實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

張 煒，譚 瑩，符躍明，師 冰

（云南省藥物研究所，云南 昆明 650111）

0 引言

生物實(shí)驗(yàn)室，是進(jìn)行與生命科學(xué)相關(guān)的生物實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，由于生物科學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)往往對(duì)質(zhì)量控制具有嚴(yán)格的要求，因此對(duì)恒溫恒濕負(fù)壓的實(shí)驗(yàn)需求也越來越大，這無(wú)疑給生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高要求[1]?；谏飳?shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室本身的用途，在其日常運(yùn)作的過程中難免會(huì)有危害性物質(zhì)的產(chǎn)生，在平時(shí)暖通空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)作之時(shí)這些危害性物質(zhì)一般不會(huì)產(chǎn)生危害，但一旦暖通空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則因危害性物質(zhì)導(dǎo)致生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部控制參數(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，重則更可能發(fā)生危害性物質(zhì)外泄，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)從業(yè)者及實(shí)驗(yàn)室周邊居民的健康乃至生命安全造成危害。為了避免這種情況的發(fā)生，保障暖通空調(diào)系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)正是在對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的要點(diǎn)所在。

1 實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)系統(tǒng)常見問題闡述

暖通空調(diào)系統(tǒng)是具有控溫、控濕通風(fēng)以及空氣調(diào)節(jié)幾大功能，一般而言，暖通空調(diào)系統(tǒng)會(huì)由三大部分構(gòu)成：①送風(fēng)系統(tǒng)，即通過新風(fēng)機(jī)凈化室外空氣并引入室內(nèi)的系統(tǒng)；②壓差系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)的壓力進(jìn)行感應(yīng)并對(duì)系統(tǒng)的氣流組織行為作出合理調(diào)度；③排風(fēng)系統(tǒng)，即室內(nèi)空氣排出的系統(tǒng)[2]。由于生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室往往要求恒溫、恒濕、負(fù)壓，以此大多暖通空調(diào)系統(tǒng)是采用常年運(yùn)作模式，而隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，系統(tǒng)本身產(chǎn)生故障是不可避免的事情。通過對(duì)國(guó)內(nèi)幾處生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因主要包括以下兩個(gè)方面。

1.1 送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)問題

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)一般合成“風(fēng)系統(tǒng)”，在生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中，送風(fēng)系統(tǒng)是確保整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)作的根本，而排風(fēng)系統(tǒng)則是通過排風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻排風(fēng)的一類系統(tǒng)，這二者的正常運(yùn)作都能夠?yàn)榫S持生物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定向氣流（負(fù)壓）[3]。一旦送風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，則可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)負(fù)壓不穩(wěn)，對(duì)工作人員的健康及生命安全帶來危害；而一旦排風(fēng)機(jī)發(fā)生障礙，則會(huì)出現(xiàn)停機(jī)問題，則整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，一旦故障發(fā)生，使用方需要確保暖通空調(diào)系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)作，這一點(diǎn)比較難實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致其難以實(shí)現(xiàn)的問題主要包括以下3 個(gè)方面：①送排風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，死角相對(duì)較大，生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室要求氣流從清潔區(qū)流向污染區(qū)，一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有失合理，該過程將無(wú)法實(shí)現(xiàn)；②排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合規(guī)范，許多生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室所采用的是高空排放，并不增設(shè)高效過濾器，這無(wú)疑會(huì)對(duì)環(huán)境帶來一定傷害，同時(shí)許多生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)管的風(fēng)速達(dá)不到規(guī)范，排風(fēng)阻力較大，室內(nèi)的負(fù)壓難以得到保障；③備用排風(fēng)機(jī)不到位，為保證實(shí)驗(yàn)室在任何情況下都能夠保持負(fù)壓，生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)系統(tǒng)要設(shè)置備用排風(fēng)機(jī)，一旦故障發(fā)生則緊急啟用備用排風(fēng)機(jī)以保持負(fù)壓，但目前很多使用單位都沒有設(shè)置[4]。

1.2 壓差系統(tǒng)問題

壓差傳感器在實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中主要承擔(dān)的是傳遞信號(hào)的功能，一旦傳感器失靈，則會(huì)導(dǎo)致傳遞的信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這樣系統(tǒng)在運(yùn)行的過程當(dāng)中，就會(huì)與系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的程序相背離[5]。但在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際設(shè)計(jì)中，傳感器的響應(yīng)特性是很容易被忽略的，這種響應(yīng)特性一旦被忽略，直接會(huì)導(dǎo)致其調(diào)試結(jié)果的設(shè)計(jì)值出現(xiàn)問題，信號(hào)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的事故。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際故障案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在該類實(shí)驗(yàn)室所應(yīng)用的系統(tǒng)中，傳感器所發(fā)生的故障大多是由電氣故障引發(fā)，還有小部分故障是由于機(jī)械故障以及管路、開關(guān)故障引發(fā)，而在電氣故障中，有超過80%的故障是由于控制主板損壞引發(fā)。傳感器實(shí)際發(fā)生的故障主要包括三類：①?zèng)]有信號(hào)。②產(chǎn)生高頻噪聲。③發(fā)生慢漂移。

通過對(duì)問題進(jìn)行闡述分析，可以針對(duì)相關(guān)問題做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)需要以實(shí)驗(yàn)室本身的實(shí)際需求為主，不可一概而論，但是對(duì)一定的生物實(shí)驗(yàn)室類型進(jìn)行討論仍然可為相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)提供借鑒。為了對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，本文將選擇P3 級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室中的PLC 暖通空調(diào)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，一方面針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的各類故障提出相應(yīng)的解決方案，一方面優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、避免復(fù)雜布局。經(jīng)過統(tǒng)籌分析，生物實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 排風(fēng)系統(tǒng)停機(jī)故障防范設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室的所有故障中，最“致命”的故障當(dāng)屬排風(fēng)機(jī)停機(jī)，一旦排風(fēng)機(jī)停機(jī)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的負(fù)壓難以維持。針對(duì)排風(fēng)機(jī)停機(jī)的問題，目前生物實(shí)驗(yàn)室中比較常見的問題主要包括在排風(fēng)機(jī)停機(jī)或停機(jī)前暖通空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)并不存在正壓或者補(bǔ)救的措施，同時(shí)問題發(fā)生的同時(shí)也沒有向系統(tǒng)中央控制中心發(fā)出故障信號(hào)，系統(tǒng)往往難以對(duì)故障做出及時(shí)反應(yīng)。針對(duì)這種狀況，一方面設(shè)計(jì)方可以利用局域網(wǎng)設(shè)備與排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)作狀況，一旦停機(jī)故障發(fā)生，若排風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法向中央控制系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)，局域網(wǎng)系統(tǒng)也能夠及時(shí)發(fā)出信號(hào)，為排風(fēng)系統(tǒng)提供雙重保障。

2.1.1 風(fēng)量傳感器優(yōu)化

風(fēng)量傳感器即對(duì)排風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)的一類傳感器設(shè)備，它的靈敏度與停機(jī)故障的檢測(cè)與報(bào)告速度存有直接關(guān)聯(lián)，因此對(duì)風(fēng)量傳感器進(jìn)行優(yōu)化、增強(qiáng)其靈敏度正是對(duì)排風(fēng)系統(tǒng)停機(jī)故障進(jìn)行防范的最有效措施。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，設(shè)計(jì)方在生物實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)可以適當(dāng)調(diào)高排風(fēng)系統(tǒng)停機(jī)故障的排風(fēng)量并將風(fēng)量傳感器設(shè)置在排風(fēng)總管上等。

2.1.2 電動(dòng)蝶閥的優(yōu)化

電動(dòng)蝶閥設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)“完全關(guān)斷”，也就是在排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)故障后對(duì)系統(tǒng)送風(fēng)實(shí)施切斷，延緩正壓的發(fā)生時(shí)間，為后續(xù)的防范補(bǔ)救措施提供可能性。為了確保電動(dòng)蝶閥的有效性，蝶閥本身的響應(yīng)速度應(yīng)該嚴(yán)格控制在2s 之內(nèi)。

2.2 針對(duì)停機(jī)故障發(fā)生后暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作的設(shè)計(jì)

一般而言，可秉承以下設(shè)計(jì)原則：①為確保氣流能夠從清潔區(qū)流向污染區(qū)，必須降低送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)死角，設(shè)計(jì)室內(nèi)送風(fēng)口、排風(fēng)口的位置氣流停止空間降至最低，且室內(nèi)排風(fēng)口應(yīng)當(dāng)設(shè)置于最危險(xiǎn)的區(qū)域，采取單側(cè)布置形式，排除一切障礙。②確保排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合乎規(guī)范，在排風(fēng)系統(tǒng)中增設(shè)高效過濾器，選擇合適的排風(fēng)系統(tǒng)，一方面保證排放量達(dá)到要求數(shù)值，另一方面有效降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗以及噪音。③在生物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置備用排風(fēng)機(jī)及UPS 電源，一旦停機(jī)故障發(fā)生，立刻切換至備用排風(fēng)機(jī)及UPS 電源，嚴(yán)格控制負(fù)壓。④控制壓差，按照《生物實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)規(guī)范》，將生物實(shí)驗(yàn)主實(shí)驗(yàn)室與相鄰?fù)忾g的壓力控制在-10～20Pa 區(qū)域內(nèi)，確保相對(duì)大氣的最小負(fù)壓大于等于-30Pa。

2.3 傳感器故障防范設(shè)計(jì)

前文已對(duì)傳感器發(fā)生故障多是因?yàn)殡姎夤收弦l(fā)，還有小部分故障是由于機(jī)械故障以及管路、開關(guān)故障引發(fā)，而針對(duì)該類傳感器故障問題，解決方案相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方可以在生物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)同時(shí)加裝幾個(gè)傳感器。相比起其余方面的故障，傳感器發(fā)生故障的概率相對(duì)較低，而幾個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)生故障的概率更幾近為零。針對(duì)傳感器發(fā)生的三類故障——沒有信號(hào)、產(chǎn)生高頻噪聲以及發(fā)生慢漂移，沒有信號(hào)故障一般依靠傳感器的值進(jìn)行檢測(cè)；產(chǎn)生高頻噪聲故障一般通過過濾器方法進(jìn)行檢測(cè)；發(fā)生慢漂移故障則比較復(fù)雜，這種故障比較難發(fā)現(xiàn)，在故障發(fā)生后傳感器的輸出特征與無(wú)障礙發(fā)生時(shí)的輸出特征幾乎毫無(wú)差別，因此需要借助SCOM方法。SCOM 方法可以通過數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)，舉例而言，可以設(shè)想生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)有n個(gè)傳感器，而x1，x2，x3，…，xn分別為此n 個(gè)傳感器的參數(shù)，根據(jù)暖通空調(diào)系統(tǒng)的特征，可以確定這些參數(shù)的關(guān)系如式（1）所示。

此公式因?yàn)橐獙?duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，所以它就必須具備完整性，也就是在公式中，每一個(gè)參數(shù)都必須在其中出現(xiàn)一次或兩次，如果達(dá)不到這個(gè)要求，那么這個(gè)傳感器就確定有故障發(fā)生。在生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的暖通空調(diào)系統(tǒng)中，測(cè)量之間的關(guān)系式?jīng)Q定著SCOM 方法是否可靠，以此全面地描述測(cè)量變量之間的關(guān)系就十分重要。通過實(shí)際研究可以得知，損壞傳感器的具體位置是決定SCOM 的是否可靠的關(guān)鍵依據(jù)。舉例來說，假如傳感器的確出現(xiàn)了慢漂移，而漂移量在5Pa 左右，傳感器故障發(fā)現(xiàn)率則不足35%；如果漂移量為8Pa，那么傳感器故障的發(fā)現(xiàn)率就能夠達(dá)到100%。因此，通過這種方法能夠更為迅速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)中傳感器存在的故障，從而及時(shí)對(duì)其采取更換措施。

2.4 其他設(shè)計(jì)

2.4.1 室內(nèi)溫度、濕度

在對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)可以設(shè)置溫、濕度信號(hào)傳感器，以溫度信號(hào)為優(yōu)先對(duì)冷熱水的電動(dòng)雙通閥以及加濕電動(dòng)雙通閥的開度做出控制，以此確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的濕度能夠控制在一個(gè)合理的區(qū)間之內(nèi)并保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4.2 防火閥的關(guān)閉

災(zāi)害類問題也是暖通空調(diào)系統(tǒng)需要統(tǒng)籌考慮的重點(diǎn)，可以在主風(fēng)道內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)主風(fēng)道內(nèi)溫度達(dá)到70℃，則確保防火閥能夠自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)會(huì)將火災(zāi)信號(hào)自動(dòng)發(fā)送給消防部門與消防中心。與此同時(shí)，在信號(hào)自動(dòng)發(fā)出后，送風(fēng)機(jī)以及排風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)關(guān)閉。

2.4.3 送風(fēng)系統(tǒng)其余設(shè)計(jì)

在送風(fēng)系統(tǒng)的空氣凈化系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)至少設(shè)計(jì)三級(jí)過濾，即粗、中、高三級(jí)過濾，且這三級(jí)過濾應(yīng)當(dāng)符合以下規(guī)定：①一級(jí)過濾為初過濾器，一般設(shè)置在空調(diào)箱；②二級(jí)為中效過濾器，一般設(shè)置在空氣處理機(jī)組的正壓段中；③三級(jí)為高過濾器，切忌設(shè)置在空調(diào)箱內(nèi)，而應(yīng)當(dāng)設(shè)置在系統(tǒng)末段；④表冷器前需要設(shè)置中效過濾器以作保護(hù)。除此之外，送風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)口也需要嚴(yán)格依照規(guī)范設(shè)置，其原則包括但并不僅僅限于在新風(fēng)口處實(shí)施防雨措施、加裝保護(hù)網(wǎng)等。

2.4.4 排風(fēng)系統(tǒng)其余設(shè)計(jì)

生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)系統(tǒng)需要符合以下規(guī)范：①排風(fēng)與送風(fēng)兩大系統(tǒng)需連鎖，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)排風(fēng)系統(tǒng)需要在送風(fēng)系統(tǒng)前啟動(dòng)，在關(guān)閉時(shí)則需要在送風(fēng)系統(tǒng)后關(guān)閉，以此確保負(fù)壓穩(wěn)定；②主實(shí)驗(yàn)室內(nèi)需要設(shè)置室內(nèi)排風(fēng)口；③針對(duì)存有可能產(chǎn)生污染物外泄設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加設(shè)載有高效過濾器的負(fù)壓排風(fēng)裝置；四，動(dòng)物隔離設(shè)備與排風(fēng)系統(tǒng)連接需采取密閉連接或設(shè)置局部排風(fēng)罩；五，風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)平衡基座并采取減振降噪措施。

2.4.5 氣流組織設(shè)計(jì)

針對(duì)三級(jí)與四級(jí)生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，在對(duì)氣流組織方面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)確保氣流通過輔助工作區(qū)向防護(hù)區(qū)流動(dòng)，并在輔助工作區(qū)與室外之間設(shè)置正壓緩沖室，同時(shí)根據(jù)氣流組織設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各類設(shè)備做出合理安排，降低空氣流動(dòng)。同時(shí)，生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室氣流組織宜采用上送下排方式，送風(fēng)口和排風(fēng)口布置應(yīng)有利于室內(nèi)可能被污染空氣排出，避免在生物實(shí)驗(yàn)柜操作面以及其余有氣溶膠產(chǎn)生地點(diǎn)上方設(shè)置送風(fēng)口等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)代社會(huì)必不可少的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施建筑，其運(yùn)作對(duì)于人類生存以及發(fā)展具有積極的深遠(yuǎn)意義，確保其能夠安全運(yùn)作正是目前設(shè)計(jì)的重中之重。受生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室本身特征影響，暖通空調(diào)系統(tǒng)是維持生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)恒溫、負(fù)壓的最關(guān)鍵部分所在，為了確保暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠切實(shí)地發(fā)揮其功效，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先對(duì)生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的常見問題進(jìn)行分析，在嚴(yán)格按照生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)排風(fēng)系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、傳感器以及氣流組織進(jìn)行設(shè)計(jì)后，再根據(jù)常見問題制定相應(yīng)的防范措施，如通過局域網(wǎng)的應(yīng)用、電動(dòng)蝶閥乃至風(fēng)量傳感器的優(yōu)化解決排風(fēng)系統(tǒng)停機(jī)故障問題等。設(shè)計(jì)者還需以實(shí)際狀況為出發(fā)點(diǎn)，不斷對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行革新、改善，如此方可確保生物實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的安全、有效運(yùn)作。