ASHRAE 實驗室設計指南

第一章：基礎背景與設計流程

1 實驗室類型分類背景

實驗室可分為：生物實驗室、動物實驗室、生物安全防護實驗室、醫院臨床實驗室、化學合成實驗室、分析實驗室、放射化學實驗室、教學實驗室、物理實驗室、潔淨室、材料測試實驗室、奈米技術/電子/儀器實驗室等。每種類型都有獨特的 HVAC 需求。

2 業主專案需求 (OPR) 與設計基礎 (BOD) 設計流程

OPR 定義業主對專案的廣泛需求（如安全、舒適的工作環境），BOD 記錄技術假設、計算、規範審查、設備選擇和系統佈局假設。兩者必須在設計初期明確建立，並貫穿整個專案生命週期。

3 設計流程階段設計流程

包括：1) 設計前階段（建立基準模型、參數分析、腦力激盪、經濟性模擬）；2) 設計階段（初步建築圖、HVAC 和照明系統設計、最終圖說規範）；3) 建造/使用階段（重新模擬、設備調試、操作人員培訓）。

4 風險評估規劃

風險評估應在設計早期進行，評估化學品使用、生物危害等級、操作程序、人員暴露風險等，以確定適當的防護等級、通風要求和控制策略。

5 環境要求規劃

包括溫度、濕度、壓力關係、換氣次數、室內空氣品質等。不同類型的實驗室和實驗對環境條件有不同要求，必須在規劃階段明確定義。

第二章：排氣罩系統

6 化學排氣罩類型排氣罩

包括：標準排氣罩、輔助空氣排氣罩、無管道排氣罩、低流量排氣罩、蒸餾排氣罩、地板式排氣罩、頂篷式排氣罩、點排氣、通風櫃等。選擇需考慮應用、化學品類型、操作程序等因素。

7 定風量 vs 變風量排氣罩排氣罩

定風量排氣罩初始成本較低、維護簡單，但能耗高。變風量 (VAV) 排氣罩可根據拉門位置調整風量，節能效果顯著，但需要更複雜的控制系統和定期維護。選擇需考慮使用頻率、能源成本、維護能力。

8 排氣罩面風速要求排氣罩

傳統面風速為 100 fpm (0.51 m/s)，但 ANSI/AIHA/ASSE Z9.5 認可在某些情況下可低至 60 fpm (0.30 m/s)。低風速排氣罩可顯著降低能耗，但需通過性能測試驗證其有效性。

9 ASHRAE Standard 110 測試排氣罩

包括三項測試：1) 流場可視化；2) 面風速測量；3) 示蹤氣體洩漏測試。測試條件分為「製造時」、「安裝時」和「使用時」三種。測試標準定義方法，但不定義合格標準，需由使用者、化學衛生官和工程師共同確定。

10 生物安全櫃 (BSC) 排氣罩

BSC 用於控制有毒顆粒和傳染性生物氣溶膠的釋放，分為 Class I、II、III 三類。Class II 又分為 A1、A2、B1、B2 型。BSC 需通過 NSF/ANSI 49 認證，安裝後需進行現場認證，並每年定期測試。

11 排氣罩連續監控排氣罩

所有用於保護人員的排氣罩都應安裝連續監控設備，監測流量、面風速或壓力等參數。監控器應具備視覺和聽覺警報功能，當操作不理想時提醒使用者。

12 VAV 排氣罩最小風量排氣罩

最小風量應基於排氣罩內部體積和內部換氣次數，範圍通常為 150-375 ACH。需考慮：製程和材料、爆炸下限 (LEL)、排氣罩防護和稀釋、腐蝕風險、測量和控制能力、對管道輸送和煙囪排放速度的影響。

第三章：主要空氣系統

13 100% 外氣系統空氣系統

實驗室通常需要 100% 外氣系統，不進行空氣再循環，以確保污染物不會在建築物內累積。這導致高能耗，因此需要採用能源回收、VAV 控制等節能策略。

14 區域空氣分佈空氣系統

包括頂部送風、側送風、地板送風等方式。送風位置和方式影響室內氣流模式、污染物稀釋效果和舒適度。需避免送風干擾排氣罩的防護性能。

15 區域加熱空氣系統

可採用再熱盤管、輻射板、獨立加熱系統等方式。再熱盤管最常見，但需注意能源效率。輻射板可提供舒適的加熱，但初始成本較高。

16 排氣系統設計空氣系統

可採用專用排氣系統或集合排氣系統。專用系統每台排氣罩有獨立風機，集合系統多台排氣罩共用風機。選擇需考慮化學品相容性、成本、維護、控制複雜度。

17 送風系統空氣系統

包括中央系統、單元系統、輔助空氣系統等。中央系統適合大型設施，單元系統適合小型或獨立區域。輔助空氣系統可減少補風處理負荷，但設計和操作複雜。

18 過濾等級選擇空氣系統

一般化學和物理實驗室使用 MERV 11-13；生物和生物醫學實驗室使用 MERV 13-15；需要高潔淨度的空間（如潔淨室、特定病原體無菌動物研究）需使用 HEPA 過濾器。過濾等級需平衡保護需求和運營成本。

19 加熱和冷卻盤管設計空氣系統

需考慮：設計條件（最低溫度防凍、峰值除濕負荷）、盤管清潔（建議分成多段，中間留檢修空間）、盤管面風速（不超過 500 fpm，高冷凝時不超過 400 fpm）、加濕器位置和空間要求。

20 風機陣列 (Fan Array) 空氣系統

使用多個直接驅動的風機並聯，每個風機配備 VFD，可提供冗餘、部分負載效率高、維護方便。特別適合需要高壓頭（如 HEPA 過濾）或冗餘要求的應用。

21 風管構造要求空氣系統

需確保：尺寸穩定性、氣密性（減少洩漏）、適當的風管材料選擇（考慮化學相容性、腐蝕性）、測試驗證（洩漏測試、壓力測試）。排氣風管需特別注意，避免正壓段洩漏污染建築物。

第四章：製程冷卻與空氣處理

22 製程冷卻系統製程冷卻

用於冷卻實驗設備（如質譜儀、核磁共振儀、雷射器等）。系統類型包括：一次迴路/二次迴路系統、直接冷卻系統、閉式迴路系統等。需考慮水質要求、溫度和壓力要求、泵送配置。

23 水處理和水質要求製程冷卻

不同設備對水質有不同要求，可能包括：去離子水、反滲透水、超純水等。需考慮：導電率、總有機碳 (TOC)、細菌計數、顆粒物等參數。水處理系統需定期維護和監控。

24 空氣處理技術空氣處理

包括：顆粒過濾（機械過濾、HEPA/ULPA）、氣相過濾（活性碳、高錳酸鉀）、紫外線殺菌 (UVGI)、靜電除塵等。選擇需基於污染物類型、濃度、法規要求、成本效益分析。

25 可接受污染物水平空氣處理

需參考 OSHA、ACGIH、EPA 等機構的標準和指南，確定可接受的污染物濃度限值。包括：TLV（閾限值）、PEL（允許暴露限值）、IDLH（立即危害生命或健康濃度）等。

第五章：排氣煙囪設計

26 煙囪高度計算煙囪設計

煙囪高度需考慮：建築物高度、周圍建築物影響、風速和風向、煙羽上升高度、下洗效應、再夾帶風險。需使用擴散模型進行分析，確保污染物不會再進入建築物或影響周圍環境。

27 煙羽上升高度煙囪設計

煙羽上升高度取決於：排氣速度、排氣溫度、排氣體積流量、風速、大氣穩定性。較高的煙羽上升高度有助於污染物擴散和稀釋，減少地面濃度。

28 煙囪頂部下洗煙囪設計

當排氣速度低於風速時，排氣可能被捲入煙囪背風側的尾流中，導致下洗。ASHRAE 建議排氣速度至少為設計風速的 1.5 倍，以最小化下洗效應。對於大直徑煙囪，此要求可能過於保守。

29 建築物周圍氣流煙囪設計

需了解建築物周圍的氣流模式、相對靜壓分佈、相鄰建築物影響。迎風面產生正壓，背風面產生負壓，屋頂通常為負壓。需避免在再循環區域設置外氣進氣口。

30 擴散模型煙囪設計

可使用 EPA 的 AERMOD、CALPUFF 等模型進行擴散分析。模型需考慮：氣象數據、地形、建築物影響、排放特性等。對於 VAV 系統，需分析所有風量條件下的擴散情況。

第六章：能源回收與控制系統

31 空氣對空氣能源回收能源回收

包括：轉輪式、板式、熱管式、繞管式等。可回收顯熱和潛熱（全熱回收）或僅顯熱。選擇需考慮：效率、交叉污染風險、維護要求、成本、適用性（溫度、濕度範圍）。

32 水對空氣能源回收能源回收

包括：熱虹吸系統、逆向流板式換熱器、製冷機能源回收等。適合排氣和送風距離較遠的情況，或需要間接熱交換以避免交叉污染的應用。

33 房間壓力控制控制系統

實驗室通常需維持負壓，防止污染物外洩。控制方法包括：送排風差量控制、直接壓力差測量、流量追蹤等。需考慮：控制精度、響應時間、穩定性、冗餘要求。

34 稀釋通風和最小換氣量控制系統

傳統實驗室使用 6-12 ACH 的固定換氣量。需求導向控制 (Demand-Based Control) 可根據實際污染物濃度動態調整換氣量，節能效果顯著，但需可靠的感測器和控制邏輯。

35 房間溫度控制控制系統

通常採用送風溫度 55°F (12.8°C) 的定風溫系統，配合區域再熱。也可採用送風溫度重置策略，根據負荷調整送風溫度以提高效率。感測器位置需避免受局部熱源影響。

36 緊急運行模式控制系統

需處理：化學品洩漏（緊急按鈕增加通風至最大）、風機故障（啟動備用風機、隔離故障風機）、電源故障（緊急電源啟動、按順序重啟系統）。BSL-3/4 實驗室需特別注意緊急模式設計。

37 排氣風機控制控制系統

通常控制排氣集管負壓維持定值，通過 VFD 調節風機轉速或旁通風門調節。VAV 系統需考慮最小排氣速度要求。多風機系統需協調啟動順序和負荷分配。

第七章：測試、調試與運維

38 氣流模式和方向測試

需驗證：房間壓力關係、氣流方向（從清潔區流向污染區）、送排風平衡、排氣罩防護性能。可使用煙霧測試、示蹤氣體測試、壓力差測量等方法。

39 測試、調整和平衡 (TAB) 測試

TAB 工作包括：風量測量和調整、壓力測量、溫度濕度驗證、控制系統驗證、性能測試等。需由認證的 TAB 承包商執行，並提供詳細報告。

40 實驗室調試流程調試

包括：設計前階段（建立 OPR、BOD）、設計階段（設計審查、規範審查）、建造階段（施工檢查、設備驗收）、驗收階段（功能測試、性能驗證）、使用階段（持續監控、再調試）。

41 運維要求運維

包括：定期維護（過濾器更換、盤管清潔、風機檢查）、性能測試（排氣罩年度測試、BSC 認證）、去污程序（實驗室改造前的去污）、人員培訓（操作人員、維護人員、使用者）。

第八章：特殊實驗室與先進技術

42 生物安全等級 (BSL) 生物安全

BSL-1：低風險，無特殊防護要求；BSL-2：中等風險，需 BSC 和負壓；BSL-3：高風險，需單向氣流、HEPA 過濾、嚴格密封；BSL-4：極高風險，需最高級防護。每級都有特定的 HVAC 要求。

43 BSL-3 實驗室要求生物安全

需：單向氣流（100% 外氣，無再循環）、負壓監控、HEPA 過濾排氣、氣密密封、前室和互鎖門、視覺和聽覺警報、故障時防止氣流逆轉、通常需要備用電源。

44 HEPA 過濾器生物安全

HEPA 過濾器對 0.3 μm 顆粒的效率為 99.97%（最易穿透粒徑）。需包括：預過濾段、進出口、氣密隔離風門、去污端口、掃描段或洩漏測試裝置。需每年測試和驗證。

45 動物實驗室通風生物安全

傳統使用 10-15 ACH 固定換氣量。ILAR 第八版指南建議使用 VAV 系統，根據熱負荷、動物種類和數量、墊料類型等動態調整。可採用通風籠架增強初級圍護結構的通風。

46 CFD 建模應用先進技術

CFD 可用於：評估氣流模式、預測污染物濃度、優化送排風位置、驗證設計、故障分析等。CFD 建模需：適當的網格、邊界條件、湍流模型、驗證和確認。結果需謹慎解讀。

47 永續設計策略永續設計

包括：能源回收、VAV 系統、低流量排氣罩、需求導向通風、高效設備、可再生能源、水資源管理、材料選擇等。需平衡節能目標與安全、舒適、實驗完整性要求。

48 高性能建築設計流程永續設計

採用整合設計方法，建築、結構、機械、電氣等專業從設計初期協同工作。使用電腦建模進行能源分析、CFD 分析、生命週期成本分析等，優化設計決策。

49 持續調試永續設計

持續監控系統性能，定期進行功能測試，識別和修正性能偏差，優化運營策略。可採用自動化監控系統、定期審查、性能基準比較等方法。有助於維持設計性能並持續改進。

50 生命週期成本分析經濟性

需考慮：初始成本（設備、安裝、調試）、運營成本（能源、維護、人員）、更換成本、處置成本等。節能措施可能增加初始投資，但可顯著降低運營成本，需進行全生命週期經濟分析以做出最佳決策。

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