طراحی تهویه مطبوع آزمایشگاه

طراحی تهویه مطبوع آزمایشگاه طبق استاندارد اشری یک مرجع فنی جامع و حیاتی است که به چالش‌های منحصربه‌فرد طراحی، ساخت و بهره‌برداری از تأسیسات آزمایشگاهی می‌پردازد. این کتاب که برای مهندسان، معماران، مالکان و مدیران تأسیسات نوشته شده است، اذعان می‌کند که طراحی آزمایشگاه یک موازنه پیچیده بین چهار هدف اصلی است:

1. ایمنی کاربران (به‌عنوان بالاترین اولویت)
2. یکپارچگی و حفاظت از فرآیندهای آزمایشی
3. آسایش کارکنان و
4. بهره‌وری انرژی

آزمایشگاه‌ها به دلیل نیاز به استفاده ۱۰۰ درصدی از هوای تازه و تخلیه حجم بالای هوای آلوده، از پرمصرف‌ترین ساختمان‌ها از نظر انرژی هستند. این راهنما با ارائه یک رویکرد ساختاریافته، از مفاهیم عمومی در فصول اولیه (مانند برنامه‌ریزی و ارزیابی ریسک) به سمت جزئیات فنی پیچیده در فصول بعدی (مانند طراحی سیستم‌های هوا، هودها، کنترل‌ها و بازیابی انرژی) حرکت می‌کند. این کتاب تأکید می‌کند که ایمنی در آزمایشگاه یک محصول واحد نیست، بلکه نتیجه یک سیستم یکپارچه است که در آن ارزیابی خطر، طراحی معماری، مهندسی مکانیک و فرآیندهای راه‌اندازی و نگهداری، همگی در راستای یک هدف واحد، یعنی «مهار آلاینده‌ها»، عمل می‌کنند.

بخش ۱: فلسفه برنامه‌ریزی و ارزیابی ریسک

هسته اصلی طراحی موفق آزمایشگاه، فراتر از تجهیزات، در «برنامه‌ریزی» (فصل ۳) نهفته است. این راهنما تأکید می‌کند که اولین قدم در هر پروژه، «ارزیابی ریسک» جامع است. در این مرحله باید تفاوت بین «خطر» (یک ویژگی ذاتی ماده، مانند سمی بودن) و «ریسک» (احتمال وقوع آسیب ناشی از آن خطر) درک شود. این ارزیابی، که خطرات شیمیایی، بیولوژیکی، رادیواکتیو و فیزیکی را شناسایی می‌کند، مستقیماً بر الزامات طراحی سیستم تهویه مطبوع تأثیر می‌گذارد.

مهم‌ترین خروجی این مرحله، تدوین «سند نیت طراحی مالک» (Owner’s Design Intent) است که به سنگ محک سنجش موفقیت پروژه تبدیل می‌شود. در کنار آن، «برنامه بهداشت شیمیایی» (CHP) یک الزام قانونی است که رویه‌های ایمنی را مشخص می‌کند.

مفهوم بنیادین ایمنی در آزمایشگاه، «روابط فشاری» است. اصل اساسی این است که جریان هوا همیشه باید از فضاهای «تمیز» (مانند راهروها و دفاتر) به سمت فضاهای «آلوده» (آزمایشگاه‌ها) هدایت شود. این امر از طریق ایجاد فشار منفی در آزمایشگاه (تخلیه هوای بیشتر از هوای تأمینی) به دست می‌آید. این اصل تضمین می‌کند که بخارات و آئروسل‌های خطرناک، به جای نشت به خارج، در داخل آزمایشگاه محبوس و سپس تخلیه می‌شوند. در مقابل، فضاهایی مانند «اتاق‌های تمیز» (Cleanrooms) برای محافظت از محصول، تحت فشار مثبت کار می‌کنند تا از ورود آلودگی جلوگیری شود.

برای دستیابی به این هدف، استفاده از هوای برگشتی یا سیرکوله در فضاهای کاری آزمایشگاهی مطلقاً ممنوع است و تمام سیستم‌ها باید بر پایه ۱۰۰ درصد هوای تازه طراحی شوند. این الزام، دلیل اصلی مصرف بالای انرژی در آزمایشگاه‌ها است.

بخش ۲: فرآیند طراحی و انواع آزمایشگاه‌ها

این راهنما یک فرآیند طراحی ۱۴ مرحله‌ای (فصل ۴) را تشریح می‌کند که از محاسبه بارهای حرارتی و برودتی آغاز می‌شود. برخلاف ساختمان‌های اداری، در آزمایشگاه‌ها دو نوع بار مجزا وجود دارد: بار آسایش (برای افراد) و بار ایمنی (ناشی از نرخ تعویض هوای الزامی برای رقیق‌سازی آلاینده‌ها). اغلب، بار ایمنی بسیار بزرگتر از بار آسایش است.

پس از محاسبه بار، طراح باید یک «نقشه فشار» (Pressure Map) دقیق ایجاد کند که جریان هوای مورد نیاز بین هر اتاق مجاور را برای حفظ سلسله مراتب «تمیز به آلوده» نشان می‌دهد.

طراحی به‌شدت به نوع آزمایشگاه (فصل ۲) بستگی دارد:

• آزمایشگاه شیمی عمومی و آموزشی: نیازهای پایه تهویه و هود دارند.
• آزمایشگاه تحقیقاتی: نیازمند کنترل‌های دقیق‌تر دما، رطوبت و ارتعاش برای حفظ یکپارچگی آزمایش.
• آزمایشگاه حیوانی: چالش‌های بزرگی در کنترل بو، آلرژن‌ها (مانند شوره حیوانات) و حفظ محیط زیست دقیق برای گونه‌های مختلف دارد.
• آزمایشگاه مهار بیولوژیکی (BCL): بر اساس سطوح ایمنی زیستی (BSL-1 تا BSL-4) طبقه‌بندی می‌شوند. BSL-3 و BSL-4 نیازمند مهار کامل، فشار منفی بالا، اتاق‌های تعویض لباس (Anterooms) و فیلتراسیون HEPA هستند.
• اتاق‌های تمیز: همانطور که گفته شد، برای محافظت از محصول (مانند تولیدات الکترونیکی) به فشار مثبت و فیلتراسیون HEPA هوا نیاز دارند.

بخش ۳: مهار اولیه (هودها و کابینت‌های ایمنی)

تجهیزات تخلیه (فصل ۵) به‌عنوان «سد مهار اولیه» عمل می‌کنند و مهم‌ترین ابزار ایمنی کاربر هستند.

• هودهای شیمیایی (Chemical Fume Hoods):
  • هود معمولی (Conventional): ساده‌ترین نوع است، اما با بستن ارسی (Sash)، سرعت عبوری هوا به‌طور خطرناکی افزایش یافته و باعث ایجاد تلاطم می‌شود.
  • هود بای‌پس (Bypass): رایج‌ترین نوع؛ دارای یک دریچه بای‌پس است که با پایین آمدن ارسی باز می‌شود و اجازه می‌دهد هوا از بالای ارسی وارد شود. این کار به تثبیت سرعت هوای عبوری از دهانه کمک می‌کند.
  • هود حجم متغیر (VAV): پیشرفته‌ترین و کم‌مصرف‌ترین گزینه است. این هودها از سنسور (سنسور موقعیت ارسی یا سنسور سرعت‌سنج) استفاده می‌کنند تا یک دمپر یا فن را طوری تنظیم کنند که سرعت هوای عبوری از دهانه هود (Face Velocity) همیشه ثابت و ایمن (مثلاً ۱۰۰ فوت بر دقیقه) باقی بماند.
  • هود هوای کمکی (Auxiliary Air): این راهنما استفاده از این هودها را که هوای جبرانی تصفیه‌نشده را مستقیماً جلوی هود می‌دمند، توصیه نمی‌کند، زیرا باعث ناراحتی کاربر و اختلال در مهار هود می‌شود.
• کابینت‌های ایمنی بیولوژیکی (BSC): برای کار با عوامل بیولوژیکی طراحی شده‌اند و برخلاف هودهای شیمیایی، باید از فیلترهای HEPA برای تصفیه هوا استفاده کنند.
  • کلاس I: از کاربر و محیط زیست محافظت می‌کند، اما از محصول محافظت نمی‌کند.
  • کلاس II: رایج‌ترین نوع؛ از کاربر، محصول و محیط زیست محافظت می‌کند. دارای انواع مختلفی (A, B1, B2, B3) است که میزان هوای برگشتی یا تخلیه ۱۰۰ درصدی را مشخص می‌کنند.
  • کلاس III: برای حداکثر مهار (مانند BSL-4) طراحی شده و یک محفظه کاملاً ایزوله (Glove Box) است.
• هود پرکلریک اسید: یک سیستم تخصصی است. به دلیل خطر انفجار نمک‌های پرکلرات خشک، این هودها باید از فولاد ضد زنگ ساخته شده و دارای یک سیستم شستشوی داخلی کامل (Washdown) باشند که به‌طور مداوم تمام سطوح داخلی داکت و هود را مرطوب نگه دارد.

بخش ۴: مهار ثانویه (سیستم‌های هوای اولیه و تخلیه)

اگر هودها سد اولیه باشند، سیستم HVAC ساختمان (فصل ۶) «سد مهار ثانویه» است.

• سیستم تخلیه (Exhaust): این سیستم، قلب تپنده ایمنی آزمایشگاه است.
  • فن‌ها: حیاتی است که فن‌های تخلیه روی پشت بام (یا حداقل در انتهای مسیر) نصب شوند. این کار تضمین می‌کند که کل سیستم داکت‌کشی داخل ساختمان تحت فشار منفی باقی می‌ماند. در صورت نشت، هوا به داخل داکت کشیده می‌شود، نه اینکه آلاینده‌های خطرناک به بیرون نشت کنند.
  • اختصاصی در مقابل اشتراکی (Dedicated vs. Manifolded): سیستم‌های اختصاصی (یک فن و داکت مجزا برای هر هود) ساده هستند اما گران و پرهزینه در نگهداری. سیستم‌های اشتراکی (چندین هود به یک داکت و فن مشترک) بسیار به‌صرفه‌تر، کارآمدتر از نظر انرژی و بهتر برای بازیابی انرژی هستند. اما نکته حیاتی این است که مواد ناسازگار (مانند اسیدها و بازها، یا پرکلریک اسید) هرگز نباید در یک سیستم اشتراکی ترکیب شوند.
  • استک تخلیه (Exhaust Stack) (فصل ۹): طراحی استک برای جلوگیری از «ورود مجدد هوا» (Re-entrainment) حیاتی است. استک باید به اندازه کافی بلند باشد تا از «منطقه آشفته» (Wake) ایجاد شده توسط باد روی ساختمان عبور کند و باید سرعت خروجی بسیار بالایی (مثلاً ۳۰۰۰ فوت بر دقیقه) داشته باشد تا آلاینده‌ها را به سمت بالا پرتاب کند. استفاده از کلاهک باران‌گیر روی استک آزمایشگاه ممنوع است، زیرا plume (ستون دود) را به سمت پایین و به سمت ورودی‌های هوا هدایت می‌کند.
• سیستم تأمین هوا (Supply):
  • این سیستم باید دقیقاً سیستم تخلیه را دنبال کند تا فشار منفی حفظ شود (مثلاً هوای تأمینی باید ۱۰٪ کمتر از هوای تخلیه باشد).
  • توزیع هوا: مهم‌ترین جنبه طراحی آسایش و ایمنی، نحوه ورود هوا به اتاق است. دیفیوزرهای معمولی اداری که هوا را با سرعت بالا پرتاب می‌کنند، تلاطم ایجاد کرده و «سرعت چالشی» (Challenge Velocity) ایجاد می‌کنند که می‌تواند بخارات را از داخل هود به بیرون بکشد. در آزمایشگاه‌ها باید از دیفیوزرهای با سرعت پایین و غیرمختلط (Laminar/Perforated) استفاده شود که تا حد امکان دور از هودها نصب می‌شوند.

بخش ۵: بهره‌وری انرژی و اقتصاد (فصول ۱۰ و ۱۵)

آزمایشگاه‌ها بسیار گران هستند (HVAC حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد هزینه اولیه) و انرژی زیادی مصرف می‌کنند. این راهنما تأکید می‌کند که تصمیم‌گیری‌ها نباید صرفاً بر اساس هزینه اولیه، بلکه باید بر اساس «هزینه چرخه عمر» (LCC) (فصل ۱۵) باشد. یک سیستم VAV (که هزینه اولیه بیشتری دارد) معمولاً به دلیل صرفه‌جویی عظیم در انرژی، هزینه چرخه عمر بسیار کمتری نسبت به سیستم حجم ثابت (CV) دارد.

«بازیابی انرژی» (فصل ۱۰) یک استراتژی کلیدی برای کاهش هزینه‌ها است.

• چرخ‌های حرارتی (Heat Wheels): بالاترین بازدهی را دارند (هم حرارت محسوس و هم نهان را منتقل می‌کنند)، اما ریسک «انتقال آلودگی» (Cross-Contamination) را دارند. اگر استفاده می‌شوند، باید حتماً دارای بخش «پاکسازی» (Purge Section) باشند.
• حلقه‌های گردشی (Runaround Loops): این سیستم‌ها از یک سیال (مانند گلایکول) بین دو کویل در مسیرهای هوای رفت و برگشت استفاده می‌کنند. اگرچه بازدهی کمتری دارند، اما چون دو جریان هوا کاملاً از هم جدا هستند، هیچ شانسی برای انتقال آلودگی ندارند و برای آزمایشگاه‌های بیولوژیکی یا شیمیایی با خطرات بالا، ایمن‌ترین گزینه هستند.

بخش ۶: کنترل، تست و راه‌اندازی (فصول ۱۱، ۱۲ و ۱۴)

سیستم‌های آزمایشگاهی پیچیده هستند و برای اطمینان از عملکرد صحیح، به کنترل‌های قوی و راستی‌آزمایی دقیق نیاز دارند.

• استراتژی‌های کنترل (فصل ۱۱): مغز سیستم، باید فشار اتاق را در هر شرایطی حفظ کند.
  • کنترل مستقیم فشار (Direct Pressure Control): از یک سنسور فشار در اتاق استفاده می‌کند. این روش بسیار دقیق است اما به باز و بسته شدن درها بسیار حساس است و می‌تواند ناپایدار شود.
  • ردیابی جریان (Flow Tracking): رایج‌ترین و پایدارترین روش. این سیستم حجم هوای تخلیه (مثلاً از هود VAV) و حجم هوای تأمینی را اندازه‌گیری می‌کند و به کنترلر دستور می‌دهد که همیشه یک اختلاف ثابت (Offset) بین این دو حفظ شود (مثلاً همیشه ۱۰۰ CFM هوای تأمینی کمتر از تخلیه باشد).
• راستی‌آزمایی (Verification) (فصول ۱۲ و ۱۴):
  • راه‌اندازی (Commissioning) (فصل ۱۴): این یک فرآیند کیفی حیاتی برای اطمینان از این است که سیستم نصب‌شده، همان چیزی است که در «سند نیت طراحی مالک» خواسته شده بود. این فرآیند شامل بازبینی طراحی، چک‌لیست‌های نصب، و «تست‌های عملکرد عملکردی» (FPTs) است تا ثابت شود سیستم‌ها در دنیای واقعی کار می‌کنند.
  • تست، تنظیم و بالانس (TAB) (فصل ۱۲): آزمایشگاه به TAB تخصصی نیاز دارد. هودهای شیمیایی و BSC ها باید سالانه گواهی ایمنی دریافت کنند. این تست‌ها شامل:
    1. تست سرعت دهانه هود: اندازه‌گیری سرعت هوا در یک شبکه مشخص روی دهانه هود.
    2. تست عملکرد (ASHRAE 110): یک تست حیاتی که در آن گاز ردیاب (مانند هگزافلوراید گوگرد) در داخل هود آزاد می‌شود و یک مانکن در بیرون، میزان نشت گاز به منطقه تنفسی کاربر را اندازه‌گیری می‌کند.
    3. تست BSC (NSF 49): شامل تست‌های مشابه و همچنین تست یکپارچگی فیلتر HEPA برای اطمینان از عدم وجود هرگونه نشتی.

نتیجه‌گیری

«راهنمای طراحی آزمایشگاه ASHRAE» تأکید می‌کند که ایمنی و عملکرد آزمایشگاه، نتیجه یک طراحی جامع، یکپارچه و سیستمی است. این راهنما از این تفکر که «نصب یک هود» به تنهایی ایمنی را تأمین می‌کند، فراتر رفته و نشان می‌دهد که چگونه هر جزء—از ارزیابی ریسک اولیه و انتخاب مصالح معماری گرفته تا طراحی داکت‌ها، انتخاب دیفیوزرها و برنامه‌نویسی کنترلرها—باید در هماهنگی کامل برای دستیابی به هدف نهایی، یعنی «مهار»، کار کند.

این کتاب روشن می‌سازد که آزمایشگاه‌های مدرن، به دلیل الزامات ۱۰۰ درصدی هوای تازه، ذاتاً پرمصرف‌کننده انرژی هستند. بنابراین، استفاده از سیستم‌های VAV، کنترل‌های هوشمند (مانند ردیابی جریان) و فناوری‌های بازیابی انرژی (به‌ویژه گزینه‌های بدون انتقال آلودگی مانند حلقه‌های گردشی) دیگر یک انتخاب لوکس نیستند، بلکه برای پایداری اقتصادی پروژه ضروری‌اند.

مهم‌ترین پیام این راهنما این است که طراحی به تنهایی کافی نیست. یک آزمایشگاه ایمن، نیازمند «راستی‌آزمایی» مستمر است. فرآیند راه‌اندازی (Commissioning) تضمین می‌کند که سیستم در روز اول مطابق با «نیت طراحی مالک» کار می‌کند، و برنامه‌های نگهداری پیشگیرانه و تست‌های سالانه (مانند ASHRAE 110 و NSF 49) تضمین می‌کنند که آن سطح ایمنی در طول ۳۰ سال عمر ساختمان حفظ می‌شود. در نهایت، این راهنما ابزار لازم را برای ایجاد تأسیساتی فراهم می‌کند که هم از جان انسان‌ها و هم از یکپارچگی تحقیقات علمی محافظت می‌کند.