Instalacje HVAC laboratoriów chemicznych – wyposażenie techniczne. Wentylacja ogólna.

Pomieszczenia laboratoriów chemicznych są zazwyczaj wyposażone w dwa typy wentylacji: wentylację ogólną oraz technologiczną (procesową).

Pierwszy rodzaj odpowiada za dostarczanie świeżego powietrza dla personelu oraz rozcieńczanie (usuwanie) zanieczyszczeń powstających podczas pracy laboratorium z uwzględnieniem komfortu (zapewnienie odpowiedniej prędkości i jakości powietrza w strefie przebywania ludzi, często również regulacja temperatury).

Drugi typ wentylacji ma za zadanie nie dopuścić do rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń poza obręb źródła ich emisji, co pozwala na ograniczenie strumienia powietrza wentylacji ogólnej.

Kluczową kwestią projektową jest właściwa konfiguracja obu rodzajów wentylacji w celu zapewnienia właściwych parametrów powietrza i odpowiedniego ukierunkowania przepływu, ale również prawidłowa regulacja pracy urządzeń w celu zmniejszenia zużycia energii [10] przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa ich użytkowania. Żeby osiągnąć założony cel, szczególną uwagę należy zwrócić na dobór poszczególnych elementów wyposażenia technicznego laboratoriów (przewody, armatura, urządzenia, ich parametry itp.).

W kolejnych punktach artykułu przedstawiono przegląd najpopularniejszych rozwiązań technicznych składowych systemu wentylacyjnego laboratoriów chemicznych.

Wentylacja ogólna

Wentylacja ogólna pomieszczenia laboratoryjnego powinna zostać zaprojektowana jako instalacja mechaniczna nawiewno-wywiewna, ponieważ wentylacja naturalna nie zapewnia wymaganego przepływu powietrza w każdych warunkach atmosferycznych, a także wiąże się z dużymi kosztami eksploatacyjnymi (brak kontroli, odzysku ciepła) i brakiem możliwości regulacji temperatury w obsługiwanym pomieszczeniu.

Instalacja kanałowa

Materiały stosowane do budowy instalacji wentylacji w laboratoriach chemicznych powinny charakteryzować się odpornością na różne czynniki, z którymi mogą mieć styczność, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia. Wśród nich można wymienić: substancje chemiczne, pyły, temperaturę, wysoką wilgotność i promieniowanie UV.

Tworzywa sztuczne, takie jak PVC, PP, PE, są dobrymi materiałami chemoodpornymi, często stosowanymi w laboratoriach [21]. Podstawowymi ich własnościami są: dobra odporność chemiczna, długa żywotność, brak odporności na promieniowanie UV oraz łatwość montażu wynikająca z ich niskiej wagi. Dodatkowo PVC charakteryzuje się trudnozapalnością, PP wysoką sztywnością w podwyższonych temperaturach, a PE wysoką udarnością nawet w niskich temperaturach (rys. 1).

Kanały w laboratoriach chemicznych spełniają zwykle te same wymagania wytycznych co kanały wentylacji pomieszczeń bytowych. Jednak w przypadku możliwości powstawania kondensatu (szczególnie przy procesach mokrych) lub konieczności umożliwienia mycia instalacji kanały powinny być prowadzone ze spadkiem, a tam, gdzie to możliwe, pionowo, z dużą liczbą rewizji pozwalających na czyszczenie. Łączenie kanałów instalacji wentylacji laboratoriów powinno zapewniać szczelność wymaganą przez normy PN-EN 1507 (kanały prostokątne) [16] i PN-EN 12237 (kanały okrągłe) [17]. Standardowo w Polsce stosuje się kanały klas A i B, które mają szczelność wystarczającą dla większości typów laboratoriów. Jednak w instalacjach specjalnych, gdy nieszczelności mogą mieć wpływ na jakość powietrza, należy stosować kanały o klasie C [21].

Charakterystykę typowych materiałów stosowanych do budowy instalacji wentylacyjnej dla pomieszczeń laboratoriów chemicznych oraz techniki ich łączenia zestawiono w tab. 1. Materiały zostały przedstawione w kolejności rosnącej wg ceny. Dodatkowo w tab. 2 zestawiono przykładowe powłoki stosowane w celu zabezpieczenia elementów instalacji wentylacyjnych.

Regulatory VAV i CAV

Z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy jednym z najistotniejszych wymagań jest utrzymanie w pomieszczeniu laboratorium stałej wartości podciśnienia lub nadciśnienia względem otaczających stref. Z uwagi na obecność w tych pomieszczeniach substancji szkodliwych zwykle zakłada się podciśnienie na poziomie 5–15% różnicy strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego [11].

W celu kontroli strumieni powietrza w pomieszczeniu stosuje się regulatory zmiennego strumienia powietrza VAV oraz regulatory stałego przepływu CAV. Odgrywają one ważną rolę z uwagi na dużą różnorodność urządzeń technicznego wyposażenia laboratoriów (digestoria, ssawki, okapy) – zmiana parametrów pracy jednego z urządzeń musi znaleźć swoje odzwierciedlenie w zmianie punktu pracy systemu wentylacji ogólnej (kompensacja).

Załączenie urządzenia usuwającego powietrze z pomieszczenia powinno skutkować obniżeniem strumienia wywiewu ogólnego, a po przekroczeniu wartości minimalnego strumienia dla regulatora wywiewnego dodatkowo wzrosnąć powinien strumień powietrza nawiewanego. Jeśli w pomieszczeniu znajdują się szafy wyciągowe z regulatorami stałego przepływu CAV, konieczne jest ich uwzględnienie w całkowitym bilansie strumieni powietrza wentylacyjnego.

Przykład dynamicznego bilansowania składowych strumieni powietrza wentylacyjnego z uwzględnieniem zmiennego obciążenia grzewczego i chłodniczego kompensowanego częściowo systemem wentylacji i klimatyzacji przedstawiono na ilustracji na str. 74 w RI nr 4/2015 [11]. Na rys. 2 zilustrowano przykładowe regulatory stosowane w systemach wentylacji laboratoriów chemicznych.

Właściwy dobór regulatora VAV powinien uwzględniać zarówno maksymalny, jak i minimalny strumień powietrza, jaki będzie utrzymywał regulator. Doświadczenie autorów z prowadzenia pomiarów strumieni powietrza z wykorzystaniem regulatorów VAV i alternatywnej metody pomiaru pokazują, że dokładność regulacji strumienia przepływającego powietrza przez regulator VAV w zakresie przepływów poniżej Vmin znacząco spada, co jest ściśle związane ze stosowaną w regulatorach metodą pomiarową. Dlatego pomimo obiegowych opinii, a nawet czasem deklaracji producentów na temat możliwości pracy regulatora przy niskich przepływach, zalecamy, aby nie tylko nie przekraczać strumieni minimalnych, ale w miarę możliwości zapewnić strumienie o ok. 5–10% większe od minimalnych dla danego typu regulatora.

Na rynku znaleźć można specjalne konstrukcje regulatorów, które gwarantują jakość regulacji nawet przy małych prędkościach przepływającego powietrza, co uzyskuje się poprzez zastosowanie jako elementu pomiarowego zwężki (np. dyszy Venturiego) lub innego elementu spiętrzającego zamiast tradycyjnego krzyża pomiarowego [21].

Do pomiaru różnicy ciśnienia statycznego wykorzystuje się odporne na zanieczyszczenia statyczne lub dynamiczne przetworniki różnicy ciśnień (statyczne – powietrze nie przepływa przez układ pomiarowy, dynamiczne – powietrze przepływa przez układ pomiarowy). Istotną cechą regulatorów jest czas reakcji i doregulowania strumienia, który wg [1] nie powinien przekraczać 2–3 s od momentu całkowitego otwarcia okna, żeby zanieczyszczenia z digestorium nie przedostawały się do pomieszczenia.

Nawiewniki i wywiewniki

Duże strumienie powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach laboratoriów chemicznych mogą powodować powstawanie odczucia przeciągu (zbyt duża prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi). Dlatego bardzo istotny jest równomierny rozdział powietrza. Przy doborze nawiewników i wywiewników należy zwrócić uwagę na ilość powietrza, zasięg strugi, prędkość wypływu, prędkość w strefie przebywania ludzi, poziom hałasu oraz możliwość regulacji kierunku wypływu [3]. Najczęściej stosowane systemy rozdziału powietrza w pomieszczeniach laboratoriów chemicznych to: góra–góra, góra–dół, góra–dół–góra, przepływ tłokowy (systemy wyporowe) – rys. 3.

System rozdziału powietrza góra–dół stosuje się w przypadku, gdy w laboratorium mamy do czynienia ze związkami chemicznymi, które są cięższe od powietrza [11]. Taki system powoduje usuwanie zanieczyszczeń w miejscu ich gromadzenia. Nawiewnikami w systemie góra–dół mogą być np. sufity perforowane, a wywiew odbywa się poprzez kratki wywiewne zlokalizowane w dolnej części pomieszczenia (rys. 4).

Ważnym parametrem nawiewnika jest możliwość regulacji kierunku strugi powietrza w przypadku jego negatywnego wpływu na działanie urządzeń wentylacji technologicznej (np. kiedy nawiewnik umieszczony jest zbyt blisko digestorium). Przy zauważeniu zaburzeń w obrębie urządzeń wentylacji technologicznej (rys. 5) możliwe powinno być skorygowanie kierunku wypływu powietrza z nawiewników wentylacji ogólnej.

Ze względów finansowych i architektonicznych najczęściej wybieranym sposobem rozdziału powietrza jest system z nawiewnikami wirowymi montowanymi po przeciwległej stronie pomieszczenia niż wywiewniki, które zwykle lokalizuje się przy digestoriach, okapach lub innych urządzeniach wyciągowych. Znacznie lepszy pod względem skuteczności wentylacji jest system wyporowy. Wymaga on jednak większych strumieni powietrza, a co jest z tym związane – większych kanałów wentylacyjnych. System jest droższy przy zakupie i w eksploatacji, ale skutkuje większym komfortem użytkowników i mniejszymi zaburzeniami urządzeń wentylacji technologicznej. Rys. 6. z kolei pokazuje tworzywowe krzyżowe wymienniki ciepła Mietzsch z systemem dysz natryskowych [21]

Centrale wentylacyjne i odzysk ciepła

Duże strumienie powietrza wentylacyjnego wiążą się z dużym zapotrzebowaniem na energię potrzebną do jego obróbki, dlatego zawsze należy rozważyć możliwość zastosowania odzysku ciepła z powietrza usuwanego. Charakterystycznym problemem w przypadku laboratoriów chemicznych jest szczelność wymienników ciepła w centralach wentylacyjnych, ich odporność chemiczna oraz wymiary kanalików i ewentualnie możliwość mycia. Stosowanie odzysku ciepła może się wiązać z mieszaniem strumieni różnych zanieczyszczeń i niekontrolowanymi reakcjami tych czynników, a także zanieczyszczeniem urządzeń do odzysku ciepła i kanałów wentylacyjnych oraz korozją. Najpopularniejsze typy wymienników stosowane w pomieszczeniach laboratoriów chemicznych zestawiono w tab. 3.

Wyciąg powietrza z digestorium na zewnątrz z ominięciem centrali wentylacyjnej powoduje znaczące zmniejszenie sprawności temperaturowej wymiennika odzysku ciepła, co powinno zostać wzięte pod uwagę przy bilansowaniu cieplnym pomieszczenia, a także przy doborze opcjonalnego wyposażenia centrali wentylacji ogólnej np. w nagrzewnicę wstępną.

Odzysk ciepła z powietrza usuwanego przez digestoria jest dopuszczalny i opłacalny w przypadku, kiedy wszystkie digestoria można połączyć w jeden układ, w którym mieszanie strumieni powietrza nie prowadzi do niekontrolowanych reakcji i powstania substancji palnych, wybuchowych lub toksycznych. Stosowanie oddzielnych urządzeń dla każdego digestorium lub pomieszczenia może się okazać nieopłacalne. Chociaż podręcznik ASHRAE [2] dopuszcza stosowanie obrotowych wymienników ciepła (szczelność ok. 90–97%) do odzysku ciepła z powietrza usuwanego przez digestoria, układy takie są rzadko stosowane przez projektantów.

Na rys. 7. pokazano przykładowe zestawy wymienników do odzysku ciepła, grzania i chłodzenia powietrza wentylacyjnego eco-net® wraz ze schematami ich działania w konfiguracjach dla zimy i dla lata [21].

Wykonanie materiałowe części nawiewnej instalacji wentylacyjnej wraz z centralą wentylacyjną jest dla pomieszczeń laboratoriów identyczne jak w przypadku typowych pomieszczeń bytowych, dla których powietrze zewnętrzne jest wolne od zanieczyszczeń. Natomiast materiały zastosowane w części wywiewnej muszą być odporne na działanie substancji znajdujących się w pomieszczeniu. Z tego powodu w centralach wentylacyjnych laboratoriów chemicznych stosuje się najczęściej powłoki zabezpieczające przed szkodliwym oddziaływaniem substancji chemicznych, których nawet małe stężenia mogą w trakcie długiego okresu eksploatacji prowadzić do korozji. Płytowe wymienniki ciepła w centralach wentylacyjnych pokrywa się np. powłokami epoksydowymi.

Wentylatory

W instalacjach wentylacyjnych laboratoriów często stosuje się wentylatory promieniowe z uwagi na występujące wysokie prędkości powietrza i straty ciśnienia. Wiąże się to jednak z większym zużyciem energii elektrycznej do napędu tych wentylatorów. Polskie przepisy [13] nakładają obowiązek stosowania wentylatorów o współczynnikach SFP (mocy właściwej) w zakresie 0,8–1,6 kW/(m3/s). W przypadku stosowania dodatkowych elementów w instalacji wentylacyjnej dopuszcza się zwiększenie mocy właściwej wentylatorów o 0,3–0,6 kW/(m3/s) w zależności od rodzaju zastosowanego urządzenia [13].

Rozróżnia się następujące klasy sprawności silników (wg normy [15]): standardowe o klasie IE1 (nie mogą być już stosowane), silniki o podwyższonej sprawności IE2 i IE3 oraz silniki o najwyższej sprawności i klasie IE4. Im większa moc silnika wentylatora, tym wymagana jest wyższa klasa sprawności. Obecnie coraz bardziej popularne stają się silniki EC (elektronicznie komutowane), których zaletą jest niski poziom hałasu oraz wysoka sprawność (do 90%, klasa IE2 do IE4 włącznie w zależności od modelu) i mniejsze zużycie energii w porównaniu do silników AC. Można również stosować silniki PM motors – synchroniczne o magnesie stałym (sprawność pomiędzy IE3 i IE4).

Materiałem najczęściej stosowanym do budowy wentylatorów chemoodpornych jest wzmocniony propylen, czasami również PVC. Przykładami mogą być wentylatory pokazane na rys. 8. Ich cechą charakterystyczną jest obudowa wirnika wykonana najczęściej z jednego elementu, co powoduje, że urządzenia te są hermetyczne. Ma to duże znaczenie przy przetłaczaniu związków chemicznych, które mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe z powietrzem. Maksymalna temperatura pracy to około 40°C.

Wentylatory chemoodporne mogą być również wykonane ze stali kwasoodpornej lub nierdzewnej. Stosowane są przede wszystkim do szaf wentylowanych na chemikalia lub do digestoriów, a najwyższa temperatura ich pracy może wynosić nawet 150°C.

Wersje przeciwwybuchowe wentylatorów chemoodpornych charakteryzują się jednolitą obudową wykonaną przede wszystkim z blachy stalowej z domieszką grafitu, dzięki czemu przystosowane są do pracy w strefach zagrożonych wybuchem.

Akustyka

Wysokie prędkości powietrza w kanałach (z uwagi na duże strumienie i konieczność minimalizacji przestrzeni zajmowanej przez instalacje) skutkują powstawaniem hałasu. Oprócz przepływu powietrza źródłem hałasu są również silniki wentylatorów, a także regulatory VAV, których konstrukcja wiąże się z przewężeniem przekroju i lokalnym zwiększeniem prędkości przepływu powietrza. Dlatego w pobliżu regulatorów VAV powinno się montować tłumiki akustyczne (w kanałach od strony pomieszczenia) oraz obudowy tłumiące na regulatory.

O ile obudowy dla regulatorów przeznaczonych do wentylacji bytowej są popularnym rozwiązaniem, o tyle w przypadku regulatorów w wykonaniu chemoodpornym (laboratoryjnym) nie znaleziono tego typu rozwiązań. Tłumiki akustyczne, podobnie jak pozostałe elementy wentylacji technologicznej narażone na działanie substancji chemicznych, również powinny być wykonane z materiałów chemoodpornych. Na rynku znaleźć można także inne elementy instalacji wentylacyjnej w wykonaniu chemoodpornym chroniące przed hałasem, jak np. obudowy czy podstawy tłumiące do wentylatorów dachowych (rys. 9).

Konfiguracja elementów wyposażenia laboratoriów – wentylacja ogólna

Samo wykorzystanie wysokiej klasy urządzeń technicznego wyposażenia laboratorium nie gwarantuje uzyskania pożądanego efektu skutecznej wentylacji oraz nie chroni przed niekontrolowanym rozprzestrzenieniem się zanieczyszczeń. Systemy te mogą być skuteczne jedynie w połączeniu z odpowiednimi układami automatyki, których zadaniem jest sterowanie pracą poszczególnych urządzeń, z uwzględnieniem warunków ograniczających. Do projektanta instalacji HVAC należy sprecyzowanie wymagań stawianych automatyce oraz opracowanie algorytmów sterowania pracą poszczególnych urządzeń, gwarantujących ich prawidłową współpracę. W aspekcie projektowania laboratorium ważne jest nie tylko właściwe zaprojektowanie instalacji wentylacji ogólnej oraz technologicznej, ale również lokalizacja względem siebie poszczególnych elementów systemu wentylacyjnego. Na podstawie wytycznych, m.in. [2, 5, 6, 7, 9 i 14], można sformułować następujące wskazówki do projektowania instalacji wentylacji w laboratoriach chemicznych:

• należy stosować wyłącznie wentylację mechaniczną (najlepiej w połączeniu z nieotwieranymi oknami – ograniczenie ryzyka niewłaściwego użytkowania),

• należy stosować 100% świeżego (zewnętrznego) powietrza nawiewanego do pomieszczeń,

• należy dobierać regulatory VAV i zdefiniować odpowiednie scenariusze pracy pomieszczenia, uwzględniające zmiany w bilansie powietrza konieczne do utrzymania wymaganej różnicy ciśnień,

• minimalna wartość utrzymywanego podciśnienia jest trudna do określenia, ponieważ zależy m.in. od szczelności powietrznej pomieszczenia, natomiast maksymalna nie powinna przekraczać 50 Pa [11] (z uwagi na trudności w otwarciu drzwi przy wyższej różnicy ciśnień),

• należy przewidzieć tryb pracy dyżurnej w okresach mniejszej intensywności użytkowania pomieszczeń laboratorium (dwukrotne zmniejszenie strumienia powietrza powoduje teoretycznie ośmiokrotne obniżenie mocy wentylatora; w praktyce redukcja ta wynosi od 40 do 80%),

• w celu zapewnienia oszczędności energii należy stosować czujniki ruchu (obecności) oraz algorytm aktywujący tryb „obecności” w przypadku działającego digestorium niezależnie od obecności personelu,

• usytuowanie nawiewników i wywiewników powinno zapewniać przepływ powietrza w kierunku od strefy najmniej zanieczyszczonej do strefy o potencjalnie najwyższym ryzyku zanieczyszczenia,

• z uwagi na zaburzenia pochodzące od nawiewników wysokość pomieszczenia powinna wynosić min. 2,7 m (zalecane 3 m),

• należy zapewnić dobry rozdział powietrza (kryterium efektywności wentylacji), tzn. przepływ całego strumienia powietrza nawiewanego przez strefę roboczą (np. dzięki usytuowaniu nawiewu i wywiewu w przeciwległych narożnikach pomieszczenia) i usuwanie zanieczyszczeń oraz zysków ciepła bezpośrednio w miejscu ich emisji (wentylacja miejscowa technologiczna),

• zaleca się stosowanie wywiewu ogólnego w pobliżu digestoriów i nawiewu po przeciwnej stronie pomieszczenia (w celu obniżenia prędkości powietrza przed oknami digestoriów), w strefie ok. 1,5 m od digestorium nie powinno się umieszczać nawiewników [7],

• prędkość przepływu powietrza przez pomieszczenie powinna wynosić od ok. 20% [9] do 30% [5] prędkości przepływu powietrza w oknie, aby wentylacja ogólna nie pogarszała skuteczności działania wentylacji technologicznej, przy czym prędkość powietrza w odległości 40 cm od okna digestorium nie powinna przekraczać 0,2 m/s [14],

• poziom hałasu od instalacji wentylacji ogólnej nie powinien przekraczać 55 dB (A).

W drugiej części artykułu przedstawione zostaną elementy technicznego wyposażenia pomieszczeń laboratoriów chemicznych związane z wentylacją technologiczną: digestoria, filtry/skrubery, ssawki, okapy oraz szafy wentylowane.

Literatura

1. Ekberg L., Melin J., Required Response Time for Variable Air Volume Fume Hood Controllers, „The Annals of occupational hygiene”, Vol. 44, No. 2, 2000, p. 143–150.

2. Handbook HVAC, Chapter 14, Laboratories, ASHRAE 2007.

3. Joniec W., Nawiewniki, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2010, p. 38–39.

4. Kaiser K., Wentylacja i klimatyzacja laboratoriów, Grupa Medium, Warszawa 2014.

5. Laboratory Design Handbok, TSI incorporated, 2005.

6. Laboratory safety design guide, Environmental Health & Safety University of California, Second Edition, 2007.

7. Ratcliff M., Laboratory safety design guide, Environmental Health & Safety University of Washington, 2009.

8. Rosiński M., Odzyskiwanie ciepła w wybranych technologiach inżynierii środowiska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.

9. Standford Laboratory Standard and Design Guide.

10. Sudoł W., Sypek G., Wentylacja VAV pomieszczeń laboratoryjnych, „Chłodnictwo i Klimatyzacja”, s. 74–77.

11. Szymański M., Górzeński R., Szkarłat K., Instalacje HVAC laboratoriów chemicznych – projektowanie, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015, s. 72–75.

12. Zając A., Organizacja wymiany powietrza, „Rynek Instalacyjny” 11/2008, s. 78–80.

13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

14. EN-14175 Fume Cupboards Part 5. Recommendation for installation and maintance.

15. IEC 60034-30:2008 Standard on efficiency classes for low voltage AC motors.

16. PN-EN 1507:2007 Wentylacja budynków. Przewody wentylacyjne z blachy o przekroju prostokątnym. Wymagania dotyczące wytrzymałości i szczelności.

17. PN-EN 12237:2005 Wentylacja budynków. Sieć przewodów. Wytrzymałość i szczelność przewodów z blachy o przekroju kołowym.

18. PN-EN 14175 Wyciągi laboratoryjne. Cz. 3 i 4.

19. PN-EN 14470 Cz. 1. Bezpieczne ogniowo szafki magazynowe, bezpieczne szafki na płyny łatwopalne.

20. PN-EN 14470 Cz. 2. Ognioodporne szafki magazynowe, bezpieczne szafki na butle ze sprężonym powietrzem.

21. Materiały producentów i dystrybutorów: Amargo, Asesos, BerlinerLuft, Chemotech, Chemowent, Danfoss, Fläkt Woods, Floresvalles, Friatecna, Halton, Heatex, Kchservices, Koettermann, Mietsch, Nederman, Schako, Swegon, Trox, Wesemann, Smay, Fuken, Maxair, Waldner.