1研究概况实验过程产生的难闻、有毒有害或有腐蚀性的气体如果不能及时有效被排除，将对仪器设备造成损坏，对实验室环境造成不同程度的污染，直接影响实验工作人员的身心健康。为了避免实验室人员吸入蒸汽、气体和微粒等有毒有害物质，产生污染物质的实验必须使用排风柜、通风罩或其他局部通风设备[1]。排风柜是实验室重要的局部排风设备，将实验过程中产生的有毒有害物质及时排除，减少实验室工作人员的化学暴露风险，保护实验室工作人员的安全。但实验室排风柜的能量消耗较大，1台1 828.8 mm宽排风柜的能耗相当于3个美国普通家庭的能耗量[2]。因此，做好排风柜的能耗管理和节能措施是实验室节能减排的关键。2实验室排风柜的重要性目前，实验室排风柜应用最为广泛的节能技术是变风量控制方式。排风柜变风量控制通过位移或面风速传感器对排风的实时排风量或面风速进行精确控制，实现并保持排风柜开口处面风速始终保持为0.40~0.50 m/s[3]，以实现排风柜对其柜内实验过程中产生的有毒、有害物质的高效抑制力。排风柜调节门开度调低时，由于面风速恒定，开口面积减小，排风柜的排风量减小，与排风联动控制的实验室送风系统的送风量随之减小，实现送、排风系统的节能减排。但在部分实验室中，由于工作人员不良操作使用习惯，普遍存在排风柜的柜前无人操作时调节门依然敞开的现象，对排风柜安全性产生潜在不利影响，造成不必要的能源浪费。Hitchings[4]等通过对3家实验设施的使用情况进行数据统计，3家实验设施使用率统计数据如表1所示。针对人均排风柜占有量大于1的实验室，排风柜最小观测使用率在30%左右，如果排风柜的柜前无人操作时系统能够自动关闭排风柜调节门，则其节能收益可观。排风柜自动门管理系统为解决排风柜的柜前无人操作时调节门敞开的情况而设计和研发，具有较高的工程应用价值和意义。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.024.T001表13家实验设施使用率统计数据实验实施实验设施1实验设施2实验设施3工作人员数量/人1310225排风柜数量/台1621110人均排风柜占有量/(台/人)1.232.100.49实验室净面积/m²5952793 716最大观测使用率/%575370最小观测使用率/%3126473实验室排风柜工作原理及应用分析排风柜自动门管理系统与排风柜变风量控制系统协同工作如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.024.F001图1自动门管理系统与变风量控制系统协同工作区域传感器通过模式识别侦测到排风柜的柜前无人操作时，控制器按照预设的延时时间驱动步进电机或直流电机自动关闭排风柜调节门，提升排风柜的安全性，减少排风柜的能耗。调节门关闭过程中如遇异物阻挡，系统将停止关闭调节门直至异物被移除，系统恢复正常工作。排风柜排风量Q为：Q=3 600(wh+F)×v (1)式中：Q——排风柜排风量，m3/h；w——排风柜调节门宽度，m；h——排风柜调节门开度，m；F——排风柜补风翼下固定面积，m2；v——排风柜面风速，取0.5 m/s。台式变风量排风柜规格为1 200 mm（宽）×820 mm（深）×2 250 mm（高），面风速为0.50 m/s，调节门开度为590 mm，调节门宽度为1 000 mm，排风量为220~1 100 m3/h，1 100 m3/h为考虑一定安全系数后排风量值，220 m3/h为变风量排风柜最小排风量，为排风量的20%。阙炎振[5]等对某有机化学研究所11间实验室的61台1 200 mm宽排风柜进行为期4 d的调查，数据采集分析结果表明，白天工况下4 d内所有实验室排风柜的平均差异性系数均值约73%。即实验室工作人员进行实验时，平均拉门高度约为73%。工作日8：00~17：00全部排风柜的平均使用系数为12.4%。其中，差异性系数是实际排风量与最大可实现排风量的比值。排风柜使用系数是实验室工作人员在排风柜的柜前进行实验操作时间占其总工作时间的比值[6]。以某有机化学研究所为研究对象，对实验室61台1 200 mm宽台式排风柜进行研究。若61台排风柜均采用变风量控制系统进行风量控制，实验室压力采用余风量控制方式，保持实验室总排风量与总送风量的差值L余风量恒定，以此实现实验室定向气流控制的目标，确保气流由低风险区域流向较高风险区域，实验室送风量按照排风量90%设计。L余风量=∑L排风量-∑L送风量 (2)工作日8：00~17：00实验室送、排风量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.024.T002表2工作日8：00~17：00实验室送、排风量实验室房间号排风柜数量/台排风量/(m³/h)白天工作时长/h平均差异性系数/%总排风量/m³总新风量/m³总渗透风量/m³30461 100973.0043 36239 025.84 336.230561 100973.0043 36239 025.84 336.230681 100973.0057 81652 034.45 781.630751 100973.0036 13532 521.53 613.530941 100973.0028 90826 017.22 890.831061 100973.0043 36239 025.84 336.231141 100973.0028 90826 017.22 890.831261 100973.0043 36239 025.84 336.231541 100973.0028 90826 017.22 890.831741 100973.0028 90826 017.22 890.832181 100973.0057 81652 034.45 781.6小计61———440 847396 762.344 084.7若61台排风柜均安装自动门管理系统，当排风柜的柜前无人操作时排风柜调节门将自动关闭。安装自动门管理系统工作日8：00～17：00实验室送、排风风量如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.024.T003表3安装自动门管理系统工作日8：00～17：00实验室送、排风风量实验室房间号总排风量/m³排风柜平均使用系数/%安装自动门管理系统后排风量/m³安装自动门管理系统后新风量/m³30443 36212.415 783.811 447.630543 36212.415 783.811 447.630657 81612.421 045.015 263.430736 13512.413 153.19 539.630928 90812.410 522.57 631.731043 36212.415 783.811 447.631128 90812.410 522.57 631.731243 36212.415 783.811 447.631528 90812.410 522.57 631.731728 90812.410 522.57 631.732157 81612.421 045.015 263.4小计440 847—160 468.3116 383.6安装自动门管理系统前后工作日8：00~17：00实验室送、排风量对比如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.024.F002图2安装自动门管理系统前后工作日8：00~17：00实验室送、排风量对比安装自动门管理系统前后，工作日8：00~17：00共计9 h内，实验室节约总送、排风风量均为280 378.7 m³，排风系统风量节约率达到63.6%，新风系统风量节约率达到70.7%。在排风柜平均差异性系数高但排风柜平均使用系数低的实验室安装自动门管理系统的节能效果显著。4结语排风柜自动门管理系统在实验室节能减排中的效果显著，尤其适用于排风柜平均差异性系数高但排风柜平均使用系数低的实验室，在工程中具有较高的应用和推广价值。对于未安装自动门管理系统的实验室，针对排风柜使用应制定标准化操作流程(SOP)，用于对排风柜使用习惯进行规范化管理，避免排风柜的柜前无人操作时排风柜调节门依然敞开的情况发生，提升实验室的安全性，实现双碳背景下的节能减排目标。