通风柜的作用及测试规范解析

化学工作者，尤其是实验室工作人员的死亡率要高于社会上的一般人群。美国职业卫生与健康管理局公布的数据显示，实验人员的平均寿命比正常人的平均寿命要少10年。通风柜(或称排风柜)的出现就是为了使实验人员免受空气污染物质的伤害。1923年，世界上公认的第一台现代通风柜出现在英国利兹大学。

通风柜被用来排除实验过程中所产生的有害气体，是化学实验室中控制空气污染的关键局部排风设备。如图4-1所示，通风柜是一个封闭的通风操作空间，用以捕集、容纳、排除封闭空间内所产生的污染物。通风柜包括侧壁、后壁、上部封闭平板、底板、开放入口、工作台、挡板、导流系统等。

图4-1　通风柜

通风柜相关的国内外参考规范有:

中国JB/T 6412—1999《排风柜》;

中国JG/T 222—2007《实验室变风量排风柜》;

中国JG/T 385—2012《无风管自净型排风柜》;

美国科学仪器设备实验室家具协会SEFA 1—2010《实验室通风柜》;

美国采暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE 110—2016《实验室通风柜性能测试方法》;

欧盟/英国国家标准协会BS EN 14175《通风柜》。

国外针对通风柜的研究起步较早，标准体系建设较成熟。美国SEFA 1《实验通风柜》自1988年以来发布，现在已经更新至第5版。该标准共6章内容，包括通风柜的目的、范围、定义、生产、安装、使用等。美国ASHRAE 110是专门针对通风柜性能测试的规范，最早发布于1985年，后来进行了大规模修订，现在已更新至2016年版。欧盟BS EN 14175分为6个子项目，包括术语、安全及性能要求、测试方法、现场测试方法、安装维护建议、变风量通风柜，每个子项单独成册。我国20世纪60年代起对排风柜进行实验研究，90年代后期编制了机械行业标准《排风柜》，主要对定风量排风柜性能试验进行了详尽的说明。2004—2005年又制订了《变风量排风柜》标准。2012年11月1日《无风管自净型排风柜》开始实施，这是一部适用于无风管自净型排风柜系列产品的专用规范。

1.通风柜的分类及特征

常见的通风柜有以下几类:定风量通风柜、变风量通风柜、补风型通风柜、无风管型排风柜，还有一些特殊用途的通风柜如高氯酸通风柜、核辐射通风柜等。下面针对几种常见的通风柜类型进行更为详细的介绍。

2.定风量通风柜

定风量通风柜保持排风总量不变，按面风速是否变化可细分为传统型通风柜(conventional hoods)和旁通型通风柜(bypass hoods)。传统型通风柜面风速随着柜门移动而变化。旁通型通风柜面风速基本上保持不变。传统型通风柜初投资低，但是运行费用高，而且当柜门下降时，面风速会增加，高速气流可能会影响柜内工作腔的操作，吹翻重量微小的仪器，干扰测试设备，降低蒸馏速率，降低加热温度，而且还会造成柜内气流紊乱，容易造成污染物外逸。传统型通风柜因为以上原因已经逐渐被市场淘汰。

如图4-2所示，旁通型通风柜结构如下:旁通型柜门一般在垂直方向移动，在柜门上方或下方设置百叶进风口(旁通口)，柜门的开度调节旁通口的进风量。一般旁通口的进风百叶面积是根据保持面风速的控制要求确定的，其保证了通风柜的面风速，从而提高了通风柜的安全性。

图4-2　旁通型通风柜示意

3.变风量通风柜

变风量通风柜指的是安装有变风量调节装置的标准型通风柜，当通风柜拉门移动时也能保持设定的面风速。变风量通风柜与定风量通风柜结构组成上的主要区别就在于安装有变风量调节阀、变速排风机以及相应的控制器等，如图4-3所示。

图4-3　变风量通风柜

当变风量通风柜柜门下降时，排风机风量相应减少。如式(4-1)所示，由于风机功率与风量之间是立方关系，故其相比于定风量通风柜更为节能。更重要的是，由于变风量通风柜可保证操作面面风速恒定，从而在一定程度上减少了柜内的有害物质外逸，有效保障了科研人员的职业卫生安全。

《实验室变风量排风柜》(JG/T 222—2007)对变风量通风柜的性能做相关要求，具体见表4-1。

表4-1　变风量通风柜性能参数

变风量通风柜的功能实现有赖于通风柜控制系统的顺利运行，笔者将在4.3节进行更为详细的自控系统介绍。(www.xing528.com)

4.补风型通风柜

补风型通风柜是在通风柜上设置专门的送风系统来补入室外新风，补入新风代替了从室内空调采暖环境直接抽吸至通风柜工作腔内的空气，从而实现了节能的目的。根据补风送风口的位置，补风型通风柜可分为内补风与外补风两种类型。

如图4-4所示，外补风典型结构是，通风柜的操作窗口上方设有出风口，一定比例(通常约70%)的室外补风经出风口送出，当操作门关闭时，室外新风直接补入柜内随污染物一并排出。如果柜体结构设计及使用合理，柜外补风在操作人员的呼吸区将形成向下的气流会抑制操作人员身体周围的涡旋，操作人员面部区域会得到更好的保护。由于出风口一般设置在操作窗口上方，要注意出风风速不能过大，否则在人员操作区容易形成涡流，从而诱导有害气体逸散至人员操作区。此外，未经热湿处理的室外新风直接送入空调采暖环境中，对操作人员的热舒适性会造成一定影响。

图4-4　外补风通风柜结构示意

内补风通风柜典型结构如图4-5所示。内补风通风柜相比外补风通风柜，因为会直接影响柜内的气流组织，所以其工艺结构更为复杂，制造成本高。目前市场上的内补风通风柜并非100%补风至柜体内。通风柜上一般设置有三个补风口，即通风柜操作窗口的上方内侧和外侧各设有一个补风口(A1及A3)，操作窗口下方设有一个补风口(A2)。由于该通风柜需要精确控制三个补风口的出风量比例以达到安全节能的效果，因此对补风系统控制的精确性有非常高的要求。

图4-5　内补风通风柜补风口示意

(引自公开号为CN107497815A的专利)

从上述要求看，不论内补风型通风柜或外补风型通风柜都需要设置专用的补风风机以及精确的控制系统，再加上复杂的补风结构所带来的增量成本，相比于独立设置补风系统的标准型通风柜，其初投资并无明显优势。

乐有奋等人(2002)在《气幕式排风柜的研究应用》一文中在常规通风柜的基础上引入吹吸气幕技术，开发出一种新型吹吸气幕式排风柜，和上述的外补风或内补风结构有所不同。下送气幕式通风柜结构如图4-6所示，其主要由柜体、均匀送排风装置、导流板和内部排风装置几部分构成，吹吸气幕主要起隔断柜内污染物的作用。使用气幕式通风柜时应注意，一旦气幕被破坏，气流将会携带通风柜内的有害气体逸散，对操作人员产生严重影响。此外，上送气幕式通风柜结构相比之下送气幕式通风柜更为合理，因为在下送气幕式通风柜中，送风是自下而上的，极有可能沿操作者手臂的下侧向操作者位置溢出，且出风的风向正对操作者的呼吸区域，对使用人员十分不利。

图4-6　气幕式通风柜结构示意

补风型通风柜在选用时不能因为过分关注其节能性而忽略整体气流特性。不论哪种通风柜结构都应结合使用需求及建设条件首先关注通风柜的安全防护性能。美国工业卫生协会AIHA标准Z9.5中对补风型通风柜的使用提出了如下要求:

(1)补风型通风柜首先应满足一般通风柜面风速等相关控制指标。

(2)送风口应位于通风柜外侧且应位于操作面的上方，补风气流应释放在柜体外。

(3)补风的风机应分散布置，不能影响通风柜的污染物抑制能力。

(4)补风气流不能提高污染物外逸的可能性或影响通风柜的污染物抑制能力。

美国Z9.5标准不推荐使用补风型通风柜，只是由于实际使用中还有许多补风型通风柜存在，因此才提出了上述针对性要求。值得注意的是，上述要求明确了“补风气流应释放在柜体外”，因此对于内补风型通风柜的选用更加需要慎重考虑。

5.无风管自净型通风柜

上述介绍的通风柜排放的含污染物的气体须经净化处理后方可排入大气环境。无风管自净型通风柜则采用过滤器来替代复杂的排风管道，过滤后的气体最终回到室内再循环。

无风管自净型通风柜与前述通风柜的结构有所不同。无风管自净型通风柜结构主要包括壁板、室内通风孔、带有操作孔的操作面、过滤器、风机、风速仪等。风机安装于无风管型通风柜的上端。柜内自带的风速仪直接显示面风速，面风速应控制在0.4~0.6m/s。带有操作孔的透明操作面代替一般通风柜的拉门。实验前放入实验设备，实验时通过操作孔进行操作。无风管自净型通风柜，因为其安装简便、使用灵活、节能等特点，适用于实验规模较小、通风柜使用频率较低、实验危险性较低的操作环境，特别是一些改造类项目，过滤后的空气不需排至室外而在实验室内再循环，运行可以获得较为显著的节能效果，在中国科学院上海药物研究所、北京兽药监察所、北京四环制药厂的一些项目中都有使用。

需要注意的是，对于无风管自净型通风柜来说，其排风净化效果(过滤器吸附性能)是最重要的指标。我国标准《无风管自净型排风柜》规定，过滤器出风端污染物浓度达到其时间加权平均允许浓度(以时间为权数规定的8h工作日或40h工作周的平均容许接触浓度，permissible concentration-time weighted average，PC-TWA)规定值的1%时即认为过滤器饱和，此时需要更换新的过滤器。在使用此类通风柜前应重点考察过滤器的额定吸附量、过滤器报警设施以及过滤器的维护周期等。

6.通风柜的性能指标

面风速是通风柜的主要性能指标。根据《SEFA1-2实验室通风柜推荐措施》，通风柜面风速宜为100fpm(0.51m/s)。事实上，根据不同实验的应用以及实验室是否有人，风速最低可低至80fpm(0.41m/s)，最高可至150fpm(0.76m/s)。美国工业卫生协会AIHA标准Z9.5针对不同风速段对通风柜的性能影响进行了简单介绍。

需要注意的是，面风速并非越高越好。在进行典型的通风柜操作时，操作人员会站在通风柜的正面操作通风柜内的仪器设备，此时从正面进入通风柜内的气流会在操作人员的周围产生涡流，而涡流则可能将通风柜内产生的污染气体带出，并沿操作人员身体四周升至呼吸区。通风柜的面风速越高，涡流则会越大。同时，也要注意，面风速不是影响通风柜安全性能的唯一指标，通风柜的内部结构(如挡板位置、排风管道的安装位置)、通风柜周围的气流组织以及实验室门的开启和人员等都会直接或间接地影响通风柜的安全性能。

为保证通风柜能够有效地控制有害物质的扩散，通风柜需进行严格的性能测试。参考ASHRAE 110、BS EN 12175等标准，一般包括三种测试:流场显示(flow field visualization)测试、面风速(face velocity)测试以及密闭性(containment)测试。