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实验室通风空调系统的设计优化

 

一、引言 
  设计实验室通风空调系统的首要原则是建筑内人员的安全,而在维持一个安全舒适的室内环境的同时,如何减少能耗是一个努力的方向。而通风系统的气流控制是实验室通风空调系统设计优化的关键。 
  二、通风空调系统介绍 
  目前,实验楼通风空调系统有如图几种类型,采用哪种类型,应根据业主的要求、项目所在地的气象条件、实验楼的档次和使用情况、投资预算等因素决定。对于一般的化学实验楼,可只设置通风系统,不需设置空调系统;对于可能长时间有工作人员在实验室中工作的情况,应采用通风+空调系统。当实验室设有空调系统时,其通风系统应该做成变风量系统,有利于节能。 
  1. 通风设计 
  排风系统的组成,目前实 验 室 排 风 主 要 来 源 于 排 风 柜 的 排 风 。除了排风柜排风外,实验室排风还包括工艺局部排风和室内辅助排风,三者之和即是实验室总排风量。 
  通风系统的补风主要由自然进风和机械送风构成,对于连续使用排风系统的实验室应设置送风系统,而间歇使用且排风换气次数大于 2 次 /h的应设置有组织的自然进风。但由于部分实验室的排风系统使用没有一定的规律性,导致设置机械送风系统会增加工程造价,并且当实验室内设有几套排风系统时,根本没有建筑空间来设置机械送风系统。因而建议采用一年中排风系统连续使用时间占整个工作时间的百分数的大小来决定是否设机械送风系统。 
  设置有机械送风的补风系统,对于采暖地区,冬季应进行加热处理。但是对于夏热冬冷地区,当冬季气温较低时,不经处理的大量室外空气的引入,可能会造成室温较低,对于此种情况,应进行热量平衡计算,如果室温过低,则应进行适当的加热处理。对于采用自然进风的系统,补风就无法进行直接处理。如果室内设有采暖或空调系统,则在进行设计时,应考虑平衡排风所带走的能量,空调和采暖系统容量可适当放大。 
  2. 实验室空调设计 
  2.1温度控制 
  新风送风系统采用组合空调机组,在主风管上设温度传感器,送风温度为室内温度( 23 ± 1) ℃,送风温度控制通过控制冷热盘管的冷热水进管上的电动二通阀开度调整冷热水量实现。实验室独立全新风送风系统的冷热源采用风冷热泵机组,机组设在实验室的屋顶上,夏季供回水温度为 7 ℃ ~ 12 ℃ ,冬季供回水温度为 40 ℃ ~ 45 ℃ 。室内维护结构及设备人发热的冷热负荷由多联空调系统及分体空调器负担,根据计算,选用合适的机型。 
  2.2 湿度控制 
  实验室内人员不多,且无大量散湿设备,因此室内主要湿负荷为新风湿负荷,当新风处理到送风温度时的相对湿度不小于50% 时,新风由新风空调机组设有的表冷段进行减湿处理。当新 
  风处理到送风温度时的相对湿度小于 50% 时,根据业主的具体要求 ( 如室内相对湿度不大于50% ) ,因此不需要加减湿处理。 
  三、变风量系统在实验室中的应用 
  1.从定风量转向变风量 
  对于定风量(CAV)型的排风柜,其排风量近似恒定,所以当操作门拉下以后,速度在面积较小的情形下会达到很大,这种难以控制的高速气流会造成气流短路,贴附底面直接抽走,污染物在某个角落发生积聚,一方面没有有效地对柜内污染物稀释,另一方面,直接造成能量浪费。改进后的旁通型排风柜通过设置旁通百叶,尽管理论上可以保持一定的风量和风速,但是实际上这种只是相对意义上的恒定。 
  一个理想的实验室气流流向应该是从送风口送出的气流通过与室内空气的混合带走室内热湿负荷,最后通过排风柜抽走,但是事实上在各种因素的作用下这很难实现。通常认为,排风柜性能是和柜面气流的平均风速(简称面风速)有直接关系。变风量VAV系统设计的出发点就是为了确保稳定的面风速。允许的面风速在许多关于实验室通风的标准中都有规定,一般取0.3~0.6m/s。 
  2.VAV系统 
  2.1 VRV系统的排风 
  在VAV系统中,排风柜排风量通常可以通过两种方式确定,即监测排风柜门位置或者监测面风速的大小。因为监测柜门位置可以达到较为精确的水平,因此前者原则上可以通过调整排风量确保恒定面风速,但是还要考虑到其它类似于人员站在柜前等同样会影响面风速的因素。在排风柜排风中还要注意个排风柜必须有最小排风量,以确保在柜门拉至最小时,对柜内气体可以进行足够的稀释,防止柜内有害气体浓度过高,以致再次开启柜门时发生危险。国内一般标准为200m3/h。 
  2.2VAV系统的补风 
  在实验室通风空调系统中,送风量的确定很大程度上不是由室内负荷决定的,而是由排风量决定。如前所述,通过负压控制确保安全是实验室通风空调的首要任务。 
  目前广泛采用的就是设置压差传感器,保持设定压差,这种控制方式对传感器的精度要求相当高,在实际运行中很难保证任何时刻的压差恒定。必须指出,并非传感器精度和灵敏性越高,控制效果就越好。因为实际过程中往往会有各种瞬时外界因素干扰气流,影响室内静压,如果过于灵敏,反而会出现与期望值相反的结果。 
  3.变风量系统风阀配置 
  如果设计合理,CAV或VAV系统能提供给实验室使用者所需等级的安全保护及环境舒适性。对于通风系统的类型(即CAV或VAV)业主首先考虑的是初投资、系统运行费用,维护费用、扩建费用以及选哪一种系统最合适。尽管VAV的运行费用很低,但它的初投资较高,因为增加了VAV控制装置,以及相对较昂贵的启动和运行过程。 
  具体的配制可见如下分析:排风柜配置排风智能控制器,包括 1 个排风柜面风速传感器,1 个报警风量监测控制面板,1个排风量控制调节阀,1 个红外传感器,1 个控制器,1 个快速执行器,这些装置将保证排风柜的不同运行状态时的变排风量排风。 
  4.几种典型模式下的控制 
  4.1 柜门开度最小时的控制模式 
  在柜门开度最小的情形下,排风柜排风量达到最小,这时候送风量能否满足室内温度要求就显得格外重要了。一般来讲,有以下两种控制方式。 
  (1)调节辅助排风 
  位置于室内的温度传感器与室内辅助排风连锁,当室内温度超过某设定值时,辅助排风自动加大,然后根据压力控制,相应调整送风量,直至温度满足设定要求。这种控制方式是加大排风量来使送风量满足温度控制要求,以保持压差不变。 
  (2)调节再热量 
  另外一种较为常用的方式就是通过温度传感器调节变风量末端装置内的再热盘管,控制VAV送风的再热量来满足温度要求。简单地说,这种控制方式就是将压力和温度两个参数分别用两种不同方式控制,压力通过压差传感器调节送风量,而温度则通过温度传感器控制再热盘管进行控制。 
  4.2 有人时控制模式和无人时控制模式 
  通常为节省大量能量,就要采取有人 * 无人两种模式运行。当柜前没有操作人员时,面风速可以下降 (如由0.5m/s降至0.3m/s),但是风速降低必须充分基于安全性考虑。有人或者无人模式的确定有很多方式,以前较多采用的是手动控制和利用实验室内照明的自动控制,但是后者对于某些光感实验就不太适用,目前用得比较多的是利用红外遥感监测技术。 
  4.3 紧急情况控制模式 
  排风柜排风管道不允许安装防火阀,一旦发生火灾,控制模式应该让排风柜的排风系统一直处于工作状态,以排出有害气体,而且风速可以超过有关标准。 
  4.4 夜间通风控制模式 
  化学实验室一般来讲晚间是不进行实验的,因此控制模式只要保持最小排风量,确保对排风柜内物品可能排放的有害气体稀释就可以了,当然走廊、实验室、排风柜之间的压差还是需要保持的。 
  5.自适应控制(UBC) 
  在二十世纪末,出现的自适应控制系统(Usage Based Control),是在VAV系统的基础上,通过在通风柜和生物安全柜上安装探测器,以监测通风柜或者生物安全柜前是否有人活动,当有人操作时,保持进口风速恒定为0.5m/s,以此保障操作者的安全,而如果通风柜前无人进行操作时,则将进口风速降低为0.3m/s。采用此种控制方式,可以在使用VAV系统的基础上,再次大幅降低能耗。 
  三、结束语 
  综上所述,介绍了实验室通风空调系统的基本概况。实验室通风空调系统的运行能耗巨大,运行能耗的费用约占整个实验室使用生命周期成本60%。采用VAV控制系统,降低了实验室通风空调系统的能耗。 
  若采用UBC系统,更可大幅降低能耗。UBC运行成本可以比传统VAV系统节省30%左右。 

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