.) См. таблицу 6-4.

Таблица 6-4 Параметры лицевой скорости вытяжного шкафа

4. Уровень внешнего шума должен контролироваться на отметке 70 дБ(А), а уровень внутреннего шума в лаборатории — на отметке 55 дБ(А) (при уровне внешнего шума около 75 дБ превышается предельный уровень внутреннего шума в 60 дБ, установленный стандартом GB). Шум вентилятора подразделяется на собственный механический шум вентилятора (в основном вызываемый различиями в качестве вентиляторов) и аэродинамический шум (основной вид шума). При небольшой мощности вентилятора снизить аэродинамический шум можно установкой дождевого колпака над вентилятором; для мощных вентиляторов глушители шума обычно монтируют на входе и выходе вентилятора. Механический шум подавляют в основном путем возведения звукоизоляционных стен или установки небольших акустических кожухов, либо монтажа гибких вставок на входе и выходе вентилятора. Основной метод виброзащиты — изготовление основания вентилятора на виброизолирующей базе и установка виброизоляторов или демпферных прокладок.

5. Объем вентиляции (Q) = лицевая скорость (vs) × площадь отверстия вытяжного шкафа. Функция электронного регулирующего клапана объема воздуха заключается в регулировке объема вентиляции каждого вытяжного шкафа за счет изменения радиуса воздуховода каждого шкафа, благодаря чему лицевая скорость остается постоянной при изменении площади отверстия шкафа.

6. Объем вытяжки (Q) = лицевая скорость (vs) × площадь отверстия вытяжного шкафа. Функция системы частотного регулирования (VFD) заключается в изменении частоты вращения вентилятора и, как следствие, его объема вентиляции; когда в вентиляционной системе работает лишь несколько вытяжных шкафов, система VFD автоматически регулирует частоту вращения вентилятора, изменяя его объем вентиляции и тем самым поддерживая постоянную лицевую скорость вытяжных шкафов. Система VFD работает по схожему принципу с регулирующим клапаном объема воздуха, однако если использовать только регулирующие клапаны, вентилятор все равно работает на максимальной частоте вращения при работающих лишь нескольких шкафах; с системой VFD регулировка частоты вращения вентилятора позволяет экономить электроэнергию.

VI. Классификация и требования к материалам вентиляционных воздуховодов

1. Классификация по материалу воздуховодов: воздуховоды из оцинкованной стали, воздуховоды из нержавеющей стали, воздуховоды из неорганического стеклопластика (FRP), воздуховоды из силикатных плит, воздуховоды из композитных теплоизоляционных панелей, гибкие воздуховоды и т.д.

Воздуховоды из оцинкованной стали обычно используются для приточных и обратных воздуховодов систем кондиционирования (преимущества: длительный срок службы, низкое сопротивление трения, быстрое и простое изготовление; недостаток: область применения ограничена возможностями технологического оборудования, толщина стенки не должна превышать 1,2 мм). Воздуховоды из нержавеющей стали обычно используются в качестве приточных воздуховодов, расположенных после фильтров HEPA в сверхчистых системах, а также для транспортировки коррозионных газов (преимущества: привлекательный внешний вид, гладкая внутренняя стенка, низкое аэродинамическое сопротивление, хорошая герметичность, высокая прочность на давление, коррозионная стойкость, термостойкость; недостаток: высокая стоимость).

Неорганические стеклопластиковые (FRP) воздуховоды широко применяются в системах кондиционирования воздуха, а также в системах противопожарного дымоуправления и дымоудаления (преимущества: коррозионная стойкость, длительный срок службы, относительно высокая прочность, стоимость практически сопоставима со стоимостью стальных воздуховодов; недостатки: нестабильное качество, шероховатая внутренняя поверхность, высокое аэродинамическое сопротивление, высокая плотность, большой вес, сложность ремонта на объекте).

Воздуховоды из силикатных плит обычно используются в качестве воздуховодов дымоудаления (преимущества аналогичны характеристикам воздуховодов из неорганических стеклопластиковых плит; характерная особенность — улучшенные противопожарные свойства; недостаток: относительно высокая общая стоимость).

К распространенным типам воздуховодов из композитных теплоизоляционных панелей относятся алюминиево-фольгированные полиуретановые, алюминиево-фольгированные фенольные, полиуретановые BBS и алюминиево-фольгированные стекловатные теплоизоляционные воздуховоды.

Гибкие воздуховоды предназначены для соединения воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования воздуха с конечными устройствами.

К другим типам воздуховодов в основном относятся кирпичные, цементные и текстильные воздуховоды.

[Рисунок: Воздуховоды из нержавеющей стали (отводы, тройники и другие фитинги)]

Рис. 6-28 Воздуховоды из нержавеющей стали

[Рисунок: Неорганический стеклопластиковый воздуховод (белый прямоугольный воздуховод)]

Рис. 6-29 Неорганический стеклопластиковый воздуховод

[Рисунок: Фотография алюминиево-фольгированных воздуховодов; несколько секций прямоугольных воздуховодов и отводов, уложенных на пол]

Рис. 6-30 Алюминиево-фольгированный воздуховод

[Рисунок: Изображение продукции из оцинкованных стальных воздуховодов; прямоугольные воздуховоды с отводами, тройниками и другими фитингами]

Рис. 6-31 Воздуховоды из оцинкованной стали

• По функциональному назначению воздуховодов: приточные, обратные (рециркуляционные), вытяжные, воздуховоды свежего воздуха и т.д.
• По рабочему давлению системы воздуховодов: системы низкого, среднего и высокого давления.
• По форме поперечного сечения: круглые и прямоугольные воздуховоды.

Круглые воздуховоды отличаются высокой прочностью и низким расходом стали, но занимают больше полезного пространства, а для монтажа их отводов и тройников требуются более длинные прямые участки; для высокоскоростных воздуховодов следует использовать круглые спиральные воздуховоды.

Прямоугольные воздуховоды занимают меньше полезного пространства и проще в компоновке; соотношение длинной и короткой сторон прямоугольного сечения не должно превышать 4, а ни при каких условиях не должно превышать 10.

VII. Размеры вентиляционных воздуховодов и методы их расчета

• Распространенные типоразмеры круглых воздуховодов: ① для отдельного вытяжного колпака атомно-абсорбционного анализа в основном используется труба Φ160 (DN150); ② для шарнирных вытяжных рукавов в основном используется труба Φ110 (DN100); ③ для ответвлений и магистральных воздуховодов, обслуживающих один или два вытяжных шкафа, в основном используется труба Φ315 (DN300).
• Распространенные типоразмеры прямоугольных воздуховодов: если система имеет сложную конфигурацию, либо в одном помещении параллельно установлено три и более вытяжных шкафа, либо ограниченная высота лаборатории не позволяет монтировать круглые воздуховоды, допускается рассмотреть использование прямоугольных воздуховодов. Стандартные длины сторон прямоугольных воздуховодов (в мм): 120, 160, 200, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250. Поскольку ширина вытяжного шкафа составляет 800 мм, длинная сторона прямоугольного воздуховода не должна превышать 630 мм; предпочтение отдается квадратным воздуховодам — если условия не позволяют, можно использовать прямоугольные, но их типоразмеры должны быть единообразными в рамках каждого проекта.
• Методы расчета размеров воздуховодов: ① расчет круглого воздуховода: Q = (3600 × πd²v)/4 (Q — расход удаляемого воздуха, (обрыв в нижней части страницы)

(продолжение с предыдущей страницы) м³/ч; d — диаметр воздуховода, мм; v — скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с); ② расчет прямоугольного воздуховода: Q = 3600 × a·b·v (Q — расход удаляемого воздуха, м³/ч; a, b — длины сторон поперечного сечения воздуховода, мм; v — скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с).

4. Нормы толщины стенок воздуховодов: согласно национальным стандартам, рассматриваемые вентиляционные системы относятся к системам среднего и низкого давления. Нормы толщины круглых ПВХ-воздуховодов в системах среднего и низкого давления приведены в таблице 6-5.

Таблица 6-5 Нормы толщины круглых ПВХ-воздуховодов в системах среднего и низкого давления

Стандарты толщины прямоугольных воздуховодов из ПВХ в системах среднего и низкого давления приведены в таблице 6-6.

Таблица 6-6 Стандарты толщины прямоугольных воздуховодов из ПВХ в системах среднего и низкого давления

Стандарты толщины круглых воздуховодов из стеклопластика (FRP) в системах среднего и низкого давления приведены в таблице 6-7.

Таблица 6-7 Стандарты толщины круглых воздуховодов из стеклопластика в системах среднего и низкого давления

VIII. Проектирование вентиляционных воздуховодов

1. Сначала по плану этажа определите количество вытяжных шкафов в каждой системе, затем по количеству вытяжных шкафов в каждой системе определите приблизительный объем вентиляции системы (расчетный расход воздуха каждого вытяжного шкафа размером 1200 мм составляет 1300 м³/ч, (обрыв текста в нижней части страницы)

(продолжение с предыдущей страницы) каждого вытяжного шкафа размером 1500 мм — 1700 м³/ч, каждого вытяжного шкафа размером 1800 мм — 2100 м³/ч, каждого вытяжного шкафа для атомно-абсорбционного анализа — 600 м³/ч, а каждого шарнирного вытяжного рукава — 250 или 300 м³/ч), после чего выберите вентилятор с расходом воздуха, немного превышающим объем вентиляции системы.

• Рассчитайте потери давления в процессе вентиляции: сопротивление системы с одним вытяжным шкафом составляет около 80–100 Па; на каждый метр воздуховода приходится 5–6 Па потерь; каждый отвод воздуховода теряет 40–50 Па; на выходе из вентилятора и на входе вытяжки потери составляют по 60 Па; глушитель шума теряет 50 Па. Затем выберите подходящий вентилятор по графикам характеристик на основе рассчитанных расхода воздуха и давления (при расчете учитывается только перепад давления на самом удаленном вытяжном шкафу, а также оставляется запас в 200–300 Па).

• Затем рассчитайте радиус воздуховода из соотношения: расход воздуха = площадь поперечного сечения воздуховода × скорость воздуха в воздуховоде (ответвления воздуховодов выбираются диаметром 315 мм в соответствии с размером вытяжного шкафа).

IX. Классификация и выбор вентиляторов

• Классификация вентиляторов: по характеру движения потока воздуха вентиляторы делятся на центробежные (обычно размещаются на открытом воздухе), осевые (обычно размещаются в помещении) и вентиляторы смешанного потока (диагональные); по материалу вентиляторы в основном включают вентиляторы из обычной стали, нержавеющей стали, ПВХ и стеклопластика (FRP). При выборе вентилятора размер его выходного отверстия должен быть больше размера основного воздуховода.

• ① Характеристики осевых вентиляторов: низкое энергопотребление и эксплуатационные расходы, но высокий уровень шума и низкая всасывающая способность вентилятора (низкое давление воздуха); подходят для простых систем, обычно устанавливаются на стенах или воздуховодах. ② Характеристики центробежных вентиляторов: высокое энергопотребление и эксплуатационные расходы, относительно высокий уровень шума, сильная всасывающая способность вентилятора (высокое давление воздуха); подходят для сложных систем, в основном устанавливаются на открытом воздухе или на крышах. ③ Характеристики диагональных вентиляторов: энергопотребление, эксплуатационные расходы и всасывающая способность находятся на уровне между двумя вышеперечисленными типами; более низкий уровень шума; подходят для простых систем, обычно устанавливаются в помещении.

• Основные параметры вентилятора: ① Расход (Q): объем воздуха, проходящий через заданное поперечное сечение воздуховода в единицу времени. ② Частота вращения вентилятора (n): скорость вращения ротора вентилятора, измеряется в об/мин. ③ КПД (η): рабочий коэффициент полезного действия вентилятора η = (W_полезная/W_общая) × 100%. ④ Давление (P): полное давление вентилятора (Pt) делится на динамическое давление (Pd) и статическое давление (Ps). Статическое давление — это давление, которое должен создавать вентилятор для преодоления сопротивления трения всей вентиляционной системы, оно определяется характеристиками всей системы: вытяжных шкафов, жалюзи, регулирующих клапанов, воздуховодов и самого вентилятора. Динамическое давление — это часть давления, которой обладает газ, перемещающийся с определенной скоростью; при стандартных условиях оно рассчитывается по формуле: Pd = 0,5ρV² (ρ — плотность воздуха, обычно равна 1,2; V — скорость воздуха, м/с).

• Выбор вентилятора: при параметрах ниже 3,5F, производительности ниже 4000 м³/ч и количестве вытяжных шкафов не более 2 допускается выбор диагонального вентилятора; при превышении этих значений выбирается центробежный вентилятор. ① Для одной шарнирной вытяжной руки или вытяжного шкафа для атомно-абсорбционного анализа, если трасса воздуховода относительно простая — выведена напрямую наружу через стену или окно — допускается выбор стеклопластикового диагонального вентилятора. Проектировщик может выбрать диагональные вентиляторы моделей FSJG-2.5F (мощность двигателя N = 0,09 кВт) или FSJG-3.0F (N = 0,18 кВт) в зависимости от условий системы; если трасса воздуховода более сложная, с большим количеством отводов, допускается выбор центробежных вентиляторов моделей F4-72-3.0A (N = 0,55 кВт или 0,75 кВт) или F4-72-3.2A (N = 0,55 кВт или 0,75 кВт). ② Для одного вытяжного шкафа, если система воздуховодов относительно простая (обрыв текста в нижней части страницы)