淺析實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)與空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李向群 楊國忠

摘 要：實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)是整個實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，規(guī)模最大、影響最廣泛的系統(tǒng)之一，其控制系統(tǒng)更是保證系統(tǒng)良好運(yùn)行的重要手段?；诖?，通過介紹實(shí)驗(yàn)室空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能為提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供幫助。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；空調(diào)；控制；設(shè)計(jì)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究的核心場所，它為研究人員提供了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察和測試的環(huán)境，是技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新的重要基石。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是一個國家或者一個組織發(fā)展的標(biāo)志之一，不僅有助于提高科技創(chuàng)新能力，培養(yǎng)人才，還可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國際競爭力，只有不斷地提高實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)水平，才能進(jìn)一步促進(jìn)各個領(lǐng)域科技的進(jìn)步發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)室空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要組成部分，通過科學(xué)應(yīng)用空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)，可進(jìn)一步提供安全、舒適的科研工作實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使科研人員具有良好的操作條件，保障科研人員的身體健康，降低空調(diào)能耗等作用。

1 系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備通常需要精確的溫度、濕度、壓差控制，以保持其正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度、濕度和壓力梯度以及設(shè)備需求，自動調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空調(diào)溫度、濕度和壓力梯度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的時間安排自動控制空調(diào)的開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)室空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、房間控制系統(tǒng)、通風(fēng)柜VAV排風(fēng)系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。本文主要對各部分控制系統(tǒng)的原理、控制方法進(jìn)行分類描述。

2 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)控制系統(tǒng)主要包括控制器、送風(fēng)機(jī)、表冷及熱水盤管、溫濕度、壓差、壓力傳感器等組成，其具體控制要求如圖1所示。

空調(diào)系統(tǒng)通過設(shè)在實(shí)驗(yàn)室門口7寸觸控屏上監(jiān)控空調(diào)機(jī)組狀態(tài)并設(shè)定參數(shù)，開關(guān)啟停機(jī)組，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度濕度、送風(fēng)機(jī)頻率、冷熱水閥、新風(fēng)閥門等的控制，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)溫濕度、送風(fēng)壓力、初/中效過濾壓差、送風(fēng)機(jī)壓差等的監(jiān)測。

溫濕度控制分為夏季模式和冬季模式。夏季模式是根據(jù)送風(fēng)管上溫濕度傳感器檢測溫度與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)盤管段回水管上的電動閥開度，控制冷水流量，使溫度達(dá)到設(shè)定值。夏季濕度優(yōu)先控制，通表冷降溫除濕，通過熱水加熱閥調(diào)節(jié)溫度。冬季模式是根據(jù)溫濕度傳感器檢測溫度與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)加熱閥開度，控制熱水流量，使溫度達(dá)到設(shè)定值，根據(jù)溫濕度傳感器檢測濕度與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)加濕器加濕量，使?jié)穸冗_(dá)到設(shè)定值。

控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測表冷冷水流，實(shí)時監(jiān)測室外新風(fēng)溫度，自動判斷運(yùn)行季節(jié)。監(jiān)測送風(fēng)機(jī)兩端壓差，以壓差開關(guān)信號作為風(fēng)機(jī)故障報(bào)警。監(jiān)測過濾器兩端壓差，以壓差開關(guān)信號作為過濾器堵塞報(bào)警。送風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)總管靜壓檢測壓力與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)變頻頻率，使送風(fēng)壓力達(dá)到設(shè)定值。與房間控制柜通訊，通過房間監(jiān)控屏可啟停機(jī)組，可設(shè)定溫濕度值?？刂破髋渲肕ODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機(jī)，可通過上位機(jī)進(jìn)行控制。

3 排風(fēng)系統(tǒng)

排風(fēng)控制系統(tǒng)主要包括控制器、排風(fēng)機(jī)、壓差、壓力傳感器等組成，其具體控制要求如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室門口7寸觸控屏上監(jiān)控排風(fēng)機(jī)組狀態(tài)并設(shè)定參數(shù)，通風(fēng)柜啟動聯(lián)動排風(fēng)機(jī)開機(jī)，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)頻率、排風(fēng)閥門等的控制，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)壓力、活性炭過濾器壓差、排風(fēng)機(jī)壓差等的監(jiān)測。

監(jiān)測排風(fēng)機(jī)兩端壓差，以壓差開關(guān)信號作為風(fēng)機(jī)故障報(bào)警，監(jiān)測活性炭過濾器兩端壓差，以壓差開關(guān)信號作為過濾器堵塞報(bào)警。

排風(fēng)變頻控制，根據(jù)總管靜壓檢測壓力與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)變頻頻率，使排風(fēng)壓力達(dá)到設(shè)定值。控制器配置MODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機(jī)，可通過上位機(jī)進(jìn)行控制。

4 房間控制系統(tǒng)

房間控制系統(tǒng)主要包括房間控制器、房間控制屏、溫濕度傳感器、壓差傳感器、送排風(fēng)變風(fēng)量閥、通風(fēng)柜等設(shè)備組成，對房間內(nèi)的溫濕度值、壓差值、房間使用狀態(tài)、通風(fēng)柜運(yùn)行狀態(tài)、溫濕度設(shè)定值、送風(fēng)量、排風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，其具體控制要求如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)室每間組成一個獨(dú)立控制區(qū)域，配置獨(dú)立的控制單元及房間監(jiān)控屏，通過入口的房間監(jiān)控屏，啟動空調(diào)系統(tǒng)與區(qū)域送風(fēng)系統(tǒng)，通過房間監(jiān)控屏設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度值，可監(jiān)測房間實(shí)時溫濕度及壓差。

實(shí)驗(yàn)室采用余風(fēng)量控制方式，采集所有排風(fēng)文丘里閥的實(shí)時風(fēng)量，控制補(bǔ)風(fēng)文丘里閥的送風(fēng)量，補(bǔ)風(fēng)量=房間排風(fēng)量+通風(fēng)柜排風(fēng)量+....-余風(fēng)量。通風(fēng)柜配置變風(fēng)量文丘里的房間，送風(fēng)配置變風(fēng)量文丘里閥。

房間最小換氣控制，房間排風(fēng)文丘里閥始終維持房間最小換氣風(fēng)量，當(dāng)房間總排風(fēng)量大于最小換氣風(fēng)量時，根據(jù)風(fēng)量關(guān)小房間排風(fēng)文丘里閥風(fēng)量。房間總排風(fēng)量=房間排風(fēng)量+通風(fēng)柜1排風(fēng)量+.....通風(fēng)柜N排風(fēng)量。

房間緊急排風(fēng)控制，通過觸摸屏上的緊急排風(fēng)鍵，切換成房間緊急模式，所有排風(fēng)閥全開。

聯(lián)動機(jī)制為：通風(fēng)柜啟動→聯(lián)動排風(fēng)機(jī)開啟→新風(fēng)機(jī)開啟。當(dāng)所有通風(fēng)柜關(guān)閉后，排風(fēng)機(jī)才允許關(guān)閉。通風(fēng)柜未啟用時，手動開啟送排風(fēng)系統(tǒng)，通過房間控制屏開關(guān)機(jī)。

房間控制器配置MODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機(jī)，可通過上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

5 通風(fēng)柜VAV排風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)柜控制系統(tǒng)主要包括通風(fēng)柜系統(tǒng)控制器、門高傳感器、變風(fēng)量文丘里閥、通風(fēng)柜5寸監(jiān)控觸摸屏等設(shè)備組成[1]，其具體控制要求如圖4所示。

通風(fēng)柜面風(fēng)速控制系統(tǒng)根據(jù)門高傳感器的測量值和設(shè)定面風(fēng)速值，計(jì)算出當(dāng)前通風(fēng)柜所需要的排風(fēng)量值，從而控制文丘里閥的風(fēng)量在1 s內(nèi)滿足通風(fēng)柜排風(fēng)量需求。根據(jù)文丘里閥自帶微壓差傳感器，監(jiān)測壓差是否在文丘里閥工作范圍內(nèi)（150～750 Pa）。當(dāng)風(fēng)壓低于150 Pa，或高于750 Pa時，系統(tǒng)報(bào)警提示。通風(fēng)柜門位過高時有聲音報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，開啟緊急排放模式控制系統(tǒng)將文丘里閥開最大排風(fēng)量，不受面風(fēng)速值的控制。配置MODBUS標(biāo)準(zhǔn)接口，與自控系統(tǒng)對接。

通風(fēng)柜5寸監(jiān)控觸摸屏采用彩色觸摸屏，可顯示實(shí)時面風(fēng)速、門高、運(yùn)行模式、運(yùn)行狀態(tài)、排風(fēng)量等參數(shù)。通過觸摸屏可設(shè)置面風(fēng)速，開關(guān)通風(fēng)柜照明燈、操作系統(tǒng)一鍵啟停，具有緊急排風(fēng)功能，緊急排風(fēng)時，風(fēng)閥最大排風(fēng)量排風(fēng)，門高超限報(bào)警、風(fēng)速過低報(bào)警、低壓報(bào)警等功能。

6 中央監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室中央監(jiān)控系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[2]，設(shè)計(jì)一個監(jiān)控管理系統(tǒng)的模型，通過對該模型各模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在無管理員狀態(tài)下對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用進(jìn)行監(jiān)控記錄，管理員通過這個系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)控與管理。建成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實(shí)驗(yàn)室管理平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

實(shí)驗(yàn)室中央監(jiān)控系統(tǒng)，通過電腦（PC）與各系統(tǒng)控制器聯(lián)機(jī)來獲取通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時監(jiān)控管理通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，自動顯示及報(bào)警。在控制電腦上實(shí)時記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù) （詳細(xì)記錄各通風(fēng)柜面風(fēng)速、房間壓力、溫度、濕度及補(bǔ)風(fēng)量、各系統(tǒng)總補(bǔ)風(fēng)量及排風(fēng)量，各系統(tǒng)運(yùn)行頻率，設(shè)備故障情況等），并自動記錄存檔隨時可以生成各種生產(chǎn)日報(bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表等，自動轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫格式，供其他用戶聯(lián)網(wǎng)共享使用，并提供接口與其他系統(tǒng)聯(lián)機(jī)。

7 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)室空調(diào)及通風(fēng)控制系統(tǒng)通過介紹各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足整個實(shí)驗(yàn)室的房間壓力、各房間壓差、通風(fēng)量、溫濕度和各方面的安全控制要求，同時降低能耗，為實(shí)驗(yàn)室工作人員提供最安全舒適的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙俠.實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2012 （1）：62-65.

[2] T/ASC19-2021.智慧建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

收稿日期：2023-10-23

作者簡介：李向群（1979—），男，浙江杭州人，碩士，高級工程師，研究方向：建筑智能化。