實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

王強(qiáng)

摘 要 基于分析實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜的工作原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的暖通相關(guān)設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)討論了VAV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制邏輯，及其對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全性、功能性的重要性。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng);通風(fēng)柜;VAV;房間壓力控制

前言

在對(duì)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(duì)研發(fā)中心的投入，而實(shí)驗(yàn)室作為研發(fā)中心的核心區(qū)域，承擔(dān)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(cái)富，如何讓他們?cè)谔幚砘瘜W(xué)品實(shí)驗(yàn)的時(shí)候確保他們的健康安全，以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，其中暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵。

在實(shí)驗(yàn)室，暖通系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，包括溫濕度，房間正負(fù)壓，有害物質(zhì)的及時(shí)排放，而通風(fēng)柜則負(fù)責(zé)將有害物質(zhì)集中起來，如何將兩者有機(jī)結(jié)合，讓兩者能夠完美契合的工作，則是暖通設(shè)計(jì)需要努力的方向，而通風(fēng)作為暖通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備結(jié)合地更加緊密，本文重點(diǎn)探討通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要想做好實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)系統(tǒng)，除了基本的通風(fēng)專業(yè)知識(shí)，還要熟悉通風(fēng)柜的工作原理，以及最終如何通過合理的自控邏輯來實(shí)現(xiàn)我們想要的結(jié)果，這三個(gè)因素環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)的成敗起到了決定性的作用。下面對(duì)這三個(gè)因素逐個(gè)進(jìn)行剖析。

1通風(fēng)柜的類型和工作特點(diǎn)

市場(chǎng)上存在著三種類型的通風(fēng)柜，分別是定風(fēng)量型、補(bǔ)風(fēng)型以及變風(fēng)量型通風(fēng)柜。這三種類型的通風(fēng)柜，雖然都能起到保護(hù)實(shí)驗(yàn)室人員安全的作用，但依然有著各自的特點(diǎn)，從最初的定風(fēng)量通風(fēng)柜發(fā)展到變風(fēng)量通風(fēng)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(jì)，變風(fēng)量通風(fēng)柜已經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)上的絕對(duì)份額。

面風(fēng)速?zèng)Q定了通風(fēng)柜柜門處的氣流處于負(fù)壓狀態(tài)，確保有害氣體無法溢漏出通風(fēng)柜，從而保證使用者的安全，允許的面風(fēng)速在許多關(guān)于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定，例如SAMA標(biāo)準(zhǔn)LP-10-1980中規(guī)定0.5m/s為安全操作的理想面風(fēng)速，對(duì)于不同的化學(xué)物品和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，一般推薦面風(fēng)速的范圍為0.3～0.6m/s，在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行中，我們一般取0.5m/s。因?yàn)楣耖T的開啟會(huì)影響到風(fēng)量的變化，為了要保證柜門面風(fēng)速，監(jiān)測(cè)通風(fēng)柜的柜門開啟則變成了必須，因此在探究通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，有必要首先分析一下變風(fēng)量通風(fēng)柜的工作原理。

目前監(jiān)測(cè)變風(fēng)量通風(fēng)柜開度的方法有兩種：

（1）面風(fēng)速法：通風(fēng)柜入口邊緣處安裝風(fēng)速傳感器，用來測(cè)風(fēng)速，然后通過傳感器將信號(hào)傳送到配套的控制器，控制器接到信號(hào)之后通過比較和計(jì)算得到所需的排風(fēng)量，進(jìn)而通過改變風(fēng)機(jī)頻率或控制風(fēng)閥開度來調(diào)整排風(fēng)量，最終使通風(fēng)柜的面風(fēng)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(cè)得柜門開度并傳輸給控制器，控制器再通過計(jì)算得出所需風(fēng)量，然后通過實(shí)時(shí)改變風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)排風(fēng)量，最終使面風(fēng)速控制在設(shè)定值。

柜門開度的檢測(cè)原理看似簡(jiǎn)單，但是它卻是整個(gè)通風(fēng)自控系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)源地，而且整個(gè)通風(fēng)設(shè)備參數(shù)的確定，都需要以變風(fēng)量通風(fēng)柜的排風(fēng)需求和實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)使用率為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，合理的考慮同時(shí)使用率以及單臺(tái)通風(fēng)柜的風(fēng)量可以有效降低初投資，在后續(xù)實(shí)際運(yùn)行中，讓通風(fēng)設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)點(diǎn)保持高效率運(yùn)行，同樣可以減少運(yùn)行成本，節(jié)能環(huán)保是一個(gè)永遠(yuǎn)的主題，所以作為能耗大戶，暖通工程師應(yīng)該自覺承擔(dān)起這個(gè)責(zé)任。

從上述的工作原理可以得知，變風(fēng)量通風(fēng)柜的排風(fēng)量會(huì)根據(jù)使用情況進(jìn)行調(diào)整，因此，決定了變風(fēng)量的通風(fēng)系統(tǒng)將是必需的選擇，而除了變風(fēng)量通風(fēng)柜的使用需求之外，變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)也的確具有眾多優(yōu)點(diǎn)：①當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)量減少的時(shí)候，可以相應(yīng)減少送風(fēng)量，尤其是新風(fēng)量，這樣可以節(jié)約能耗成本;②應(yīng)用同時(shí)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(jì);③實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備通常會(huì)有更新的情況出現(xiàn)，壓力無關(guān)性的變風(fēng)量控制器可以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)的變化，排風(fēng)管路壓力的變化并不會(huì)影響到控制閥的運(yùn)行，所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行再平衡即可，而不需要對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)再次進(jìn)行風(fēng)平衡調(diào)節(jié)，讓實(shí)驗(yàn)室的局部改造變得更加簡(jiǎn)單[1]。

2通風(fēng)系統(tǒng)的理論計(jì)算

理解了通風(fēng)柜的工作原理，確定了變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)，接下來就是要對(duì)暖通設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。由于實(shí)驗(yàn)室有一些有害氣體排放，為了防止氣體溢出到其他非實(shí)驗(yàn)室區(qū)域，所以要求實(shí)驗(yàn)室必須處于負(fù)壓狀態(tài)，因此，詳細(xì)準(zhǔn)確的風(fēng)量平衡計(jì)算是必需的，通常確定室內(nèi)風(fēng)量平衡的步驟有：

（1）整理出實(shí)驗(yàn)室中的通風(fēng)設(shè)備，比如通風(fēng)柜、萬象排氣罩、藥品儲(chǔ)藏柜等。根據(jù)這些通風(fēng)設(shè)備的尺寸和工藝要求，計(jì)算他們的排風(fēng)量范圍。比如通風(fēng)柜，每個(gè)通風(fēng)柜必須有最小排風(fēng)量，以確保在柜門拉至最小時(shí)，柜子里的氣體依然可以進(jìn)行排放稀釋，防止?jié)舛确e累過高導(dǎo)致操作人員再次開啟柜門時(shí)發(fā)生氣體逸漏從而造成危險(xiǎn)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)一般為250m3/h，而當(dāng)通風(fēng)柜的柜門開啟到正常高度時(shí)，對(duì)于1500mm寬度的通風(fēng)柜，在保證面風(fēng)速0.5m/s的情況下排風(fēng)量折算為1600m3/h。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的面積和換氣次數(shù)等通風(fēng)指標(biāo)計(jì)算最小排風(fēng)量。房間換氣次數(shù)的指標(biāo)，有人占用的實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)通常按照6～8次/h考慮，無人占用時(shí)比如夜間，則可以減少至2～4次/h。如果通風(fēng)設(shè)備在最小排風(fēng)狀態(tài)時(shí)的總排風(fēng)量比按照通風(fēng)指標(biāo)計(jì)算的最小排風(fēng)量還要小，則必須配置室內(nèi)輔助排風(fēng)閥補(bǔ)充排風(fēng)量，使得在正常工況下，總排風(fēng)量能滿足換氣次數(shù)的要求。

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

（4）確定變風(fēng)量閥的風(fēng)量范圍和要求，列入設(shè)備規(guī)格表。

按照上述4個(gè)步驟，假設(shè)20m2的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，里面包含1臺(tái)1500mm的通風(fēng)柜，1個(gè)萬象排氣罩，套用我們上述的步驟作室內(nèi)風(fēng)量平衡計(jì)算：

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

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的面積20m2，層高2.8米，通風(fēng)換氣次數(shù)8次/h，計(jì)算出室內(nèi)最小排風(fēng)量448m3/h。當(dāng)通風(fēng)柜在最小排風(fēng)狀態(tài)時(shí)的總排風(fēng)量是250+150= 400m3/h，比按照通風(fēng)指標(biāo)計(jì)算的最小排風(fēng)量448m3/h小，需另外配置一個(gè)室內(nèi)輔助排風(fēng)閥，使得在正常工況下，總排風(fēng)量是滿足室內(nèi)換氣次數(shù)要求。

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

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

依靠這4個(gè)步驟，將實(shí)驗(yàn)室的房間逐個(gè)統(tǒng)計(jì)，然后考慮同使用率進(jìn)行設(shè)備選型，就可以得出整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量、送風(fēng)量以及控制閥的數(shù)量及參數(shù)，從而確定了整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的所有關(guān)鍵要素[2]。

3變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)中房間壓力的控制原理

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室來說，壓力控制決定了實(shí)驗(yàn)室的安全等級(jí)，對(duì)壓力的控制就只能通過控制送排風(fēng)量來完成。在研發(fā)人員實(shí)際使用中，實(shí)驗(yàn)室的情況會(huì)不斷地出現(xiàn)變化，那么就需要相應(yīng)調(diào)整送排風(fēng)量來控制房間室內(nèi)外壓差，然后再進(jìn)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?wù)通風(fēng)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(fēng)和排風(fēng)閥門，來保持實(shí)驗(yàn)室與相鄰區(qū)域的壓差穩(wěn)定?？刂破鲗?huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)相鄰區(qū)域的壓力傳感器直接測(cè)得壓差數(shù)據(jù)，然后采集壓差信號(hào)并將其與原先設(shè)定的壓差值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之間的差值來調(diào)節(jié)送排風(fēng)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(shí)驗(yàn)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(duì)簡(jiǎn)單，但是在我們實(shí)際的項(xiàng)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(duì)房間的密閉性要求非常，隔墻是否到結(jié)構(gòu)頂、機(jī)電管線穿隔墻的密封是否嚴(yán)密，都將影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，因此房間壓力要求高，密閉性好的實(shí)驗(yàn)室，將會(huì)更加適應(yīng)這種控制系統(tǒng)。

3.2 流量跟蹤控制

流量跟蹤控制設(shè)計(jì)是利用風(fēng)量傳感器測(cè)得的送風(fēng)量和排風(fēng)量，利用控制器對(duì)房間的送排風(fēng)量進(jìn)行采集并做比較，使得送排風(fēng)量的差值保持恒定，從而實(shí)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(duì)象是風(fēng)量值，必須測(cè)量所有送、排風(fēng)管道的風(fēng)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?yàn)殚T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(fēng)量和排風(fēng)量依然不會(huì)改變，兩者之間的差值依然也是固定值，從而使實(shí)驗(yàn)室依然保持負(fù)壓。

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

在實(shí)際案例中，流量跟蹤控制系統(tǒng)被更多的選用來控制實(shí)驗(yàn)室的壓力，一方面，是因?yàn)樗惋L(fēng)量和排風(fēng)量數(shù)值更加容易預(yù)測(cè)和計(jì)算，另一方面，即使房間門打開的情況下，房間送風(fēng)量和排風(fēng)量不變，負(fù)壓依然存在，對(duì)人員健康依然有保障[3]。

4結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 趙敏華，沈晉明.VAV在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)中的應(yīng)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(shí)驗(yàn)室通風(fēng)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(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室暖通控制的探討[J].機(jī)電信息，2014（23）：32-35.