實驗室空調(diào)系統(tǒng)及自控系統(tǒng)設(shè)計

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，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實驗室對環(huán)境的要求也變得越來越高。由于實驗室需要嚴格控制周圍的環(huán)境，以保證實驗過程中不受室外溫度、濕度、潔凈度等因素的影響，因此需要環(huán)境因素改變時，實驗室內(nèi)的空調(diào)自控系統(tǒng)能夠迅速自動的調(diào)節(jié)，使得實驗室內(nèi)的環(huán)境始終穩(wěn)定保持在設(shè)定的環(huán)境參數(shù)值，以確保實驗結(jié)果的準確和穩(wěn)定[1-5]。為了保證實驗結(jié)果的穩(wěn)定性，首先，需要對實驗室的溫度、濕度、潔凈度以及壓力等參數(shù)進行監(jiān)測，使得實驗室氣流從潔凈區(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)，以及高效過濾器；最后，需要有效、可行的控制系統(tǒng)，控制好末端閥門、溫濕度探測器以及風(fēng)機、加濕加熱等設(shè)備，才能真正有效地控制實驗室潔凈區(qū)域的潔凈度[6]。

某實驗室項目建筑層數(shù)為地上4 層，局部5 層，半地下車庫，建筑面積為2 834.40 m2，建筑的半地下出庫標高為-2.5 m，建筑物室內(nèi)外高差為2.00 m，建筑設(shè)計使用年限為40 年。耐火等級為二級，抗震設(shè)防烈度7 級，結(jié)構(gòu)類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Ⅱ級。

1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計計算

設(shè)計計算主要包括負荷計算（熱濕負荷）、熱濕平衡的計算、風(fēng)量平衡的計算、水力平衡的計算。設(shè)計計算就是為了保證實驗室內(nèi)的溫、濕度恒定，消除室內(nèi)的余熱、余濕，達到熱、濕平衡的狀態(tài)。風(fēng)量平衡計算是為了保證送入潔凈室內(nèi)的新風(fēng)量既能補充房間的排風(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，經(jīng)過三級過濾，保證室內(nèi)的潔凈度級別。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）負荷計算

1.1.1 熱（Q）負荷計算

實驗室的熱負荷主要包括圍護結(jié)構(gòu)的傳熱負荷（Q傳）、實驗室工作人員的熱負荷（Q人）、實驗室照明熱負荷（Q照明）、實驗室設(shè)備產(chǎn)熱負荷（Q設(shè)備）。實驗室的熱負荷（Q）可用下式表達：

圍護結(jié)構(gòu)的的傳熱負荷（Q傳）可表示為：

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

實驗室工作人員的熱負荷（Q人）包括：顯熱負荷（Q顯）和潛熱負荷（Q潛）。工作人員的熱負荷（Q人）可表示為：

實驗室照明負荷計算可表示為：

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

實驗室設(shè)備的熱負荷（Q設(shè)備）包括：電熱設(shè)備熱負荷（Q電熱）、電動設(shè)備熱負荷（Q電動）和電子設(shè)備熱負荷（Q電子）。實驗室設(shè)備的熱負荷可表示為：

電熱設(shè)備熱負荷（Q電熱）可表示為：

式中：n3為負荷系數(shù)。

電動設(shè)備熱負荷（Q電動）可表示為：

式中：η 為設(shè)備效率。

電子設(shè)備熱負荷（Q電子）可表示為：

1.1.2 濕（W）負荷計算

實驗室的濕負荷（W）主要包括：實驗人員濕負荷（W人）和設(shè)備濕負荷（W設(shè)）。實驗室的濕負荷（W）可表示為：

實驗室內(nèi)設(shè)備的濕負荷（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)計算可得冷負荷為34 796 W，熱負荷為7051 W，總濕負荷為510 g/h。

1.2 風(fēng)量計算

已知各個房間的潔凈度等級和所需換氣次數(shù)在圖紙中測量出各個潔凈房間的面積，而房間的吊頂高度為2.3 m，便能計算出各個房間的送風(fēng)量，計算各個房間的送風(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)實驗室要求取漏風(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，負壓區(qū)域的房間送風(fēng)量為1230.5 m3/h。

1.3 空氣處理機組的選擇

結(jié)合正負壓的空氣處理過程的分析，總結(jié)出空氣各個功能段所需的參數(shù)見表1。本次設(shè)計使用空氣處理機組參數(shù)見表2，機組具有高效節(jié)能、操作方便、運行安全、安裝維護方便等諸多特點，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 空氣處理過程參數(shù)

表2 空氣處理機組選型

2 自控系統(tǒng)設(shè)計

整個實驗室分為正壓區(qū)域和負壓區(qū)域，正壓使用AHU-1空調(diào)機組，負壓使用AHU-2 空調(diào)機組，兩套空調(diào)系統(tǒng)均采用DDC系統(tǒng)控制，主要原因是DDC 控制器主要針對建筑自動化在設(shè)計方面，其內(nèi)部預(yù)制了豐富的建筑空調(diào)控制程序，設(shè)備簡單，減少了編程和調(diào)測工作量，并且操作簡單、性價比高、維護人員更容易掌握?？照{(diào)機組采用定送、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)可單獨控制，二者互不影響。

2.1 設(shè)計需求

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

（2）信號采集間隔時間應(yīng)不超過1 min，各參數(shù)易于區(qū)別和識別。

（3）能對所有故障和控制指標進行報警，報警應(yīng)區(qū)分一般報警和緊急報警。

（4）系統(tǒng)具有開放性，便于與第三方設(shè)備連接，可以獨立運行或聯(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)進行遠程監(jiān)控。

2.2 正壓區(qū)域設(shè)計方案

2.2.1 正壓區(qū)域監(jiān)控功能分析

機組啟停控制、送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的啟閉宜連鎖，啟機順序：送風(fēng)機→排風(fēng)機，停機順序相反。正壓空氣處理機組監(jiān)控點位主要有以下：新風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AO）；新風(fēng)溫濕度監(jiān)測（AI）；粗效過濾器壓差監(jiān)測（DO）；電極預(yù)熱段啟?？刂疲―O）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：新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥）（AI）；表冷加熱段閥門調(diào)節(jié)（AO）；表冷段防凍報警（DI）；風(fēng)機段的壓力監(jiān)測（AI）；送風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）；啟?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；機組系統(tǒng)故障報警（DI）；防火閥與風(fēng)機連鎖；電極加濕段加濕量調(diào)節(jié)（AO）；電極加熱段啟?？刂萍罢{(diào)節(jié)（AO）中效過濾段壓差報警（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點位，其中AI 點共有5 個，DI 點共11 個，AO 點共8 個，DO 點共5 個，合計29 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖1 所示。

圖1 正壓空氣處理機組監(jiān)控點位

2.2.2 正壓空氣處理機組監(jiān)控點位說明

正壓實驗室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點位主要有以下：電動送風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AO）；送風(fēng)溫濕度監(jiān)測（AI）；送風(fēng)風(fēng)速監(jiān)測（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（AI）；實驗室溫濕度監(jiān)測（AI）；實驗室高效過濾器堵塞報警監(jiān)測（DI）；實驗室壓力監(jiān)測（AI），設(shè)有聲光報警器（DI）；回風(fēng)風(fēng)道末端1/3處壓力監(jiān)測（AI）；潔凈室循環(huán)風(fēng)機的變速控制要以過濾器前后壓差值來控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速以保持風(fēng)量一定，使風(fēng)機風(fēng)壓與過濾器的阻力變化相適應(yīng)而節(jié)能；新風(fēng)機組則以維持潔凈室內(nèi)正壓值恒定，使風(fēng)機風(fēng)壓與過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)控點位，其中AI 點共有37 個，DI 點共22 個，AO 點共19 個，DO 點共12 個，合計90 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖2 所示。

圖2 正壓實驗室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點位

2.2.3 冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控點位說明

冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控主要有以下：冷凍水供水流量監(jiān)測（AI）；冷凍水供水溫度監(jiān)測（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?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；冷凍泵2（備用）變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）；啟?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；模塊機組故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、啟停控制（DO）、故障反饋（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點位，其中AI 點共有8 個，DI 點共10 個，AO 點共4 個，DO 共4 個，合計26 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖3 所示。

圖3 冷凍水系統(tǒng)監(jiān)控點位

2.2.4 正壓排風(fēng)機組監(jiān)控點位說明

正壓排風(fēng)機組監(jiān)控點位主要有以下：系統(tǒng)排風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；正壓排風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AI）；正壓排風(fēng)機組過濾器堵塞報警（DI）；正壓排風(fēng)機壓差監(jiān)測（AI）。根據(jù)以上監(jiān)控點位，其中AI 點共有2 個，DI 點共4 個，AO 點1 個，DO 點1 個，合計8 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖4 所示。

圖4 正壓排風(fēng)機組監(jiān)控點位

2.3 負壓區(qū)域設(shè)計方案

2.3.1 負壓區(qū)域監(jiān)控功能分析

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

機組啟?？刂?、送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的啟閉宜聯(lián)鎖，啟機順序與正壓相反：排風(fēng)機→送風(fēng)機，停機順序相反。負壓空氣處理機組監(jiān)控點位主要有以下：新風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AO）；粗效過濾器壓差監(jiān)測（AI）；電極預(yù)熱段啟?？刂疲―O）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：新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥）（AI）；表冷加熱段閥門調(diào)節(jié)（AO）；表冷段防凍報警（DI）；風(fēng)機段的壓力監(jiān)測（AI）；送風(fēng)機1 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；送風(fēng)機2（備用）變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟?？刂疲―O）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）機組系統(tǒng)故障報警（DI）；防火閥與風(fēng)機連鎖；電極加濕段加濕量調(diào)節(jié)（AO）；電極加熱段啟?？刂萍罢{(diào)節(jié)（AO）中效過濾段壓差報警（DI）。根據(jù)以上監(jiān)控點位，其中AI 點共有4 個，DI 點共158 個，AO 點共7 個，DO 點共6 個，合計32 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖5 所示。

圖5 負壓空氣處理機組監(jiān)控點位

2.3.2 負壓房間及送排風(fēng)管道監(jiān)控點位說明

負壓實驗室及送回風(fēng)管道監(jiān)控點位主要有以下：電動送風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AO）；送風(fēng)溫濕度監(jiān)測（AI）；送風(fēng)風(fēng)速監(jiān)測（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（AI）；實驗室溫濕度監(jiān)測（AI）；實驗室高效過濾器堵塞報警監(jiān)測（DI）；實驗室壓力監(jiān)測（AI），設(shè)有聲光報警器（DI）；生物安全柜等排風(fēng)設(shè)備時，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（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)控點位，其中AI 點共有13 個，DI點共10 個，AO 點共5 個，DO 點共4 個，合計32 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖6 所示。

圖6 負壓房間及送排風(fēng)管道監(jiān)控點位

2.3.3 排風(fēng)機組監(jiān)控點位說明

負壓排風(fēng)機組監(jiān)控點位主要有：負壓排風(fēng)機1 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟停控制（DO）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；負壓排風(fēng)機2 變頻調(diào)節(jié)（AO）、變頻反饋（AI）啟停控制（DO）、故障報警（DI）、運行狀態(tài)（DI）、手自動切換（DI）；負壓排風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)（AI）負壓排風(fēng)機組過濾器堵塞報警（DI）；負壓排風(fēng)機壓差監(jiān)測（AI）；根據(jù)以上監(jiān)控點位，其中AI 點共有3 個，DI 點冬7 個，AO 點共3 個，DO 點共2 個，合計15 個點位。繪制監(jiān)控點位如圖7 所示。

圖7 排風(fēng)機組監(jiān)控點位

3 結(jié)束語

通過分析項目實驗室功能特點及需求，分析并計算出實驗室總的冷負荷為34 796 W，熱負荷為7051 W，濕負荷為510 g/h，從而計算出送風(fēng)量，根據(jù)總負荷、總風(fēng)量和管網(wǎng)計算，選擇空氣處理機組。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)和被控參數(shù)的需求，設(shè)計了基于DDC 系統(tǒng)的監(jiān)控原理、監(jiān)控邏輯和操作界面，實現(xiàn)精準控制室內(nèi)環(huán)境達到潔凈室內(nèi)各個房間的空氣潔凈度等級和環(huán)境要求。