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通风柜发展史 林和虎
传统通风柜发展已经进入了成熟期。几十年来，通风柜理论和设计理念并未有太大的变化。本文将通过整理通风柜和实验室通风安全的发展历史，来畅想通风柜未来的发展方向。 本文撰写过程中，得到行业内人多人的帮助，其中包括Erlab提供企业发展历史，Chip Albright关于通风柜的未来的一些讨论等，在此一并感谢。“通风柜的未来”这个章节，浓缩了很多新颖的观点，篇幅小，但值得细细思索。 通风柜是几乎所有实验室中必不可少的设备，从教学实验室到研究实验室再到工业实验室。通风柜通过安全地从紧邻的工作环境中清除这些物质，避免人员接触有害或有毒烟雾，蒸气或灰尘的可能性。通风柜还用于保护样品免受外部环境的影响。 通风柜可以是有管道的，也可以是再循环的。两种类型的工作方式都是允许从通风柜的正面（开放）侧吸入空气，然后将其排出建筑物外或通过过滤使其安全并再循环回房间。 自化学研究初期以来，实验室中就需要通风。使用局部烟囱排出有害气体是解决此问题的明显方法。通风柜已经在实验室中使用了几代。实际上，一些历史学家将第一个通风柜归功于托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）或后来的托马斯·爱迪生（Thomas Edison），据说这两个人都使用了壁炉的自然通风和烟道来排出实验中不需要的蒸气【1】。但是，约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestly）于1790年创建了第一个实验室化学排气罩。随着电力和电气工程的引入，第一台鼓风机电动机的发明为今天的通风柜铺平了道路。1923年，英国利兹大学安装了第一台管道通风柜。
▲托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）
▲托马斯·爱迪生（Thomas Edison） 托马斯·爱迪生（Thomas Edison）大约在1900年工作，是最早关注实验室通风的科学家之一。爱迪生在他的实验室中使用壁炉烟囱将实验中产生的有毒烟雾和气味排放到加热的橡胶混合物中，利用烟囱的自然气流排出气体【2】。
▲托马斯·爱迪生（Thomas Edison）实验室通风柜 1904年Newbuilt 化工学院在格但斯克工业大学配备在观众席由木头和玻璃的通风柜，几个教室，学生实验室和房间的科学家。上下玻璃面板可滑动，可防止烟雾和爆炸。每个通风柜都被照亮，并配有用于加热的燃气装置和带排水口的自来水。反应的有害和腐蚀性气态副产物可通过壁炉烟囱的自然通风主动除去。超过110年的时间，这个早期的设计仍然可以使用【3】。 1923年，利兹大学使用了最早的现代意义上的通风柜之一。这个装置由一个站立在工作高度的大橱柜组成，并装有垂直的拉门，类似于平行的窗户【4】。 1936年，Labconco作为通风柜的先驱制造商之一，开发出了第一款用于商业销售的通风柜。该装置采用了现在熟悉的拉门式设计，允许单个操作员将手放在“柜子”中安全地工作。 由于担心暴露于剧毒化学物质和放射性物质，因此在第二次世界大战期间，通风柜技术取得了相当大的进步。 在这种灾难性的背景下，安全，通风和通风柜的设计取得了重大进展。 同样在战争年代，该机构开发了高效微粒空气（HEPA）过滤器，后来该机构成为了原子能委员会。HEPA过滤器的开发对通风柜和生物安全柜的有效性产生了巨大影响，大大提高了对用户的保护。 1943年，小约翰·韦伯（John Weber，Jr.）在爱荷华州艾姆斯的艾姆斯实验室工作，提出了恒定面速，可变排气流量通风柜控制的概念。此设计应用于由专用通风柜排气扇提供服务的垂直上升式拉门通风柜。该概念最终成为当时原子实验室中许多通风柜所采用的标准功能，尤其是在通风柜内的通风控制上起到至关重要的作用。 大约在同一时间，韦伯还认识到，当开发出作为其系统一部分的紧急快速关闭功能时，通风柜中的最佳密闭性是通过最小的拉门开启来实现的。 用作Weber系统一部分的排气扇保持开启。 1951年，H.W．Johnson Service Co.（现为Johnson Controls，Inc.）首席现场工程师Alyea意识到，尽可能保持通风柜的门关闭，并且在不使用通风柜的情况下，可以节省大量的空气。供应按比例减少了冷却需求，提高了过滤器寿命，并节省了大量能源。 1961年，Labconco推出了首个一体成型的玻璃纤维通风柜，即Fiberglass47。由于其耐用性，清洁性，高光反射率，耐火性和耐化学性，因此被选择用作通风柜的内衬。从那时起，一体式玻璃纤维内衬就成为Labcono通用化学通风柜的标志性特征。
▲Labconco的Fiberglass 28通风柜于1965年推出 1968年，弗朗索瓦·皮埃尔·豪维尔（Francois-Pierre Hauville）创立了Erlab公司，并于同年开始销售第一台Captair无管通风柜。如今，Erlab继续开发和销售Captair系列通风柜。
▲Erlab Captair 系列通风柜 1970年代开始尝试开发了补风型的通风柜，该补风型通风柜通过将外部空气引入通风柜开口前来节省能源，从而减少了实验室处理空气的排出。这种类型的通风柜需要使用两个风道和风机系统。但因为补入的空气对通风柜的正常运行产生了干扰，带来了安全隐患，这种类型的通风柜逐渐被淘汰。 一个有名的项目是1995年，劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence-Berkeley National Laboratory）申请并进行的，称为伯克利通风柜（The Berkeley Hood）。它将流体力学和空气动力学（push-pull）创新性地应用于通风柜的开发，跟传统型排风柜对比，将排风量降低约70%，依然保持着稳健的污染物控制性能。这个项目改变了以往只靠补风或VAV变风量系统来节约能耗的方式，提出了新的通风柜开发思路【5】。新加坡的ESCO独家购买了此项目的专利，并开发了高效性的通风柜。【6】 1970年代，Labconco开发了玻璃纤维步入式通风柜，为研究人员提供了更大的操作空间，并允许在安全的环境中使用更大的设备进行工作。步入式通风柜是当今许多实验室的常见形式。 1985年，美国ASHRAE推出世界第一个通风柜性能测试标准ASHRAE 110-1985。通风柜发展逐渐进入规范化的发展时期。 1990年，英国发布了通风柜英国标准BS 7258。它逐步演变为EN 14175，并被大部分欧洲和世界其他地区接受。 1990年代期间取得的一个重要里程碑是拉门限制装置的开发，该装置旨在限制拉门可以打开的尺寸而不会妨碍进出，并减少通风柜的能耗。 1991年，OSHA（职业安全与健康管理局）对实验室具有管辖权。 1992年，美国引入了ANSI / AIHA Z9.5作为实验室通风的国家标准。
▲ANSI / AIHA Z9.5 最新版本为2012版 1995年推出了大大改进的ASHRAE 110-1995。 以1995年为分界线，美国完成了现代工业通风（包括实验室通风）安全管理体系的建立。
▲ASHRAE 110-1995 1996年，引入了AFNOR AF X 15 211：1995标准，从而可以根据严格的标准评估无管通风柜的性能。该标准今天用作所有通风柜的参考标准。 1997年，Lab Crafters推出了其专利的高性能Air Sentry通风柜，这是第一款投放市场的高性能通风柜。例如，该通风柜提供了一种高效且安静的操作，旨在 “现实世界”条件下进行交叉通风以及温度和压力波动的情况下运行。目前，全国各地安装了1200多个Air Sentry通风柜。 1998年，Erlab扩展了Captair产品范围，以满足现代实验室的需求。新的仪器包括CaptairStore（一个通风的过滤储物柜），CaptairBio（一个PCR工作站）和CaptairFlow（包含HEPA过滤的机柜）。 1999年美国推出UL 1805通风柜标准，它除了通风柜流体性能外，还涉及到实验室通风柜火灾，电气等其他危险。要在美国销售通风柜，通风柜必须经过UL1805认证。
▲UL 1805 2000年，SEFA彻底改写并扩大了SEFA 1-化学通风柜。
▲SEFA 1-2010 通风柜 在2000年代发生的一个重要里程碑是开发了以50-60 fpm运行的低流量通风柜。这些仪器可节省大量成本和能源，同时仍可提供早期型号的性能。典型的代表是Labconco 的X-Stream系列产品。 2006年，台湾科技大学申请了气帘式排气柜专利，一款完全不同于传统型的化学通风柜。2012年，又申请了斜气帘式通风柜。 2008年，Erlab在Pittcon首次展示了他们的耐多碳技术绿飞蝶通风柜技术。耐多碳技术绿飞蝶通风柜技术标志着新一代通风柜的设计，其主要目的是安全，节能，经济高效且环保。 同样在2009年，AirClean Systems开始销售独立式无管通风柜。该设备集成了Silconazne过滤系统，该系统在气相过滤，过滤监测，气流控制和监测以及用户友好的操作员交互方面提供了先进的技术。
▲Air Clean Systems独立式无管通风橱 2010年，Air Science公司推出了一系列新的增强型过滤技术（EFT）碳过滤器，用于该公司的无管通风橱系列。增强过滤技术是一种通用过滤系统，开发用于多种核心化学品，包括有机酸，醇，脂族烃，芳族烃，酯，醛，酮，醚，卤素和无机酸。 同年，Air Science还推出了Purair ECO节能型无管通风柜系列，其设计基于EFT过滤器，可在广泛的实验室和工业应用中进行化学和颗粒保护，旨在保护化学和颗粒。Purair ECO的开发是为了响应全球对安全，具有成本效益和高能效的无管式通风柜不断增长的需求，该安全柜可最大程度地降低设施HVAC系统的压力，同时又不损害对人员和环境的保护。
▲Purair ECO节能无管通风橱 ASHRAE 110更新到2016版，在数据收集和测试流程上做了更新。此版本最大的更新是减少了SF6的使用总量。 2016年，倚世科技（E3）在中国推出了补风型通风柜和妙流变风量阀门【7】，在节能背景下，再次引起关于补风型通风柜是否合理的讨论。 2019年，EN 14175-3推出了2019版。在数据收集和计算方式上做了修改，评价标准更科学合理。
▲EN 14175-3:2019版 实验室通风柜和实验室通风技术的未来将朝许多方向发展。未来发展的重点将放在解决传统通风柜和VAV系统目前存在的许多问题上。一个至关重要的点是，在提高安全性的同时，通过更具可持续性的概念来寻求更绿色节能的解决方案。 重点将从通风柜转向污染物控制设备（Exposure Control Devices）。根据不同风险等级的不同要求，实验室通风将变得更加危险。实验室空气稀释概念将再次成为焦点，同步供应（synchronized supply）等系统将变得更加普遍。更好的通风柜设计将有助于减少污染物溢出，从而减少（每小时换气次数）ACH。下一代智能通风柜可能被统称为化学污染物控制设备（Chemical Containment Device）。 物联网，智能化更加成熟，加上更加创新的污染物控制技术，这些设备将变得更加智能，不再受到房间通风系统的影响，作为实验室通风系统的奴隶。实验室将变得更加智能，通风柜将与实验室中的所有通风设备进行通讯。通过减少实验室空气中的化学污染物数量，可以减少换气次数，从而节省能源。节能不在于通风柜使用多少空气，而是实验室要保持可接受的空气质量需要多少ACH。为了提高安全性和减少能耗，将对实验室通风进行更全面的了解。 【1】'fume hood' https://en.wikipedia.org/wiki/Fume_hood) 【2】 Gillian Mohney (2015-10-18). 'Thomas Jefferson's Hidden Chemistry Lab Discovered' http://abcnews.go.com/Health/thomas-jeffersons-hidden-chemistry-lab-found-univ-virginia/story?id=34521301 【3】 Marzena Klimowicz-Sikorska (2010-09-30). 'Wehikuł czasu na Politechnice Gdańskiej / Time machine at the Gdańsk University of Technology' (in Polish). Trojmiasto.pl. https://www.trojmiasto.pl/wiadomosci/Wehikul-czasu-na-Politechnice-Gdanskiej-n42148.html 【4】John Buie (2011-12-09). 'Evolution of fume hoods'. Lab Manager. https://ateam.lbl.gov/hightech/fumehood/About.html 【5】Applicatons Team Berkeley Hood Project https://buildings./publications/berkeley-hood-development-and 【6】Esco Announces Complete NEW Range of Energy Efficient Laboratory Fume Hoods https:///news/323/ 【7】倚世科技伯努利排风柜引领“极致安全+极致节能”技术路线 （https://www.prnasia.com/story/206455-1.shtml） |
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