實驗室空調(diào)通風系統(tǒng)設(shè)計

實驗室空調(diào)通風系統(tǒng)設(shè)計摘要：本文介紹了實驗室通風系統(tǒng)的設(shè)計方案及其實現(xiàn)方案的關(guān)鍵設(shè)備-定風量閥、變風量閥，重點分析了定風量送風實驗室及變風量送風實驗室的壓力及溫度控制方法。關(guān)鍵詞：定風量閥、變風量閥、壓力控制、溫度控制。前言：伴隨國民經(jīng)濟的快速發(fā)展及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，新材料、生物醫(yī)藥等行業(yè)蓬勃發(fā)展，催生了實驗室設(shè)施新一輪新建改建的高潮。而空調(diào)通風系統(tǒng)是保證實驗室安全有序運行的重要的保證。過去因為技術(shù)條件及經(jīng)濟水平的限制，很多實驗室完全是按照普通的舒適性空調(diào)通風系統(tǒng)進行設(shè)計，遠遠不能適應(yīng)時代及技術(shù)發(fā)展需要。在此對實驗室的空調(diào)通風系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容做簡要介紹及分析，作為對自己這幾年相關(guān)項目的總結(jié)，亦可供同行從業(yè)人員討論參考。一：風量控制閥門實驗室需要控制正確的送、排風量，需要合理控制房間的壓力梯度，而風量控制閥在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為保證選擇合適的風量調(diào)節(jié)閥，先簡單介紹下風量控制閥的三個重要參數(shù)1，響應(yīng)時間：閥門風量調(diào)節(jié)至指令值所需要的時間。按響應(yīng)時間，可分為快速反應(yīng)型（反應(yīng)時間小于1秒）及一般型（反應(yīng)時間約10秒）?？斓捻憫?yīng)時間能更好的滿足設(shè)備排風量防止有害氣體擴散，能更快的控制因為送、排風量變化而引起的壓力波動。調(diào)節(jié)比：閥門最大與最小調(diào)節(jié)風量的比值，一般為4:1，10:1，20:1等。要根據(jù)實際需求的送、排風量合理的選擇風量控制閥的調(diào)節(jié)比。精度：經(jīng)過閥門的風量與需求風量的偏差，一般小于10%，優(yōu)秀的閥門可小于5%，毫無疑問，閥門的精度越高對于系統(tǒng)控制約有利。風量控制閥主要包括變風量風閥（可根據(jù)工藝需求實時調(diào)節(jié)經(jīng)過閥門的風量）、定風量閥（經(jīng)過閥門的風量經(jīng)安裝調(diào)試后標定，不再隨管道特性改變而改變）及雙風量閥（經(jīng)過閥門的風量經(jīng)安裝調(diào)試后標定兩檔風量，系統(tǒng)運行時根據(jù)需求實時切換）。目前市場實驗室風量控制閥主流類型包括蝶型閥門與文丘里型閥門，文丘里型閥門具有相應(yīng)速度快、控制精度高、安裝簡便等特點，但是其價格高，經(jīng)過閥體的壓降較大。設(shè)計人員需要根據(jù)項目的實際情況進行合理選擇，但是因為蝶型閥門與文丘里閥門的調(diào)節(jié)特性的諸多差異，同管路同系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)蝶型閥門與文丘里閥混用的情況。圖1.1蝶型風閥圖1.2文丘里風閥：工藝排風及風量控制閥的應(yīng)用實驗室需要排風的工藝設(shè)備種類琳瑯滿目，但歸納其排風運行模式，主要包括變風量連續(xù)排風、定風量連續(xù)排風、間斷排風及雙風量排風四種方式等，下面對這四種典型排風模型分別進行簡單分析。1：變風量連續(xù)排風（主要工藝設(shè)備包括臺式通風柜或步入式通風柜等），排風量隨著柜門開啟度的變化而變化，保證柜門開口面風速維持一定的風速（一般為0.5m/s）防止有害氣體溢出。在柜門完全關(guān)閉時維持最低排風量防止柜內(nèi)有害氣體聚集。如圖2.1所示，在柜體排風管路上設(shè)置變風量閥VAV-1，通過柜門的位移信號或者柜門開口的風速信號來控制閥VAV-1的開度。

圖2.1圖2.22：定風量連續(xù)排風（排風罩、通風型試劑柜、萬向罩等），排風量不隨管路特性的改變或排風工藝設(shè)備工況的改變而改變，需在排風管路上設(shè)置定風量閥一般而言，排風罩的設(shè)計排風量由排放的氣體介質(zhì)、罩口的類型等進行計算后確定；試劑柜的排風量一般由設(shè)備標定或根據(jù)柜體容積，按換氣次數(shù)進行計算確定萬向罩一般為150~200CMH/個，實驗室一般會有多個萬向罩，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)排放的介質(zhì)分類（酸、堿、有機分類等），將位置鄰近的萬向罩合用排風閥及排風管路（見圖2.3）。圖2.33：間斷排風。有一些特殊工藝，平時不排風，且需要與排風系統(tǒng)隔離，待工藝過程結(jié)束后聯(lián)通排風管路進行排風（如化妝品生產(chǎn)的感官間，將香精放入特殊的小隔間內(nèi)，并與其余空間保持隔絕，待品味結(jié)束后排出隔間的氣體）。對于這類排風，可以采用關(guān)閉型雙風量閥進行雙穩(wěn)態(tài)控制（但是關(guān)閉型的閥體價格較昂貴，一般較少使用），更多的做法是用定風量閥組合快速反應(yīng)型電動密閉閥進行控制：在不需要排風時保持電動閥關(guān)閉，需要排風時電動閥迅速打開，定風量閥自動調(diào)節(jié)節(jié)流機構(gòu)以達到預(yù)設(shè)的排風量。4：雙風量排風。工藝需要排風設(shè)備需高、低兩檔排風，此時一般配合使用雙風量閥。經(jīng)過閥門的高低兩檔風量安裝前完成標定，在實際運行時只需要排風點給出信號即可切換。三:實驗室的送風、排風組織設(shè)計及壓力控制由于使用工藝千差萬別，使用方對實驗室的室內(nèi)環(huán)境的要求也不盡相同，對于最常見的一般理化實驗室，只要求滿足室內(nèi)一般舒適性要求及控制負壓要求即可，對于這樣的實驗室如果工藝最大排風量大于滿足舒適性所需求的送風量，一般設(shè)計變風量送風系統(tǒng)，其優(yōu)點是可以降低送風風機能耗，但是存在著室內(nèi)溫濕度參數(shù)波動較大的缺點。對于特殊需求的實驗室系統(tǒng)，對房間換氣次數(shù)較為嚴格或者房間溫濕度波動要求較為嚴格（如潔凈實驗室等），一般設(shè)計為定風量送風系統(tǒng)。工藝最大排風量小于房間需求送風量的實驗室一般也設(shè)計為定風量送風系統(tǒng)，現(xiàn)分別分析這兩種送風系統(tǒng)及壓力控制。1：變風量送風系統(tǒng)：滿足最低送風量需求的情況下，送風量隨排風量的變化而變化。如附圖3.1及附圖3.2所示模型：按滿足房間換氣次數(shù)及控制室內(nèi)溫度要求計算，室內(nèi)的最小空調(diào)送風量為8000CMH，為維持室內(nèi)負壓需要的負壓風量為1000CMH，則房間的最小排風量應(yīng)為9000CMH。此房間共有三處工藝排風，分別為VAV-1支路，排風量在2000~6000CMH范圍內(nèi)波動；VAV-2支路，排風量在2000~4000CMH范圍內(nèi)波動；CAV-1支路排風維持恒定500CMH。則三路排風的風量變化范圍為4500~10500CMH.如果這三處排風處于最低位4500CMH，而空調(diào)送風量為8000CMH，則室內(nèi)勢必形成正壓，會造成室內(nèi)有害物擴散至實驗室以外的區(qū)域，所以我們應(yīng)額外設(shè)一路房間排風管路VAV-3，以彌補室內(nèi)排風量的不足（對于沒有危險釋放源及刺激性氣體的實驗室，此路排風亦可設(shè)計為回風）。

基恢TXTc^v-1附圖3.1基恢TXTc^v-1附圖3.1工拙民 I卻氐MHi**我￡6!攻的』1皿］ 1申VAV-I--3rJ.'■■-J畫附圖3.2|1■.我L畫附圖3.2|1■.我L.廢1州7文」擔牌I| 基VAV-4申闋防T頓ZMAKIDO2MA4gO50l>房間壓力控制：對于實驗室通風系統(tǒng)房間壓力控制，常見方法有風量差值控制法及壓力直接控制法。附圖3.1為余風量控制法：通過變風量閥，維持送風量及排風量恒定差值以維持室內(nèi)壓力恒定?？刂破飨炔杉泄に嚺棚L閥(VAV-1,VAV-2)及定風量閥的風量值進行累加，與最低排風量需求9000CMH進行比較，如低于9000CMH，則會調(diào)節(jié)房間排風支路VAV-3，使房間總排風量不低于9000CMH。隨著工藝排風支路VAV-1,VAV-2排風量逐漸變大相應(yīng)減小房間排風支路VAV-3的排風量直至房間排風閥VAV-3至閥體調(diào)節(jié)范圍的最低值1500CMH。當房間排風的總排風量大于9000CMH時，控制系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)送風閥VAV-4逐漸加大送風量，使送風量與排風總量維持1000CMH的差值。余風量控制法對房間壓力控制精確穩(wěn)定，房間內(nèi)外氣流方向不受外界因素干擾(如開門開窗)，對于送、排風系統(tǒng)比較龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，差值風量控制法的控制邏輯也會比較復(fù)雜。附圖3.2為壓力直接控制法：空調(diào)送風變風量閥直接與房間設(shè)置的壓力傳感器連鎖以控制送風量。此方法控制設(shè)計簡單，但這種方法在房間突然開門時會造成房間壓力變?yōu)?值，對送風閥風量失控（此時工藝排風量如果發(fā)生變化，送風系統(tǒng)無法聯(lián)動，會造成實驗室房間對周圍房間溢流）。這種情況可設(shè)置開門信號指示維持送、排風閥風量不變或設(shè)置壓力信號延時以維持房間正確的氣流方向。2：定風量送風系統(tǒng)：維持系統(tǒng)空調(diào)送風量不變，通過調(diào)節(jié)房間排風/回風量的方式維持房間壓力。如附圖3.3、3.4為定風量送風系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)設(shè)計，首先，要預(yù)先設(shè)定要房間的恒定送風量，此恒定送風量必須滿足：1，當室內(nèi)工藝排風為最大值時控制能有效控制房間壓力；2,要能滿足室內(nèi)溫濕度要求及潔凈度等其他工藝要求。以此我們假定模型：房間的恒定送風量需求為11000CMH，為維持室內(nèi)負壓需要的負壓風量為1000CMH，則房間的排風量需要維持12000CMH。房間共有三處工藝排風，分別為VAV-1支路，排風量在2000~6000CMH范圍內(nèi)波動，VAV-2支路，排風量在2000~4000CMH范圍內(nèi)波動。CAV-1支路排風維持恒定500CMH。房間工藝排風總量波動范圍為4500~10500CMH（小于12000CMH），故需要額外設(shè)置房間排風支路VAV-3（僅以排風為例，不再考慮回風）來控制房間壓力。附圖3.3附圖3.4房間壓力控制：附圖3.3為余風量控制法:采集所有工藝排風支路VAV-1、VAV-2及CAV-1的排風總量，與需求的系統(tǒng)排風總量12000CMH進行差值計算，通過調(diào)節(jié)房間排風支路VAV-3的風量來維持房間總排風量維持恒定12000CMH。附圖3.4為壓力直接控制法：房間設(shè)置壓力傳感器與房間排風支路VAV-3連鎖，直接由房間的壓力來控制系統(tǒng)排風總量。四：實驗室溫、濕度控制：對于常規(guī)的理化實驗室，室內(nèi)的溫濕度僅需滿足人員舒適性要求即可，但是對溫濕度控制有較高要求的實驗室，如何進行系統(tǒng)設(shè)計就顯得很重要了。以下進行簡要分析討論。實驗室往往是一個主要實驗空間帶幾個從屬的實驗空間，或者是幾個功能實驗室的結(jié)合體。如附圖4.1所示，1,2,3,4為四個分別承擔不同實驗功能的主要房間，4-1及4-2為房間4的從屬房間。一般房間4及從屬房間4-1及4-2設(shè)計為同一個空調(diào)系統(tǒng)，而房間1、2、3、4能否設(shè)計為一個空調(diào)系統(tǒng)的重要考慮因素包括各房間需求的溫濕度是否一致、各房間的熱濕比是否接近等。如房間需求溫濕度相差較大或房間散熱、散失差異較大，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)各自獨立。附圖4.1附圖4.2*■?占ft附圖4.3附圖4.2，房間4及附屬房間4-1,4-2空調(diào)系統(tǒng)，房間4為工藝核心房間，故溫濕度控制應(yīng)以此房間為核心控制區(qū)，此房間內(nèi)設(shè)置的溫濕度傳感器直接連鎖控制空調(diào)機的冷熱盤管及加濕器。而附屬房間4-1,4-2，可在其送風管路上設(shè)置再熱/再冷盤管來調(diào)整房間的送風溫度來滿足房間的溫濕度需求。附圖4.3,功能相對獨立的1,2,3三個實驗室設(shè)計為一個空調(diào)系統(tǒng)，夏季及冬季工況下可設(shè)計一個稍低的送風溫度，在每個房間的送風支管上由再熱盤管進行再熱微調(diào)送風溫度來控制室內(nèi)的溫濕度。無論是附圖4.2還是附圖4.3系統(tǒng)，在設(shè)計時，均應(yīng)該結(jié)合送風、排風組織設(shè)計，合理設(shè)計各房間的送風量，避免同一套空調(diào)系統(tǒng)各房間送風支管出現(xiàn)再冷及再熱同時出現(xiàn)的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)運行及控制過于復(fù)雜（尤其是使用冷熱水作為再冷/再熱源）。對于一般舒適性潔凈室，很多使用方提出對房間濕度沒有要求，很多設(shè)計人員以此進行系統(tǒng)設(shè)計時，僅設(shè)了一組冷熱公用盤管來進行控溫，實際運行時，由于送風的新風比很大（尤其是全新風系統(tǒng)），制冷季節(jié)，送風經(jīng)冷盤管降溫及少量除濕即送入房間，導(dǎo)致房間的相對濕度很大（梅雨季節(jié)尤甚），導(dǎo)致房間發(fā)霉;而冬季因為沒有加濕又導(dǎo)致房間相對濕度極低，人員舒適感差且容易產(chǎn)生靜電（對于有防爆要求的實驗室，此問題顯得尤為嚴重）。所以即使作為一般舒適性實驗室也不建議空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時不考慮控制相對濕度的措施。