劉啟兵

（北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044）

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境的要求也變得越來(lái)越高。由于實(shí)驗(yàn)室需要嚴(yán)格控制周?chē)沫h(huán)境，以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不受室外溫度、濕度、潔凈度等因素的影響，因此需要環(huán)境因素改變時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空調(diào)自控系統(tǒng)能夠迅速自動(dòng)的調(diào)節(jié)，使得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境始終穩(wěn)定保持在設(shè)定的環(huán)境參數(shù)值，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定[1-5]。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，首先，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、潔凈度以及壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使得實(shí)驗(yàn)室氣流從潔凈區(qū)流向非潔凈區(qū)，維持潔凈區(qū)有序的梯度壓力分布不變；其次，需要高效、節(jié)能、可靠的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，合理配置新風(fēng)、回風(fēng)和送風(fēng)，以及高效過(guò)濾器；最后，需要有效、可行的控制系統(tǒng)，控制好末端閥門(mén)、溫濕度探測(cè)器以及風(fēng)機(jī)、加濕加熱等設(shè)備，才能真正有效地控制實(shí)驗(yàn)室潔凈區(qū)域的潔凈度[6]。

某實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目建筑層數(shù)為地上4 層，局部5 層，半地下車(chē)庫(kù)，建筑面積為2 834.40 m2，建筑的半地下出庫(kù)標(biāo)高為-2.5 m，建筑物室內(nèi)外高差為2.00 m，建筑設(shè)計(jì)使用年限為40 年。耐火等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度7 級(jí)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型是建筑部分為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，局部為鋼結(jié)構(gòu)，加一部電梯，屋面防水等級(jí)Ⅱ級(jí)。

1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括負(fù)荷計(jì)算（熱濕負(fù)荷）、熱濕平衡的計(jì)算、風(fēng)量平衡的計(jì)算、水力平衡的計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算就是為了保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫、濕度恒定，消除室內(nèi)的余熱、余濕，達(dá)到熱、濕平衡的狀態(tài)。風(fēng)量平衡計(jì)算是為了保證送入潔凈室內(nèi)的新風(fēng)量既能補(bǔ)充房間的排風(fēng)（包括漏風(fēng)），又能保持所需室內(nèi)的壓差梯度，在滿足室內(nèi)溫、濕度需求時(shí)，經(jīng)過(guò)三級(jí)過(guò)濾，保證室內(nèi)的潔凈度級(jí)別。水力平衡就是送風(fēng)（水）壓力值能克服管道的阻力，管道阻力包括局部阻力和摩擦阻力。

1.1 熱（Q）、濕（W）負(fù)荷計(jì)算

1.1.1 熱（Q）負(fù)荷計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室的熱負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷（Q傳）、實(shí)驗(yàn)室工作人員的熱負(fù)荷（Q人）、實(shí)驗(yàn)室照明熱負(fù)荷（Q照明）、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備產(chǎn)熱負(fù)荷（Q設(shè)備）。實(shí)驗(yàn)室的熱負(fù)荷（Q）可用下式表達(dá)：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的的傳熱負(fù)荷（Q傳）可表示為：

式中：Ki為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（W/m2·℃），F(xiàn)i為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積（m2），Δt 為室內(nèi)外溫差（℃）。

實(shí)驗(yàn)室工作人員的熱負(fù)荷（Q人）包括：顯熱負(fù)荷（Q顯）和潛熱負(fù)荷（Q潛）。工作人員的熱負(fù)荷（Q人）可表示為：

實(shí)驗(yàn)室照明負(fù)荷計(jì)算可表示為：

式中：n0整流器消耗功率的系數(shù)，n1為安裝系數(shù)，n2為同時(shí)使用系數(shù)，N 為設(shè)備的功率（kW）。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的熱負(fù)荷（Q設(shè)備）包括：電熱設(shè)備熱負(fù)荷（Q電熱）、電動(dòng)設(shè)備熱負(fù)荷（Q電動(dòng)）和電子設(shè)備熱負(fù)荷（Q電子）。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的熱負(fù)荷可表示為：

電熱設(shè)備熱負(fù)荷（Q電熱）可表示為：

式中：n3為負(fù)荷系數(shù)。

電動(dòng)設(shè)備熱負(fù)荷（Q電動(dòng)）可表示為：

式中：η 為設(shè)備效率。

電子設(shè)備熱負(fù)荷（Q電子）可表示為：

1.1.2 濕（W）負(fù)荷計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室的濕負(fù)荷（W）主要包括：實(shí)驗(yàn)人員濕負(fù)荷（W人）和設(shè)備濕負(fù)荷（W設(shè)）。實(shí)驗(yàn)室的濕負(fù)荷（W）可表示為：

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的濕負(fù)荷（W設(shè)）可表示為：

式中：F 為產(chǎn)濕設(shè)備的水蒸發(fā)面積（m2），w 設(shè)為產(chǎn)濕設(shè)備單位面積的水蒸發(fā)量（kg/m2·h）。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得冷負(fù)荷為34 796 W，熱負(fù)荷為7051 W，總濕負(fù)荷為510 g/h。

1.2 風(fēng)量計(jì)算

已知各個(gè)房間的潔凈度等級(jí)和所需換氣次數(shù)在圖紙中測(cè)量出各個(gè)潔凈房間的面積，而房間的吊頂高度為2.3 m，便能計(jì)算出各個(gè)房間的送風(fēng)量，計(jì)算各個(gè)房間的送風(fēng)量之和，求出總送風(fēng)量。由于考慮到送風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)道的漏風(fēng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室要求取漏風(fēng)量為4%。得出房間的總送風(fēng)量，正壓區(qū)域的房間送風(fēng)量為4979.7 m3/h，負(fù)壓區(qū)域的房間送風(fēng)量為1230.5 m3/h。

1.3 空氣處理機(jī)組的選擇

結(jié)合正負(fù)壓的空氣處理過(guò)程的分析，總結(jié)出空氣各個(gè)功能段所需的參數(shù)見(jiàn)表1。本次設(shè)計(jì)使用空氣處理機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2，機(jī)組具有高效節(jié)能、操作方便、運(yùn)行安全、安裝維護(hù)方便等諸多特點(diǎn)，在夏季功能為冷卻，在冬季功能為熱泵，在冬夏兩季均可使用。

表1 空氣處理過(guò)程參數(shù)

表2 空氣處理機(jī)組選型

2 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)室分為正壓區(qū)域和負(fù)壓區(qū)域，正壓使用AHU-1空調(diào)機(jī)組，負(fù)壓使用AHU-2 空調(diào)機(jī)組，兩套空調(diào)系統(tǒng)均采用DDC系統(tǒng)控制，主要原因是DDC 控制器主要針對(duì)建筑自動(dòng)化在設(shè)計(jì)方面，其內(nèi)部預(yù)制了豐富的建筑空調(diào)控制程序，設(shè)備簡(jiǎn)單，減少了編程和調(diào)測(cè)工作量，并且操作簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、維護(hù)人員更容易掌握?？照{(diào)機(jī)組采用定送、變排的送風(fēng)形式，送、排（回）風(fēng)采用變風(fēng)量文丘里控制。兩套空調(diào)系統(tǒng)可單獨(dú)控制，二者互不影響。

2.1 設(shè)計(jì)需求

（1）可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和存儲(chǔ)凈化區(qū)域內(nèi)有控制要求的參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；能監(jiān)控、記錄和存儲(chǔ)故障現(xiàn)象、發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間；可以隨時(shí)查看歷史記錄。

（2）信號(hào)采集間隔時(shí)間應(yīng)不超過(guò)1 min，各參數(shù)易于區(qū)別和識(shí)別。

（3）能對(duì)所有故障和控制指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警應(yīng)區(qū)分一般報(bào)警和緊急報(bào)警。

（4）系統(tǒng)具有開(kāi)放性，便于與第三方設(shè)備連接，可以獨(dú)立運(yùn)行或聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行復(fù)雜的控制、監(jiān)視和能源管理功能，也可接入大樓中央控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 正壓區(qū)域設(shè)計(jì)方案

2.2.1 正壓區(qū)域監(jiān)控功能分析

機(jī)組啟?？刂?、送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的啟閉宜連鎖，啟機(jī)順序：送風(fēng)機(jī)→排風(fēng)機(jī)，停機(jī)順序相反。正壓空氣處理機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位主要有以下：新風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AO）；新風(fēng)溫濕度監(jiān)測(cè)（AI）；粗效過(guò)濾器壓差監(jiān)測(cè)（DO）；電極預(yù)熱段啟停控制（DO）及預(yù)熱量調(diào)節(jié)（AO）；混合段新、回風(fēng)比調(diào)節(jié)（三閥聯(lián)動(dòng)：新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥）（AI）；表冷加熱段閥門(mén)調(diào)節(jié)（AO）；表冷段防凍報(bào)警（DI）；風(fēng)機(jī)段的壓力監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）；啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；機(jī)組系統(tǒng)故障報(bào)警（DI）；防火閥與風(fēng)機(jī)連鎖；電極加濕段加濕量調(diào)節(jié)（AO）；電極加熱段啟停控制及調(diào)節(jié)（AO）中效過(guò)濾段壓差報(bào)警（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有5 個(gè)，DI 點(diǎn)共11 個(gè)，AO 點(diǎn)共8 個(gè)，DO 點(diǎn)共5 個(gè)，合計(jì)29 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖1 所示。

圖1 正壓空氣處理機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位

2.2.2 正壓空氣處理機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位說(shuō)明

正壓實(shí)驗(yàn)室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點(diǎn)位主要有以下：電動(dòng)送風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AO）；送風(fēng)溫濕度監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)風(fēng)速監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)管道文丘里閥風(fēng)量調(diào)節(jié)（AO）；管道末端1/3 處的壓力監(jiān)測(cè)（AI）；實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)測(cè)（AI）；實(shí)驗(yàn)室高效過(guò)濾器堵塞報(bào)警監(jiān)測(cè)（DI）；實(shí)驗(yàn)室壓力監(jiān)測(cè)（AI），設(shè)有聲光報(bào)警器（DI）；回風(fēng)風(fēng)道末端1/3處壓力監(jiān)測(cè)（AI）；潔凈室循環(huán)風(fēng)機(jī)的變速控制要以過(guò)濾器前后壓差值來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以保持風(fēng)量一定，使風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與過(guò)濾器的阻力變化相適應(yīng)而節(jié)能；新風(fēng)機(jī)組則以維持潔凈室內(nèi)正壓值恒定，使風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與過(guò)濾器的阻力變化相適應(yīng)而節(jié)能[7]；回風(fēng)管道文丘里閥風(fēng)量調(diào)節(jié)（AO）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有37 個(gè)，DI 點(diǎn)共22 個(gè)，AO 點(diǎn)共19 個(gè)，DO 點(diǎn)共12 個(gè)，合計(jì)90 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖2 所示。

圖2 正壓實(shí)驗(yàn)室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點(diǎn)位

2.2.3 冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)位說(shuō)明

冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控主要有以下：冷凍水供水流量監(jiān)測(cè)（AI）；冷凍水供水溫度監(jiān)測(cè)（AI）；冷凍水回水流量（AI）；冷凍水回水溫度（AI）；冷凍泵1 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟停控制（DO）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；冷凍泵2（備用）變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）；啟停控制（DO）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；模塊機(jī)組故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、啟停控制（DO）、故障反饋（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有8 個(gè)，DI 點(diǎn)共10 個(gè)，AO 點(diǎn)共4 個(gè)，DO 共4 個(gè)，合計(jì)26 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖3 所示。

圖3 冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)位

2.2.4 正壓排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位說(shuō)明

正壓排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位主要有以下：系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；正壓排風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AI）；正壓排風(fēng)機(jī)組過(guò)濾器堵塞報(bào)警（DI）；正壓排風(fēng)機(jī)壓差監(jiān)測(cè)（AI）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有2 個(gè)，DI 點(diǎn)共4 個(gè)，AO 點(diǎn)1 個(gè)，DO 點(diǎn)1 個(gè)，合計(jì)8 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖4 所示。

圖4 正壓排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位

2.3 負(fù)壓區(qū)域設(shè)計(jì)方案

2.3.1 負(fù)壓區(qū)域監(jiān)控功能分析

負(fù)壓區(qū)域：空氣處理機(jī)組監(jiān)控說(shuō)明、房間及送排風(fēng)管道監(jiān)控說(shuō)明、冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控說(shuō)明。由于負(fù)壓和正壓采用同一套冷凍水系統(tǒng)，所以負(fù)壓不再分析冷凍水系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

機(jī)組啟?？刂?、送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的啟閉宜聯(lián)鎖，啟機(jī)順序與正壓相反：排風(fēng)機(jī)→送風(fēng)機(jī)，停機(jī)順序相反。負(fù)壓空氣處理機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位主要有以下：新風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AO）；粗效過(guò)濾器壓差監(jiān)測(cè)（AI）；電極預(yù)熱段啟停控制（DO）及預(yù)熱量調(diào)節(jié)（AO）；混合段新、回風(fēng)比調(diào)節(jié)（三閥聯(lián)動(dòng)：新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥）（AI）；表冷加熱段閥門(mén)調(diào)節(jié)（AO）；表冷段防凍報(bào)警（DI）；風(fēng)機(jī)段的壓力監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)機(jī)1 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；送風(fēng)機(jī)2（備用）變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）機(jī)組系統(tǒng)故障報(bào)警（DI）；防火閥與風(fēng)機(jī)連鎖；電極加濕段加濕量調(diào)節(jié)（AO）；電極加熱段啟停控制及調(diào)節(jié)（AO）中效過(guò)濾段壓差報(bào)警（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有4 個(gè)，DI 點(diǎn)共158 個(gè)，AO 點(diǎn)共7 個(gè)，DO 點(diǎn)共6 個(gè)，合計(jì)32 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖5 所示。

圖5 負(fù)壓空氣處理機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位

2.3.2 負(fù)壓房間及送排風(fēng)管道監(jiān)控點(diǎn)位說(shuō)明

負(fù)壓實(shí)驗(yàn)室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點(diǎn)位主要有以下：電動(dòng)送風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AO）；送風(fēng)溫濕度監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)風(fēng)速監(jiān)測(cè)（AI）；送風(fēng)管道文丘里閥風(fēng)量調(diào)節(jié)（AO）；管道末端1/3 處的壓力監(jiān)測(cè)（AI）；實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)測(cè)（AI）；實(shí)驗(yàn)室高效過(guò)濾器堵塞報(bào)警監(jiān)測(cè)（DI）；實(shí)驗(yàn)室壓力監(jiān)測(cè)（AI），設(shè)有聲光報(bào)警器（DI）；生物安全柜等排風(fēng)設(shè)備時(shí)，根據(jù)房間風(fēng)量要求調(diào)節(jié)排風(fēng)的風(fēng)量以保證室內(nèi)壓力平衡（AI）；排風(fēng)管道末端1/3 處壓力監(jiān)測(cè)（AI）；排風(fēng)管道文丘里閥風(fēng)量調(diào)節(jié)（AO）。根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有13 個(gè)，DI點(diǎn)共10 個(gè)，AO 點(diǎn)共5 個(gè)，DO 點(diǎn)共4 個(gè)，合計(jì)32 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖6 所示。

圖6 負(fù)壓房間及送排風(fēng)管道監(jiān)控點(diǎn)位

2.3.3 排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位說(shuō)明

負(fù)壓排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位主要有：負(fù)壓排風(fēng)機(jī)1 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；負(fù)壓排風(fēng)機(jī)2 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報(bào)警（DI）、運(yùn)行狀態(tài)（DI）、手自動(dòng)切換（DI）；負(fù)壓排風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)（AI）負(fù)壓排風(fēng)機(jī)組過(guò)濾器堵塞報(bào)警（DI）；負(fù)壓排風(fēng)機(jī)壓差監(jiān)測(cè)（AI）；根據(jù)以上監(jiān)控點(diǎn)位，其中AI 點(diǎn)共有3 個(gè)，DI 點(diǎn)冬7 個(gè)，AO 點(diǎn)共3 個(gè)，DO 點(diǎn)共2 個(gè)，合計(jì)15 個(gè)點(diǎn)位。繪制監(jiān)控點(diǎn)位如圖7 所示。

圖7 排風(fēng)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)位

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室功能特點(diǎn)及需求，分析并計(jì)算出實(shí)驗(yàn)室總的冷負(fù)荷為34 796 W，熱負(fù)荷為7051 W，濕負(fù)荷為510 g/h，從而計(jì)算出送風(fēng)量，根據(jù)總負(fù)荷、總風(fēng)量和管網(wǎng)計(jì)算，選擇空氣處理機(jī)組。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)和被控參數(shù)的需求，設(shè)計(jì)了基于DDC 系統(tǒng)的監(jiān)控原理、監(jiān)控邏輯和操作界面，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制室內(nèi)環(huán)境達(dá)到潔凈室內(nèi)各個(gè)房間的空氣潔凈度等級(jí)和環(huán)境要求。