Instalacje HVAC laboratoriów chemicznych - projektowanie

Instalacje ogrzewania i klimatyzacji laboratoriów zasadniczo nie odbiegają znacząco od rozwiązań stosowanych w innych obiektach, ale w szczególnych przypadkach mogą występować specyficzne wymagania funkcjonalne. Poprawnie zaprojektowany i wykonany układ ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) laboratorium powinien zapewnić bezpieczne i komfortowe środowisko pracy ludziom przy minimalnym, możliwym do uzyskania zapotrzebowaniu na energię.

O ile w laboratoriach przemysłowych sposób użytkowania i procesy technologiczne są najczęściej ściśle określone, to w obiektach naukowo-dydaktycznych występują problemy ze zdefiniowaniem tych parametrów. Powoduje to często konieczność stosowania rozwiązań uniwersalnych, nie zawsze optymalnych.

Rozwiązania instalacji HVAC laboratoriów chemicznych

W nowoczesnych budynkach z laboratoriami chemicznymi stosuje się wentylację mechaniczną ogólną i technologiczną. Wentylacja ogólna nawiewno-wywiewna realizuje w sposób ciągły bilansowanie strumieni powietrza w pomieszczeniu, a często również regulację temperatury w laboratorium. Wywiewna wentylacja technologiczna (procesowa) obsługuje digestoria (DG), ssawki (SS), okapy (OK), szafy na odczynniki (SO) i szafy na butle ze sprężonymi gazami (SGT) – rys. 1.

Stosowanie nawiewno-wywiewnej wentylacji mechanicznej jest naturalnym wymaganiem wynikającym z oszczędności energii, wytycznych technologicznych itp. Podyktowane jest również potrzebą precyzyjnej regulacji strumieni i ciśnień pomiędzy strefami o różnym stopniu czystości jak również kontrolowania kierunków przepływu i prędkości powietrza w samym pomieszczeniu. W tym celu w laboratoriach stosuje się najczęściej również nieotwieralne okna zewnętrzne.

Sposób rozdziału powietrza jest istotny ze względu na duże strumienie w stosunku do kubatury pomieszczenia. Powietrze nawiewane powinno być w 100% powietrzem zewnętrznym. Elementy nawiewne należy lokalizować możliwie daleko od wyciągów laboratoryjnych, żeby zminimalizować ryzyko zakłóceń przepływu powietrza w rejonie wyciągów (zmniejszenie ich skuteczności – zagrożenie bezpieczeństwa użytkowników) [1, 2].

Zgodnie z wymaganiami norm [3, 4] prędkość powierza przed digestoriami nie powinna być większa niż 0,2 m/s. Zalecany jest przepływ wyporowy [5], jednak często stosowane są nawiewniki wirowe o dużym stopniu indukcji. Opcjonalnie stosować można kanały tekstylne równomiernego wydatku jako elementy nawiewne.

Wybór sposobu nawiewu zależy także od rozwiązania chłodzenia (wysokość obciążeń chłodniczych i wynikająca z nich wielkość strumienia powietrza oraz temperatura nawiewu). Ze względu na znaczne strumienie powietrza wskazana jest analiza potrzeby zastosowania nawilżania dla okresu zimowego.

Wywiew powietrza w ramach wentylacji ogólnej realizowany jest górą i dołem (odciągi przypodłogowe), w zależności od charakterystyki stosowanych w laboratorium substancji (gęstość par i gazów w stosunku do powietrza). Technolog powinien określić strumień powietrza odciąganego znad podłogi. Zgodnie z zaleceniem [5] dla odciągów przypodłogowych, wyposażonych zwykle w regulatory CAV, strumień nie powinien być mniejszy niż 2,5 m³/(h · m²).

Rozmieszczenie urządzeń technologicznych, mebli i elementów wentylacyjnych powinno zostać skoordynowane międzybranżowo i uwzględniać wytyczne projektowania laboratoriów, jak np. [1, 2], w celu eliminacji zakłóceń na skutek niekontrolowanych przepływów powietrza, ruchu ludzi i innych procesów. Centrale wentylacyjne i wentylatory wywiewne stosuje się zwykle w wykonaniu chemoodpornym. W nowoczesnych systemach wymagana jest płynna regulacja prędkości obrotowej wentylatorów podyktowana pracą w układach zmiennoprzepływowych.

Ze względu na rolę bilansu powietrza należy stosować układy automatycznego utrzymywania zadanych strumieni (proporcji strumieni), niezależnie od stanu pracy poszczególnych urządzeń technologicznych w laboratorium oraz stopnia zanieczyszczenia filtrów.

W układach wentylacji laboratoriów chemicznych rzadko możliwe jest zastosowanie obrotowych wymienników odzysku ciepła (sprawność temperaturowa ok. 80%) ze względu na częściowe mieszanie się strumieni powietrza wywiewanego z nawiewanym. W niektórych przypadkach możliwe jest stosowanie wymienników krzyżowych (sprawność ok. 55%) lub przeciwprądowych (ok. 80%) ze względu na niewielkie nieszczelności.

Najpewniejszym rozwiązaniem pod względem odseparowania strumieni są układy z czynnikiem pośrednim – glikolowe (sprawność 45%), ewentualnie pompy ciepła lub rurki cieplne. Na rynku dostępne są również rekuperatory w wykonaniu specjalnym (np. rurkowe z tworzyw sztucznych) o sprawności temperaturowej ok. 35–60%.

Wentylacja technologiczna

Najistotniejszym elementem wentylacji technologicznej laboratorium są digestoria. Komora robocza może mieć różną wielkość – do dyspozycji mamy digestoria bezblatowe (przechodnie), z obniżonym blatem, z normalną wysokością blatu (ok. 900 mm). Ze względu na materiały i komponenty, z których zbudowane są digestoria, podzielić je można na przeznaczone do prac ogólnych, o podwyższonej odporności chemicznej oraz w wykonaniu przeciwwybuchowym. Z kolei ze względu na konstrukcję okna dzielimy je na otwierane pionowo, poziomo i kombinowane.

Digestoria mogą być stałoprzepływowe (CAV) i zmiennoprzepływowe (VAV) [4]. Digestoria typu VAV, pracując okresowo ze zmiennymi strumieniami powietrza, zapewniają bezpieczeństwo użytkowania i oszczędność energii (minimalizacja energii do napędu wentylatora i obróbki termicznej powietrza). Należy pamiętać o zmniejszaniu efektywności odzysku ciepła przez załączenie digestorium.

Jednostkowe strumienie powietrza dla digestoriów mieszczą się w zakresach 100–200 m³/h na 1 mb. szerokości otworu roboczego przy oknie zamkniętym i 400–1000 m³/(h · m) przy oknie otwartym. Celem jest uzyskanie minimalnej prędkości powietrza w otwartym oknie, zwykle na poziomie 0,5 m/s, co jednak przy wysoko efektywnych digestoriach nie jest warunkiem koniecznym [4].

Stopień zanieczyszczenia powietrza może w pewnych przypadkach powodować konieczność zastosowania urządzeń filtracyjnych, skruberów itp. przed wprowadzeniem powietrza do atmosfery. Przed filtrami dokładnymi (wysokosprawnymi) lub węglowymi wskazane jest stosowanie wstępnych filtrów ochronnych niższej klasy.

Digestoria jednego typu można w obrębie pomieszczenia łączyć we wspólną linię wyciągową zakończoną wentylatorem dachowym (podciśnienie w całej instalacji zabezpiecza przed przeciekami zanieczyszczonego powietrza do budynku). Nie zaleca się łączyć we wspólne linie digestoriów różnych typów (ogólnych, przeciwwybuchowych, wzmacnianych), jak również tego samego typu, ale z różnych pomieszczeń (zmieszanie strumieni zawierających różne substancje chemiczne może spowodować niekontrolowane reakcje, których produkty mogą się okazać silnie agresywne, wybuchowe itp.).

Szafy wentylowane na odczynniki chemiczne oraz na butle z gazami technicznymi pracują 24 godziny na dobę ze stałymi strumieniami powietrza (CAV). Szafy jednego typu najkorzystniej łączyć we wspólne linie wywiewne. Urządzenia te powinny być zgodne z normą PN-EN 14470. Strumienie powietrza dla szaf wynoszą zwykle od kilku do kilkudziesięciu m³/h. Okapy i ssawki to typowe odciągi miejscowe stosowane szeroko w instalacjach przemysłowych.

Przy projektowaniu i wykonywaniu wentylacji należy mieć na uwadze odporność chemiczną elementów instalacji, zapewniającą trwałość i bezpieczeństwo użytkowania, jak również wymagania funkcjonalne zapewniające łatwą eksploatację instalacji i urządzeń. Konieczne jest zwykle zastosowanie tłumików akustycznych i obudów tłumiących urządzeń oraz elementów regulacyjnych.

Ogrzewanie i klimatyzacja

W zależności od parametrów, takich jak charakter obiektu, jego wielkość (liczba pomieszczeń), przeznaczenie laboratoriów itp., wybrać można systemy wentylacyjne centralne lub zdecentralizowane.W systemach centralnych możliwe jest ogrzewanie pomieszczeń za pomocą nagrzewnic strefowych, a w systemach zdecentralizowanych poprzez nagrzewnice poszczególnych central wentylacyjnych. Mimo że w pewnych przypadkach można wykorzystać układy wentylacji do ogrzewania pomieszczeń, rozwiązanie to jest przeważnie nieuzasadnione ekonomicznie.Teoretycznie można rozważyć stosowanie klimakonwektorów (grzanie i/lub chłodzenie) poddających obróbce powietrze obiegowe, jednak dodatkowe strumienie powodować mogą przekroczenia zalecanych prędkości w strefach roboczych, dlatego rozwiązanie to nie jest praktykowane.Rozdzielenie funkcji wentylacji od ogrzewania i chłodzenia jest zatem jednym z bardziej istotnych założeń mających na celu elastyczną i oszczędną eksploatację obiektu.

Ogrzewanie jest najczęściej rozwiązywane tradycyjnie – za pomocą grzejników wodnych, konwektorowych. Taki statyczny układ zapewnia odpowiedni komfort przy stosunkowo niskich kosztach eksploatacji i dobrej dynamice. Wykonanie grzejników powinno spełniać odpowiednie wymagania higieniczne, odporności chemicznej, odporności na wodę, wilgoć itp.

Niekiedy możliwe jest również zastosowanie ogrzewania płaszczyznowego. W tym przypadku należy uwzględnić ograniczenia, takie jak np. umeblowanie, urządzenia i wyposażenie technologiczne.

W aspekcie klimatyzacji mówimy najczęściej o procesie częściowym, czyli chłodzeniu. Chłodzenie powietrzne centralne możliwe jest do zastosowania, gdy obsługiwana jest mała liczba pomieszczeń, a ich obciążenia chłodnicze są umiarkowane i wyrównane. W przypadku zróżnicowanych obciążeń wskazane jest zastosowanie chłodnic strefowych umożliwiających regulację temperatury w obsługiwanej przestrzeni.

W czasie użytkowania pomieszczenia występuje zarówno potrzeba wentylowania (strumienie obliczeniowe), jak i chłodzenia (zyski wewnętrzne), co uzasadnia rozwiązanie chłodzenia powietrznego.

Dla typowych strumieni powietrza wentylacyjnego i nawiewu wirowego układ wentylacji może odebrać ok. 80 W/m² jawnych obciążeń chłodniczych.

Spośród lokalnych urządzeń chłodzących preferowane są belki aktywne ze względu na niską prędkość nawiewu (brak zakłóceń dla wentylacji technologicznej). Pewną wadą są jednak wyższe koszty inwestycyjne tego rozwiązania w stosunku do chłodzenia powietrznego. Systemy chłodzenia płaszczyznowego (w tym komponenty budowlane aktywowane termicznie) napotykają analogiczne uwarunkowania jak płaszczyzny grzewcze.

Funkcje pełnej klimatyzacji – osuszanie i nawilżanie – występują znacznie rzadziej, przede wszystkim ze względu na wysokie koszty eksploatacyjne (głównie w wyspecjalizowanych laboratoriach przemysłowych lub badawczych).

Bilanse projektowe

W przypadku niektórych substancji może zachodzić konieczność 100-krotnej i większej wymiany powietrza dla utrzymania dopuszczalnych stężeń [7]. Szczegółowa analiza jest jednak często niewykonalna ze względu na brak danych. W literaturze dyskutowane są i krytycznie oceniane metody wyznaczania strumienia powietrza w oparciu o krotności wymian, jednak projektanci często z nich korzystają.

Wytyczne [6] podają wartości 4–12 h–1, ale niekiedy też wymagają szczegółowych analiz. Z kolei poradnik [5] podaje krotności 6–12 h–1 dla laboratoriów w szkołach wyższych. Norma DIN 1946-7 [8] w sposób jednoznaczny określa jednostkowe strumienie powietrza. Według jej zapisów łączny strumień powietrza wywiewanego powinien wynosić nie mniej niż 25 m³/h w odniesieniu do 1 m² powierzchni użytkowej. W tym strumieniu mieszczą się wszystkie składowe wywiewu technologicznego i ogólnego.

Wytyczne [6] potwierdzają ideę odnoszenia wymaganych krotności wymian do strumienia wywiewu w laboratoriach, w których utrzymywane jest podciśnienie. Dodatkowo pozwala się na zmniejszenie kubatury obliczeniowej o objętość elementów wyposażenia. Norma DIN 1946-7 dopuszcza obniżenie strumienia powietrza w uzasadnionych przypadkach, jednak ze względu na zmienność sposobu użytkowania w laboratoriach badawczych obniżenia nie są zalecane, a ich zastosowanie powinno być uzasadnione.

Czerpnie i wyrzutnie należy lokalizować w taki sposób, by uzyskać spełnienie wymagań normy PN-EN 13779. Wywiew powinien być klasyfikowany jako minimum WYW3.

Strumień powietrza nawiewanego jest zwykle o 5–15% niższy od strumienia wywiewu (zapewnienie podciśnienia). Dokładna różnica strumieni może zostać ustalona podczas rozruchu i regulacji układu, przy spełnieniu wymaganej wartości podciśnienia. Różnica powinna być utrzymywana w sposób ciągły, niezależnie od stanów pracy wyciągów technologicznych. Możliwe jest bilansowanie strumieni w funkcji różnicy ciśnień w laboratorium i w instalacji odniesienia, wymaga to jednak zastosowania śluz. Różnica ciśnień nie powinna być wyższa od ok. 50 Pa ze względu na siłę otwierania drzwi.

Centralne układy wentylacyjne dają możliwość stosowania współczynników jednoczesności użytkowania poszczególnych pomieszczeń i urządzeń, co skutkuje oszczędnościami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Współczynniki jednoczesności dla central i wentylatorów odciągów można przyjmować w zakresie 0,5–1,0 (zależy to ściśle od przeznaczenia obiektu i powinno być wytyczną sformułowaną przez użytkowników lub inwestora).

Należy jednoznacznie rozróżniać współczynniki jednoczesności poszczególnych urządzeń: centrali obsługującej wiele pomieszczeń, wentylatora obsługującego kilka wyciągów w jednym pomieszczeniu. Systemy zdecentralizowane charakteryzuje elastyczność dzięki możliwości pracy z niższymi minimalnymi strumieniami i wyłączenia poszczególnych pomieszczeń, są one jednak droższe inwestycyjnie.

Na rys. 2 przedstawiono ideę bilansowania strumieni:

• W stanie 1 całkowity wywiew V_W,TOT stanowi sumę strumieni wywiewanych z szaf na odczynniki V_W,CAV, wywiewu z digestoriów V_W,DG pracujących przy zamkniętych oknach oraz wywiewu ogólnego V_W,OG. Strumień powietrza nawiewanego do pomieszczenia V_N,TOT jest niższy od V_W,TOT o wartość DV_W-N, dla utrzymania podciśnienia.
• W stanie 2 zostaje otwarte okno jednego z digestoriów, przez co wzrasta wartość V_W,DG, spada V_W,OG, a pozostałe strumienie pozostają bez zmian.
• W stanie 4 i 5 następuje zwiększenie strumienia V_W,DG ze względu na otwarcie okna kolejnego digestorium. W przedziale 4 spada strumień V_W,OG do minimum regulacyjnego regulatora VAV (V_VAV,MIN), co powoduje konieczność zwiększenia strumienia nawiewanego V_N,TOT w przedziale 5.
• Na skutek wzrostu obciążeń chłodniczych w stanie 7 zwiększony zostaje strumień nawiewu V_N,TOT do maksymalnej wartości projektowej i jednocześnie, żeby utrzymać wymagane podciśnienie, wzrasta V_W,OG.

Obliczenia obciążeń cieplnych i chłodniczych zasadniczo nie różnią się od typowych przypadków. Należy jednak pamiętać o zyskach ciepła pochodzących od wyposażenia technologicznego laboratorium, które mogą często przyjmować wysokie wartości.

Podsumowanie

Tematyka przedstawiona w artykule jest złożona i obejmuje wiele kwestii, które są często niemożliwe do jednoznacznego i kompletnego ustalenia na etapie projektowania. Wynika stąd potrzeba korzystania z uniwersalnych wytycznych, które nie zawsze odzwierciedlają rzeczywiste uwarunkowania.

W artykule zaprezentowano wybrane zasady, jakimi należy się kierować przy projektowaniu wentylacji laboratoriów. Opisane wytyczne zostały wdrożone przy realizacji Centrum Dydaktycznego Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej (CDWTCh) – fot. 1.

Jest to budynek pięciokondygnacyjny o powierzchni użytkowej 20  100 m², kubaturze wewnętrznej 70 200 m³, podzielony na dwa skrzydła powiązane łącznikiem. W obiekcie znajdują się 64 pomieszczenia laboratoriów o łącznej powierzchni 4100 m². Zainstalowano 98 digestoriów, 180 szaf wentylowanych, 23 okapy i 20 ssawek. W ramach zapewnienia jakości stosowanych rozwiązań w obiekcie przeprowadzono szereg badań, między innymi w oparciu o normy [3 i 4].

W celu osiągnięcia dobrego efektu w postaci funkcjonalnego, bezpiecznego i energooszczędnego laboratorium należy pamiętać o współpracy technologa, projektanta instalacji HVAC i architekta, żeby możliwie jak najlepiej dostosować budynek i jego instalacje do charakterystyki danego laboratorium.

W kolejnych artykułach przedstawione zostaną szczegółowe wymagania odnośnie do technicznego wyposażenia laboratoriów, systemy sterowania układami HVAC oraz pomiary i certyfikacja układów wentylacji laboratoriów chemicznych.

Literatura

1.  Laboratory airflow distribution, Task sheet 1C, RWDI Inc. & ECT University of Washington, 2009.
2. PN-EN 14175-5 Wyciągi laboratoryjne. Część 5: Zalecenia dla instalacji i konserwacji.
3. PN-EN 14175-4 Wyciągi laboratoryjne. Część 4: Metody badań na stanowisku pracy.
4. PN-EN 14175-6 Wyciągi laboratoryjne. Część 6: Wyciągi laboratoryjne o zmiennej objętości powietrza.
5. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji 08/09, Omni Scala, Wrocław 2008.
6. Laboratories for the 21st century: Best Practice Guide, U.S. Environmental Protection Agency & U.S. Department of Energy, 2008.
7. Ratcliff M.A., Smith T.C., Determination of laboratory airflow rates, Task sheet 1A, RWDI Inc. & ECT Inc. paper for the University of Washington, 2009.
8. DIN 1946-7 Raumlufttechnik – Teil 7: Raumlufttechnische Anlagen In Laboratorien.