Скорость воздуха в проёме вытяжного шкафа

Какой должна быть скорость воздушного потока в вытяжном шкафу для безопасной работы с различными реагентами?

Данный обзор – это часть большой темы о вентиляции в химической лаборатории. Важность данного частного вопроса заключается в том, что в многочисленных нормативных документах значения необходимой скорости воздушного потока часто расходятся, а то и вовсе противоречат друг другу. Кроме того, разные проектировщики вентиляции зачастую по-разному интерпретируют нормы, что может приводить к ошибкам в расчетах.

Необходимо сразу оговориться: этот обзор носит лишь ознакомительный характер. Поскольку наша компания не занимается проектированием вентиляционных систем, мы воздерживаемся от рекомендаций. Мы лишь призываем предельно внимательно относиться к данному вопросу и обязательно сверять выкладки проектировщиков с данными нормативных документов.

Как измеряют скорость воздуха в проёме вытяжного шкафа?

Скорость воздуха в проёме вытяжного шкафа (по-английски чаще всего называется face velocity, а мы по-русски будем также называть эту величину фронтальной скоростью) является одним из важнейших измеряемых параметров, определяющих безопасность работы в вытяжном шкафу. Фронтальная скорость измеряется анемометрами в соответствии с методиками, описанными в стандартах EN 14175:3 и ANSI/ASHRAE 110-2016.

Обратим внимание на важную деталь: при одном и том же объемном расходе воздуха, его фронтальная скорость зависит от площади проёма, т.е. от того, в каком положении находится экран при измерениях скорости.
В большинстве (но беда в том, что не во всех) отечественных нормативов устанавливается, что проем должен составлять 0,2 м² на метр длины шкафа, т.е. экран должен быть поднят на 20 см. Согласно EN 14175:3, п. 4.2.2, фронтальную скорость измеряют при экране, поднятом на 50 см, что в 2,5 раза больше. Т.е. зарубежные и отечественные нормативы по скорости воздуха отнесены к разной площади проема и численно различаются в 2,5 раза.

На рис. 1 она обозначена как V_h, причем h – это высота, на которую поднят экран. Далее она принимается за 200 мм, как большинстве отечественных документов, либо за 500 мм, как в зарубежных стандартах. Соответственно, мы будем говорить о значениях V₂₀₀ и V₅₀₀

Итак, на какие данные и нормативы можно опираться, и что считать безопасной работой с вредными веществами?

Российские нормативы

Здесь мы приведем цитаты из руководящих документов, которые регламентируют скорость воздушного потока в проёме вытяжного шкафа. Нормативы рассматриваются в хронологическом порядке, от ранних к поздним. Сохранена орфография и пунктуация первоисточников.

НПАОП 85.11-1.05-70, Правила устройства, техники безопасности и производственной санитарии при работе в клинико-диагностических лабораториях лечебно-профилактических учреждений системы Министерства здравоохранения СССР.

П. 36. Скорость движения воздуха в полностью открытых створках вытяжного шкафа* должна быть 0,3 м/с, при работе с ртутью - 0,4 м/с, с сероводородом - 0,7 м/с.

*) Здесь говорится о «полностью открытых створках», что в современных реалиях означает при полностью поднятом экране. Полная высота подъема экрана в шкафах ЛАБ-PRO составляет 780 мм. Пересчет скорости 0,3 м/с при проёме 780 мм даёт скорость 1,17 м/с в проёме 200 мм – далее мы увидим, что это значение хорошо соответствует сегодняшним представлениям об оптимальной фронтальной скорости.

СН 495-77, Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений

П. 5.14. Объем воздуха, удаляемый через вытяжной шкаф, следует принимать в зависимости от скорости движения воздуха в расчетном проеме шкафа согласно табл. 10:
Таблица 10

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в рабочей зоне, мг/м³	Скорость движения воздуха в расчетном проеме шкафа, м/с
более 10	0,5
от 10 до 0,1	0,7
менее 0,1	1

Примечания : 1. Площадь расчетного проема необходимо принимать равной 0,2 м² на 1 м длины вытяжного шкафа*.
2. При работах, связанных с выделением в воздух аэрозолей и пыли веществ 1, 2 и 3-го класса опасности, скорость движения воздуха в расчетном проеме вытяжного шкафа следует принимать 1,2—1,5 м/с.
3. Коэффициент одновременности работы вытяжных шкафов следует принимать равным единице.

*) В этой инструкции, а также в более поздних документах, задается расчетный проем 0,2 м² на 1 м длины вытяжного шкафа, т.е. определяются условия, при которых экран вытяжного шкафа поднят на 20 см.

ВНТП 3-85 Нормы технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений

П. 4.36. Объем воздуха, удаляемого через вытяжные шкафы, следует определять по скорости движения воздуха в расчетном проеме шкафа, принимаемом равным 0,2 м² на метр длины шкафа по табл. 18 в зависимости от ПДК вредных веществ, используемых в работе.
Таблица 18

ПДК вредных веществ, мг/м³	Расчетная скорость, м/с
Свыше 50	0,5
От 20 до 50 включительно	0,7
От 5 до 20 включительно	1,0
До 5 включительно	1,3

РД 34.03.201-97 Правила техники безопасности при эксплуатации тепломеханического оборудования электростанций и тепловых сетей

П. 3.7.28. Химические лаборатории должны быть оборудованы вытяжными шкафами с принудительной вентиляцией, обеспечивающей скорость всасывания воздуха в сечении открытых на 15-20 см створок шкафа в пределах 0,5-0,7 м/с.
При работе с вредными веществами скорость воздуха должна быть 1,0-1,2 м/с.

Приказ Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. № 232 "Об утверждении Правил технической эксплуатации нефтебаз"

Правила технической эксплуатации нефтебаз

П. 7.150. Воздухообмен в помещениях лаборатории определяется по количеству удаляемого местными отсосами воздуха. При отсутствии вытяжных шкафов и укрытий следует предусматривать трехкратный воздухообмен в 1 ч по внутреннему объему помещения; объем удаленного воздуха из помещения лаборатории должен превышать на 10% объем приточного воздуха; объем воздуха, удаляемого через вытяжные шкафы, следует устанавливать исходя из скорости движения воздуха в расчетном проеме шкафа, принимаемом равным 0,2 м на метр длины шкафа, в зависимости от ПДК вредных веществ, используемых в работе:

при ПДК более 10 мг/куб. м - 0,5 м/с;
при ПДК от 10 до 0,1 мг/куб. м - 0,7 м/с;
при ПДК менее 0,1 мг/куб. м - 1 м/с.

СТО ГАЗПРОМ НТП 1.8-001-2004 «Нормы технологического проектирования объектов газодобывающих предприятий и станций подземного хранения газа»

27.4 Объем воздуха, удаляемого через вытяжные шкафы, следует определять по скорости движения воздуха в расчетном проеме шкафа (0,2 м² на метр длины шкафа) в зависимости от ПДК вредных веществ (таблица 27.2).
Таблица 27.2

ПДК вредных веществ, мг/м³	Расчетная скорость движения воздуха, м/с
Свыше 50	0,5
От 20 до 50	0,7
От 5 до 20	1,0
До 5 включительно	1,3

У-ТХ-04-06 Указания по проектированию аналитического контроля и лабораторий предприятий по переработке нефти и производству продуктов органического синтеза

6.11.10 Для помещений лабораторий, оборудованных вытяжными шкафами, расчет вытяжной вентиляции следует производить по большему значению количества воздуха, удаляемого через вытяжные шкафы и количества воздуха, необходимого для удаления из помещений избытков тепла и влаги. Объем воздуха, удаляемого через вытяжной шкаф, следует определять в зависимости от скорости движения воздуха в расчетном проеме шкафа согласно таблице 16.
Таблица 16

ПДК вредных веществ в рабочей зоне мг/м³	Скорость движения воздуха в расчетном проеме шкафа, м/с
Более 10	0.5
От 10 до 0.1	0.7
Менее 0.1	1.0

Примечания
1. Площадь расчетного проема принимается равной 0.2 м²на 1 м длины вытяжного шкафа.
2. При работах, связанных с выделением в воздух аэрозолей и пыли веществ 1,2 и 3 класса опасности, скорость движения воздуха в расчетном проеме вытяжного шкафа принимается в пределах 1.2-1.5 м/с.
3. Коэффициент одновременности работы вытяжных шкафов в помещении предусматривается по технологическому заданию.
4. Общий воздухообмен в лабораторном помещении с учетом работы всех местных отсосов и общеобменной вентиляции не рекомендуется принимать более 20 кратного часового воздухообмена

СП 2.2.1.2513-09 Гигиенические требования к размещению, проектированию, строительству, эксплуатации и перепрофилированию объектов по уничтожению химического оружия, реконструкции зданий и сооружений и выводу из эксплуатации объектов по хранению химического оружия

4.9.3. Скорость удаляемого воздуха из вытяжного шкафа в лаборатории при площади расчетного проема, равной 0,2 м² на 1 м длины вытяжного шкафа, должна составлять не менее 1,2 м/с.

Таким образом, в российских нормативных документах требования по параметрам вытяжной вентиляции хоть и разнятся, но в основном сводятся к следующему: при работе с опасными веществами с ПДК 5 мг/м3 и менее скорость воздуха в расчетном проёме, т.е. при экране, поднятом на 20 см, должна составлять от 1 до 1,5 м/с.

Примем за консенсус значение V₂₀₀ = 1,25 м/с и пересчитаем его на рабочий проём с экраном, находящимся на высоте 50 см. Получим V₅₀₀ = 1,25*(20/50) = 0,5 м/с. Именно такой должна быть скорость воздушного потока при реальной работе, когда экран поднят примерно на 50 см.

Это также хорошо согласуется с зарубежными нормативами.

Зарубежные нормативы

Документы, которые прямо предписывают необходимую скорость потока воздуха в проеме вытяжного шкафа (face velocity), главным образом, выпускаются различными ведомствами США. При этом данные, приведенные в рекомендациях и нормативах, относятся к реальному рабочему проёму при нормальной работе оператора, который обычно составляет 50 см.

Рассмотрим выдержки из важнейших документов.

SEFA 1-2010 Laboratory Fume Hoods / Лабораторные вытяжные шкафы

Организация: SEFA = Scientific Equipment & Furniture Association [Ассоциация Научного Оборудования и Мебели]

4.4.1 and 5.3.4 Face Velocity
Face velocity shall be adequate to provide containment….
Refer to ASHRAE 110 – 1995 (or latest edition) for velocity measurement procedures.
Face Velocity Guide –The most widely accepted range of average face velocities is 60 FPM to 100 FPM. The measured deviation across the face may vary ± 20 FPM.

4.4.1 и 5.3.4 Фронтальная скорость
Скорость воздуха в проёме вытяжного шкафа должна быть достаточной для обеспечения удерживания вредных веществ в вытяжной камере….
Методы измерения скорости описаны в стандарте ASHRAE 110 – 1995 (или в последней редакции).
Ориентиры по фронтальной скорости. Наиболее распространенный диапазон средней скорости воздуха в проёме составляет от 60 до 100 футов в минуту (от 0,3 до 0,5 м/с). Измеренное отклонение по проёму может составлять ± 20 футов в минуту (± 0,1 м/с).

ANSI/AIHA Z9.5-2012 Laboratory Ventilation [Лабораторная вентиляция]

Организация: ANSI/AIHA = American National Standards Institute/ American Industrial Hygiene Association [Американский Национальный Институт Стандартов / Американская ассоциация промышленной гигиены]

3.3.1 Face Velocity
Design face velocities for laboratory fume hoods in the range of 80 –100 fpm (0.40 – 0.50 m/s) will provide adequate face velocity for a majority of fume hoods.
Factors including the design of the hood, the laboratory layout, and cross-drafts created by supply air and traffic all influence hood performance as much as or more than the face velocity.

3.3.1 Фронтальная скорость
Расчетная фронтальная скорость для лабораторных вытяжных шкафов в диапазоне 80–100 футов в минуту (0,40–0,50 м/с) обеспечит достаточную скорость воздуха для большинства вытяжных шкафов.
Факторы, в том числе конструкция тяги, планировка лаборатории, сквозняки, создаваемые приточным воздухом и движением персонала, влияют на эффективность вытяжной системы не меньше или даже больше, чем скорость движения.

US OSHA, 29 CFR Part 1910.1450 Occupational Exposure to Hazardous Chemicals in Laboratories [Воздействие опасных химических веществ на рабочем месте в лабораториях]

Организация: OSHA = Occupational Safety and Health Administration [Управление по охране труда]

Appendix A - National Research Council Recommendations Concerning Chemical Hygiene in Laboratories
(g) General air flow should not be turbulent and should be relatively uniform throughout the laboratory, with no high velocity or static areas; airflow into and within the hood should not be excessively turbulent); hood face velocity should be adequate (typically 60-100 lfm)

Приложение A. Рекомендации Национального исследовательского совета в отношении химической гигиены в лабораториях
(g) Общий поток воздуха не должен быть турбулентным и должен быть относительно равномерным по всей лаборатории, без зон высоких скоростей и статических зон; поток воздуха в вытяжку и внутри нее не должен быть чрезмерно турбулентным; фронтальная скорость воздуха в вытяжной шкаф должна быть достаточной (обычно 60-100 линейных футов в мин [0,3 – 0,5 м/с])

Standard NFPA 45-2004

Организация: NFPA = National Fire Protection Association [Национальная ассоциация противопожарной защиты]

Appendix A 5.6.2
Typical, modern hoods operate under negative pressure compared to the work area with hood face velocities that range from 0.41 m/sec to 0.61 m/sec (80 linear ft/min to 120 linear ft/min), with 0.5 m/sec (100 linear ft/min) being the most common.

Приложение A 5.6.2
Типичные современные вытяжки работают под отрицательным давлением (по сравнению с рабочей зоной) со скоростями воздуха в проёме шкафа в диапазоне от 0,41 м/с до 0,61 м/с (от 80 до 120 линейных футов/мин), при этом скорость 0,5 м/с (100 линейных фут/мин) является наиболее общепринятой.

Prudent Practices in the Laboratory: Handling and Management of Chemical Hazards, Updated Version (2011) [Безопасные методы работы в лаборатории: обращение с опасными химическими веществами, новая редакция]

Данное руководство издается Национальным исследовательским советом Национальных академий наук, инженерии и медицины (США), и именно на эту монографию ссылаются инструкции по безопасности многих американских и европейских университетских, исследовательских и промышленных лабораторий.

Prudent Practices in the Laboratory_cover.jpg

9.C.2.1 (Page 221)
For traditional chemical hoods, several professional organizations have recommended that the chemical hood maintain a face velocity between 80 and 100 feet per minute (fpm)
….
Face velocities approaching or exceeding 150 fpm should not be used; they may cause turbulence around the periphery of the sash opening and actually reduce the capture efficiency, and may reentrain settled particles into the air.

П. 9.C.2.1 (Стр. 221)
Для традиционных химических вытяжных шкафов несколько профессиональных организаций рекомендуют, чтобы вытяжка поддерживала фронтальную скорость от 80 до 100 футов в минуту (0,4–0,5 м/с).
……
Не следует использовать фронтальные скорости порядка 150 футов в минуту (0,75 м/с) и выше; они могут вызывать турбулентность по периферии проема и фактически снижать эффективность улавливания вредных веществ, а также могут повторно уносить осевшие частицы в воздух.

Почему нужно придерживаться норм для наиболее вредных веществ?

В большинстве отечественных нормативных документов вредные вещества подразделяются по классам опасности на основе ПДК, при этом для менее опасных компонентов с большими значениями ПДК предусматриваются меньшие фронтальные скорости воздуха.

Мы считаем, что такой подход может быть применим лишь в частных случаях, когда достоверно известно, что в вытяжном шкафу работают с одним или несколькими не сильно вредными компонентами. Такие случаи действительно бывают, но по нашему опыту поставок, они являются единичными. Всё же вытяжные шкафы, и особенно шкафы премиальной серии ЛАБ-PRO, главным образом применяются для работы с целым набором веществ, хотя бы одно из которых будет весьма токсичным, с низким ПДК.

И действительно, наиболее распространенные кислоты – серная и азотная, – согласно нормативу ГН 2.2.5.3532-18 имеют ПДК всего 2 мг/м³. Достаточно опасными являются и многие широко используемые органические вещества. Поэтому, когда речь идет о вытяжном шкафе, в котором предполагается работа с широким спектром веществ, следует брать в расчет наиболее жесткие нормативы по скорости потока воздуха. В зарубежных регламентах по вытяжным шкафам разделение веществ по классам опасности вообще не используется, вероятно, по соображениям, приведенным выше.

Чем больше, тем лучше?

Казалось бы, если установить вентиляторы большей производительности, и обеспечить таким образом скорость воздуха в проёме вытяжных шкафов заведомо выше, чем это требуется руководящими документами, работа в вытяжке станет более безопасной.
Но нет, так не получится. И причин тому довольно много.

1. Многочисленные аэродинамические исследования показывают, что при фронтальной скорости больше 1,8 м/с (в условном проеме 20 см, для проема 50 см это будет 0,7-0,75 м/с) возникают риски обратных турбулентных потоков воздуха, которые могут наоборот, выносить вредные вещества из вытяжного шкафа.

2. Избыточный поток воздуха может вызывать нежелательное охлаждение нагревательных устройств и образцов, нарушая отрегулированный тепловой баланс. Эффект охлаждения также зачастую приводит к конденсации паров кислот и растворителей в труднодоступных зонах вытяжной камеры.

3. Слишком большой воздушный поток делает работу неудобной, он может поднимать в воздух не только осевшие частицы, но и мелкие принадлежности, например, листки фильтровальной бумаги и т.п.

4. Наконец, никто не отменял разумную экономию ресурсов. Следует иметь в виду, что увеличение производительности вытяжной вентиляции, скажем на 50%, повлечет общее увлечение затрат более, чем в два раза. Действительно, потребуется пропорционально повысить производительность приточной вентиляции, а кроме того, поднять мощность подогрева приточного воздуха.

Выводы

Большинство российских и зарубежных нормативных и рекомендательных документов устанавливают оптимальную скорость в проеме вытяжного шкафа как 0,4 - 0,5 м/с при экране, поднятом на высоту 50 см, или 1,0 - 1,25 м/с при экране, поднятом на 20 см.

Для поддержания такой скорости воздушного потока в вытяжных шкафах ЛАБ-PRO вентиляционная система должна обеспечивать следующие объемные расходы:

Длина вытяжного шкафа, мм	Объемный расход, м³/час
900	580
1200	850
1500	1120
1800	1390

В приведенных значениях учтены конструктивные особенности наших изделий, в частности, ширина боковых стоек (130 мм).

Как следует из рассмотренных выше документов, такие параметры вентиляции создадут условия безопасной работы с вредными веществами.