變頻器在生物安全二級實驗室通風系統(tǒng)中的節(jié)能應用*

李雪柏 谷 鑫 王曉雪 郭曉敏 譚吉賓*

近年來，隨著我國在醫(yī)療衛(wèi)生和生物科學研究等技術的不斷提高，安全可靠且智能節(jié)能的生物實驗室隨之建立，而實驗室通風系統(tǒng)是否穩(wěn)定直接影響著實驗人員的安全及生物實驗成果的正確性。在生物實驗室通風系統(tǒng)中，應用變頻器是為了智能控制通風系統(tǒng)中送排風電機的轉速，以達到調速和節(jié)能，為此，分析生物安全二級實驗室(bio-safety level laboratory-2，BSL-2)通風系統(tǒng)的結構和通風要求，并針對變頻器在BSL-2中的節(jié)能應用效果進行分析，闡述變頻器在BSL-2通風系統(tǒng)中的節(jié)能應用。

1 BSL-2通風系統(tǒng)

1.1 生物安全實驗室

生物安全實驗室經過實驗室初期設計、實驗室內部設備的配備以及人員防護裝備的使用，通過標準化操作程序和管理規(guī)范等綜合措施的嚴格制定，以確保工作人員操作生物因子時不受實驗對象傷害，且實驗室不會污染周圍環(huán)境。生物安全防護水平分級根據對所操作生物因子采取的防護措施分為一級、二級、三級和四級，其中一級防護水平最低，四級最高[1]。

1.2 通風系統(tǒng)結構

BSL-2通風系統(tǒng)設備主要由預冷單元機組、空調箱、風機盤管以及排風機等組成，其在日常使用中均保證必要的新風和排風，尤其在某些特殊實驗室內，還需要根據其特殊需求對溫度、相對濕度和新風循環(huán)控制。BLS-2的空調通風系統(tǒng)設計主要包括實驗室辦公區(qū)空調通風設計和實驗區(qū)的通風防護設計等。新風風機抽取室外新風送入預冷空調箱進行新風預處理，之后新風進入風機盤管，過濾單元進入建筑內新風管道，而后送往各實驗室、走廊以及地下等新風應用單元。BLS-2新風進風管道布局見圖1。

新風由新風機組并經過預冷處理后送入實驗室各區(qū)域，并經過空調箱抽取室內空氣和部分新風以控制出風溫度和風量維持室內溫度，將室內污濁的空氣排除，保證實驗室內空氣的潔凈度及溫度。BLS-2內通風系統(tǒng)布局見圖2。

2 BSL-2通風要求

2.1 設計規(guī)范

圖1 BSL-2新風進風管道布局示圖

圖2 BSL-2內通風系統(tǒng)布局示圖

在生物安全實驗室設計中，應先進行危險性評估、實驗室操作程序、初級防護、二級防護以及實驗室操作體系與維護執(zhí)行五項工作進行確認和論證后才可實施，其中二級防護是為了進一步加強對操作者、容納初級防護的實驗室空間及臨近空間考量值(通常指空間、表明材質及定向氣流等方面)的防護，參考上述設計規(guī)范，通風系統(tǒng)是生物安全實驗室中重要的組成。

2.2 通風系統(tǒng)要求

生物安全實驗室區(qū)別于一般建筑，對通風系統(tǒng)有著多層次要求，BSL-2中通風系統(tǒng)的要求包括四個方面：①通風設備。實驗室新風必須設置高效率空氣過濾器(high efficiency particulate air filter，HEPA)，各通風設備必須進行半年度的點檢，項目包括風速、風量、壓力實驗、密閉度實驗以及HEPA性能實驗，在部分要求較高的BSL-2中還應對溫度、相對濕度、潔凈度及進排氣系統(tǒng)有著更高的要求；②溫度和相對濕度。BSL-2內溫度為(21±2)℃，相對濕度為(60±10)%，在BSL-2內操作時必須穿著防護衣；③潔凈度。潔凈度是通過控制實驗室新風系統(tǒng)的換氣次數來實現；④進排氣系統(tǒng)。進排氣系統(tǒng)須采用互鎖設置，防止排氣失效時造成室內正壓，排氣系統(tǒng)必須設置備用系統(tǒng)，還應設置排氣異常報警設計，同時進排氣皆須設置HEPA單元，且進氣HEPA須設置于天花板上[2-3]。

3 變頻器在BSL-2實驗室中的應用

3.1 變頻器概要

變頻器是通過電機工作電源頻率變化來控制交流電動機的電力控制設備，其依附自身內部絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的開路斷路對輸出電源的電壓和頻率進行調整，為電機實際所需電源電壓提供相應的供給，從而達到節(jié)能和調速目的。變頻器應用在風機和水泵上的節(jié)能表現效果尤為突出[4]。電機設備的轉速和輸入頻率成正比，因此更改、調節(jié)設備的頻率即可調節(jié)電機(風機)的轉速，進而對通風系統(tǒng)進行調節(jié)。變頻器工作原理見圖3。

圖3 變頻器工作原理示圖

圖4 變頻風機主回路原理示圖

除轉速以外，使用變頻器還可以在一定程度上實現軟啟動。擋板和閥門的損害來自于電機直啟時產生的大電流和震動，同時設備和管路的使用壽命也會極大降低。但通過變頻器的軟啟動功能可將啟動時的電流從零開始平穩(wěn)上升，減輕對電網的電流沖擊和對供電容量的要求。因此在對舊設備進行升級改造和新項目立項時，均會以此進行控制系統(tǒng)的設計。

3.2 系統(tǒng)應用

變頻器在BSL-2中的應用。BSL-2通風系統(tǒng)的單元主要為新風風機、空調箱、通風管道以及排風機組，其中風機機組的控制皆可使用變頻器控制的方式進行工作，在風機電機的電源入線側設置變頻器設備，將變頻器設備的電源出線作為風機電機的電源入線，并按照規(guī)范進行接地處理，完成拖動系統(tǒng)的主回路搭建。作為控制需要，在變頻器各接線端子上引入控制信號線，搭建控制回路，多臺機組同時設置時，為避免設備間的電磁干擾，應選擇合適的電抗器。變頻風機主回路原理見圖4。

3.3 通風控制系統(tǒng)

通風系統(tǒng)中的主要執(zhí)行部分為風機，主要用于空調機組、新風機組和排風機組，BSL-2的使用情況也相同，直啟時電機常年運轉會存在燒機、停轉以及無法運轉等情況，為解決此類問題和隱患，電機啟動方式由直接啟動變更為變頻啟動，并對傳統(tǒng)的通風回路進行改造。在各實驗室新風入口、排風出口分別設置壓力傳感器，對新風、排風狀況進行實時檢測，各壓力傳感器采集的數據傳送給控制器進行處理，當實際值和設定值相符時，新風、排風風機即按照現狀的頻率運行，當出現壓力偏差時，調節(jié)新風變頻器，排風變頻器來調整設備的轉速，進而調節(jié)壓力。變頻風機控制系統(tǒng)結構見圖5。

圖5 變頻風機控制系統(tǒng)結構示圖

3.4 變頻控制原理

(1)硬件組成。變頻器及電機在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，而系統(tǒng)中還包括控制元件、測量元件及傳輸轉換元件等?？刂葡到y(tǒng)元件見表1。

表1 控制系統(tǒng)元件表

(2)工作流程。系統(tǒng)開始工作后，壓力傳感器不間斷地對系統(tǒng)中壓力數據進行采集，并周期性地發(fā)送到控制器，在控制器內對接收的數據進行比較處理，當實際值>設定值時，控制器控制變頻器的輸出，降低頻率進而調整壓力；當實際值＜設定值時，調整動作相反，控制器增大變頻器的輸出頻率；當實際值和設定值的偏差在允許范圍內時，判斷其相等，可不做調整。系統(tǒng)工作流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

4 BSL-2變頻應用節(jié)能效果分析

BSL-2通風系統(tǒng)進行變頻控制改造后，其日常的使用效率、維護效率均得到有效提高，同時對負載優(yōu)化及節(jié)能也做出了貢獻。

(1)風量調節(jié)。傳統(tǒng)的調節(jié)方式需到現場進行手動調整風閥，而自動控制的方式可根據壓力自動調節(jié)，有效保證實驗室連續(xù)、穩(wěn)定的運行，使風量的調節(jié)變得簡單。

(2)變頻器設備保護功能完善。對過壓、欠壓以及過流等故障反應快速，避免設備在異常條件下運轉，能極大提高設備使用壽命，根據非電子零部件進行可靠分析，其電刷故障為32%、潤滑故障為31%、開路短路為14%、換向器故障為12%以及轉子開路短路故障為11%，其中變頻器可有效檢知開路和短路故障，消除因此類故障造成的電機損壞，可將電機故障率降低14%。

(3)低負載時可以降低變頻器的輸出并減少能耗。由于風機為二次方負載，根據風機的工作特性，其軸功率和轉速的三次方成正比，其計算為公式1：

現場電機按照5 kW進行計算，當頻率由工頻P1=50 Hz降至P2=45 Hz時，P2=P1×(f2)3÷(f1)3=3.65 kW，則單臺電機節(jié)能為P1-P2=1.35 kW，為原耗能的27.1%。則年節(jié)能量為(設備按照全年運行進行計算)：P3=5(kW)×24(h)×30(d)×12(m)×0.271=117 07.2 kW。若1 kW·h電按照K=0.5元進行計算，則年節(jié)能費用為：P3×K=5853.6(元)，即1臺5 kW設備，以45 Hz運行時全年可節(jié)省費用5 853.6元，而BSL-2便使用多臺風機，其成本節(jié)約效果明顯[5-9]。

5 結論

BSL-2采用變頻控制方式，將通風系統(tǒng)效率控制在較理想的范圍內，極大降低了風機能耗，改善了風機的啟動性能，有效地延長了風機的使用壽命，且運行可靠，減少了使用和維護費用。但是BSL-2作為有一定風險的生物操作實驗室，除了輔助安全設備，實驗室還必須在核心設備的操作規(guī)范、實驗室的操作規(guī)程上制定嚴格的標準，同時還應制定完善的風險預防措施，才能高效地發(fā)揮BSL-2的作用。