王強

摘 要 基于分析實驗室通風柜的工作原理，結(jié)合實驗室的暖通相關(guān)設(shè)計要求，重點討論了VAV系統(tǒng)的設(shè)計及控制邏輯，及其對實驗室安全性、功能性的重要性。

關(guān)鍵詞 實驗室通風;通風柜;VAV;房間壓力控制

前言

在對化工產(chǎn)品需求量不斷增加的今天，很多企業(yè)均加大了對研發(fā)中心的投入，而實驗室作為研發(fā)中心的核心區(qū)域，承擔了新型材料的研發(fā)重任，研發(fā)人員作為研發(fā)企業(yè)的重要財富，如何讓他們在處理化學品實驗的時候確保他們的健康安全，以及化學實驗順利進行，其中暖通系統(tǒng)設(shè)計將是實現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵。

在實驗室，暖通系統(tǒng)負責創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，包括溫濕度，房間正負壓，有害物質(zhì)的及時排放，而通風柜則負責將有害物質(zhì)集中起來，如何將兩者有機結(jié)合，讓兩者能夠完美契合的工作，則是暖通設(shè)計需要努力的方向，而通風作為暖通系統(tǒng)的一個重要組成部分，與實驗室設(shè)備結(jié)合地更加緊密，本文重點探討通風系統(tǒng)的設(shè)計。要想做好實驗室的通風系統(tǒng)，除了基本的通風專業(yè)知識，還要熟悉通風柜的工作原理，以及最終如何通過合理的自控邏輯來實現(xiàn)我們想要的結(jié)果，這三個因素環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，對于一個實驗室通風系統(tǒng)的成敗起到了決定性的作用。下面對這三個因素逐個進行剖析。

1通風柜的類型和工作特點

市場上存在著三種類型的通風柜，分別是定風量型、補風型以及變風量型通風柜。這三種類型的通風柜，雖然都能起到保護實驗室人員安全的作用，但依然有著各自的特點，從最初的定風量通風柜發(fā)展到變風量通風柜，一定程度上也是暖通與自控技術(shù)日趨完善的結(jié)果。身處日新月異的21世紀，變風量通風柜已經(jīng)占據(jù)了市場上的絕對份額。

面風速決定了通風柜柜門處的氣流處于負壓狀態(tài)，確保有害氣體無法溢漏出通風柜，從而保證使用者的安全，允許的面風速在許多關(guān)于實驗室通風的標準中都有規(guī)定，例如SAMA標準LP-10-1980中規(guī)定0.5m/s為安全操作的理想面風速，對于不同的化學物品和實驗狀態(tài)，一般推薦面風速的范圍為0.3～0.6m/s，在實際項目執(zhí)行中，我們一般取0.5m/s。因為柜門的開啟會影響到風量的變化，為了要保證柜門面風速，監(jiān)測通風柜的柜門開啟則變成了必須，因此在探究通風系統(tǒng)設(shè)計之前，有必要首先分析一下變風量通風柜的工作原理。

目前監(jiān)測變風量通風柜開度的方法有兩種：

（1）面風速法：通風柜入口邊緣處安裝風速傳感器，用來測風速，然后通過傳感器將信號傳送到配套的控制器，控制器接到信號之后通過比較和計算得到所需的排風量，進而通過改變風機頻率或控制風閥開度來調(diào)整排風量，最終使通風柜的面風速控制在設(shè)定值。

（2）位移法：通過安裝在柜門旁邊的位移傳感器測得柜門開度并傳輸給控制器，控制器再通過計算得出所需風量，然后通過實時改變風機頻率調(diào)節(jié)排風量，最終使面風速控制在設(shè)定值。

柜門開度的檢測原理看似簡單，但是它卻是整個通風自控系統(tǒng)的信號發(fā)源地，而且整個通風設(shè)備參數(shù)的確定，都需要以變風量通風柜的排風需求和實驗室的同時使用率為基礎(chǔ)進行分析，合理的考慮同時使用率以及單臺通風柜的風量可以有效降低初投資，在后續(xù)實際運行中，讓通風設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)點保持高效率運行，同樣可以減少運行成本，節(jié)能環(huán)保是一個永遠的主題，所以作為能耗大戶，暖通工程師應該自覺承擔起這個責任。

從上述的工作原理可以得知，變風量通風柜的排風量會根據(jù)使用情況進行調(diào)整，因此，決定了變風量的通風系統(tǒng)將是必需的選擇，而除了變風量通風柜的使用需求之外，變風量通風系統(tǒng)也的確具有眾多優(yōu)點：①當實驗室的排風量減少的時候，可以相應減少送風量，尤其是新風量，這樣可以節(jié)約能耗成本;②應用同時使用率的概念，讓系統(tǒng)的容量更加貼近使用者的需要，以此減少不必要的建設(shè)成本，避免了大馬拉小車的過度設(shè)計;③實驗室的設(shè)備通常會有更新的情況出現(xiàn)，壓力無關(guān)性的變風量控制器可以自動適應系統(tǒng)的變化，排風管路壓力的變化并不會影響到控制閥的運行，所以當實驗室系統(tǒng)安裝調(diào)試完成之后，以后若再有局部區(qū)域改造，只需要在受變化直接影響的區(qū)域進行再平衡即可，而不需要對整個通風系統(tǒng)再次進行風平衡調(diào)節(jié)，讓實驗室的局部改造變得更加簡單[1]。

2通風系統(tǒng)的理論計算

理解了通風柜的工作原理，確定了變風量通風系統(tǒng)，接下來就是要對暖通設(shè)計進行詳細計算。由于實驗室有一些有害氣體排放，為了防止氣體溢出到其他非實驗室區(qū)域，所以要求實驗室必須處于負壓狀態(tài)，因此，詳細準確的風量平衡計算是必需的，通常確定室內(nèi)風量平衡的步驟有：

（1）整理出實驗室中的通風設(shè)備，比如通風柜、萬象排氣罩、藥品儲藏柜等。根據(jù)這些通風設(shè)備的尺寸和工藝要求，計算他們的排風量范圍。比如通風柜，每個通風柜必須有最小排風量，以確保在柜門拉至最小時，柜子里的氣體依然可以進行排放稀釋，防止?jié)舛确e累過高導致操作人員再次開啟柜門時發(fā)生氣體逸漏從而造成危險，國內(nèi)標準一般為250m3/h，而當通風柜的柜門開啟到正常高度時，對于1500mm寬度的通風柜，在保證面風速0.5m/s的情況下排風量折算為1600m3/h。

（2）根據(jù)實驗室的面積和換氣次數(shù)等通風指標計算最小排風量。房間換氣次數(shù)的指標，有人占用的實驗室換氣次數(shù)通常按照6～8次/h考慮，無人占用時比如夜間，則可以減少至2～4次/h。如果通風設(shè)備在最小排風狀態(tài)時的總排風量比按照通風指標計算的最小排風量還要小，則必須配置室內(nèi)輔助排風閥補充排風量，使得在正常工況下，總排風量能滿足換氣次數(shù)的要求。

（3）根據(jù)室內(nèi)總排風量和室內(nèi)壓力要求，確定室內(nèi)送風的范圍。

（4）確定變風量閥的風量范圍和要求，列入設(shè)備規(guī)格表。

按照上述4個步驟，假設(shè)20m2的一個實驗室，里面包含1臺1500mm的通風柜，1個萬象排氣罩，套用我們上述的步驟作室內(nèi)風量平衡計算：

（1）根據(jù)通風柜的開窗最大開口尺寸和平均面風速，計算出他的排風量范圍是250m3/h～1600m3/h。萬象排氣罩的排風采用定風量閥，風量為150m3/h。

（2）根據(jù)實驗室的面積20m2，層高2.8米，通風換氣次數(shù)8次/h，計算出室內(nèi)最小排風量448m3/h。當通風柜在最小排風狀態(tài)時的總排風量是250+150= 400m3/h，比按照通風指標計算的最小排風量448m3/h小，需另外配置一個室內(nèi)輔助排風閥，使得在正常工況下，總排風量是滿足室內(nèi)換氣次數(shù)要求。

（3）根據(jù)室內(nèi)總排風量、室內(nèi)負壓要求以及房間門窗密閉性，估算送排風風量差為100m3/h，由此可以確定室內(nèi)送風的范圍。

（4）確定變風量的風量范圍和要求。1個通風柜控制閥250～1600m3/h，1個室內(nèi)輔助排風控制閥0～48m3/h，1個定風量閥150m3/h，1個室內(nèi)送風控制閥348～1500m3/h。

依靠這4個步驟，將實驗室的房間逐個統(tǒng)計，然后考慮同使用率進行設(shè)備選型，就可以得出整個通風系統(tǒng)的排風量、送風量以及控制閥的數(shù)量及參數(shù)，從而確定了整個通風系統(tǒng)的所有關(guān)鍵要素[2]。

3變風量通風系統(tǒng)中房間壓力的控制原理

對于實驗室來說，壓力控制決定了實驗室的安全等級，對壓力的控制就只能通過控制送排風量來完成。在研發(fā)人員實際使用中，實驗室的情況會不斷地出現(xiàn)變化，那么就需要相應調(diào)整送排風量來控制房間室內(nèi)外壓差，然后再進行熱濕調(diào)節(jié)等其他操作。比較主流的兩種壓力控制方法是直接壓力控制、流量跟蹤控制，接下來我們通過分析兩種不同的控制方式來更好地了解他們，從而能夠更好地讓他們?nèi)シ胀L系統(tǒng)。

3.1 直接壓力控制

在直接壓力控制方式下，房間控制器通過調(diào)節(jié)送風和排風閥門，來保持實驗室與相鄰區(qū)域的壓差穩(wěn)定?？刂破鲗鶕?jù)實驗室和實驗相鄰區(qū)域的壓力傳感器直接測得壓差數(shù)據(jù)，然后采集壓差信號并將其與原先設(shè)定的壓差值進行比較，根據(jù)兩者之間的差值來調(diào)節(jié)送排風量，因此，直接壓力控制可以直接的反映到壓差控制上，讓其實驗室的壓差最接近設(shè)定值，但是他也有局限性，容易受到干擾，比如門窗的開啟。

如圖所示的工作原理圖，可以看出系統(tǒng)相對簡單，但是在我們實際的項目案例中，壓力控制系統(tǒng)的表現(xiàn)并不是特別穩(wěn)定，主要原因是這種系統(tǒng)對房間的密閉性要求非常，隔墻是否到結(jié)構(gòu)頂、機電管線穿隔墻的密封是否嚴密，都將影響系統(tǒng)的準確性，因此房間壓力要求高，密閉性好的實驗室，將會更加適應這種控制系統(tǒng)。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設(shè)計是利用風量傳感器測得的送風量和排風量，利用控制器對房間的送排風量進行采集并做比較，使得送排風量的差值保持恒定，從而實現(xiàn)房間的壓差控制。

從上圖可以看出，流量跟蹤控制系統(tǒng)的對象是風量值，必須測量所有送、排風管道的風量，房間壓力不再是流量跟蹤控制的一部分了，在這種情況下，直接壓力控制系統(tǒng)因為門窗突然開啟而使系統(tǒng)失靈的弊端就不再存在了，即使門窗突然開啟，送風量和排風量依然不會改變，兩者之間的差值依然也是固定值，從而使實驗室依然保持負壓。

如果要采用流量跟蹤控制系統(tǒng)，則必須弄清楚余風量的概念，如何確定余風量，會影響到這套系統(tǒng)的準確性，余風量等同于送風量和排風量的差值，是基于房間門窗的數(shù)量和房間滲漏量來計算的，在實際案例中，理論值與實際值有一定的差異存在難避免，可以根據(jù)后續(xù)實際情況，通過矯正余壓值的設(shè)定直到實驗室最終達到穩(wěn)定的負壓。

在實際案例中，流量跟蹤控制系統(tǒng)被更多的選用來控制實驗室的壓力，一方面，是因為送風量和排風量數(shù)值更加容易預測和計算，另一方面，即使房間門打開的情況下，房間送風量和排風量不變，負壓依然存在，對人員健康依然有保障[3]。

4結(jié)束語

通風系統(tǒng)對于實驗室的成敗起到了決定性的作用，而經(jīng)過幾十年的實驗室設(shè)備比如通風柜的發(fā)展，變風量系統(tǒng)順應著時代發(fā)展走上舞臺，通過剖析變風量通風柜的特點、通風系統(tǒng)的理論計算以及房間壓力控制邏輯，可以更完整地幫助我們完成實驗室的通風系統(tǒng)設(shè)計，讓三者緊密結(jié)合。

參考文獻

[1] 趙敏華，沈晉明.VAV在實驗室通風空調(diào)中的應用和控制[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2014（1）：45-49.

[2] 高磊，沈晉明.實驗室通風技術(shù)與控制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005（12）：31-34，36.

[3] 劉海華.對化學實驗室暖通控制的探討[J].機電信息，2014（23）：32-35.