变风量控制系统在化学实验室暖通空调系统中的应用

从排风柜变风量控制、实验室压力控制、风机变频控制等方面阐述了变风量控制系统在化学实验室暖通空调系统中的应用。以化学合成实验室为例，结合同时使用率和运行模式，对不同运行工况下的变风量系统进行了对比，分析了变风量控制系统在初投资、节能减排方面的优势。

 化学实验室；暖通空调系统；变风量系统；排风柜；变风量控制；直接压差控制；余风量控制；变频控制

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引言

 相较于民用建筑，科研建筑作为功能性建筑，其暖通空调系统不仅需满足舒适性需求，还需满足压力梯度控制，洁净度、温湿度控制，污染物浓度控制等工艺性要求。目前，国内化学实验室暖通空调系统设计普遍采用风机盘管（或多联机）加独立新风系统，新风处理至室内状态点等焓机器露点，新风负荷由新风系统承担，室内负荷由风机盘管（或多联机）承担。化学实验室中大量使用排风柜，其排风中含有一定量的有毒有害挥发性化学物质，无法直接再利用。因此，化学实验室空调系统常采用全新风系统且新风需求量非常大，需消耗大量的能源处理新风热湿负荷。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》规定的化学类实验室室内设计参数见表1。

除温度要求外，夏季室内相对湿度要求小于等于65%，对于华南、华东等夏季高温高湿的地区，夏季空调送风在降温除湿后还需再热，进一步加大了空调系统的能耗。
     对于化学实验室而言，在保证安全性和满足工艺性需求的前提下实现最大程度的节能减排尤为重要。变风量控制系统通过对实验过程中污染物的高效控制、精准的流量控制和压力梯度控制、风机变频控制等技术手段有效解决了上述问题，在工程中得到了广泛应用。实验室变风量控制系统主要由排风柜变风量控制、实验室压力控制、风机变频控制系统构成。

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排风柜变风量控制

 实验室排风柜是一种专门设计的安全装置，在实验室通风系统设计合理的情况下，可将柜内实验过程中产生的有害气体排到室外，避免实验室工作人员受到伤害。变风量排风柜为安装了变风量调节装置的标准型排风柜。
     对于排风柜，以往存在“唯面风速”认知误区，ANSI/AIHA Z9.5-2012给出了不同面风速下的排风柜性能，见表2。

由表2可见，排风柜面风速并非越大越安全，在面风速为0.40~0.50 m/s时，既能有效控制柜内实验产生的污染物浓度，又符合经济运行原则。研究表明，约有17%的采用0.40~0.60 m/s“可接受”面风速的排风柜未通过示踪气体检测，体积分数超过0.1×10-6控制水平。足够的面风速是必要的，但不是获得可接受性能的唯一标准，且也不应作为唯一的性能指标。
     综上所述，排风柜使用变风量控制并非单纯为了节能减排，其首要目的是保障和提升排风柜的安全性能。排风柜变风量控制可分为闭环控制、开环控制和复合控制3种。

1.1 闭环控制系统

闭环控制系统方框图见图1。面风速传感器实时测量排风柜面风速并与给定值（目标控制面风速）进行比较，通过对变风量蝶阀进行控制来实现对排风柜面风速的控制。如何采用面风速传感器精确测量排风柜的（平均）面风速成为整个系统达到控制效果的核心和关键，也成为该系统长期以来的争论核心问题。

1.2 开环控制系统

开环控制系统方框图见图2。位移传感器实时测量排风柜调节门开度，变风量控制器通过运算实现对变风量文丘里阀的控制来确保所需排风量，从而实现排风柜面风速稳定在设定值。排风柜面风速计算式为

式中 v 为排风柜面风速，m/s； Q 为排风柜排风量，m3/h； w 为排风柜调节门宽度，m； h 为排风柜调节门开度，m； F 为排风柜补风翼下固定面积，㎡。

1.3 复合控制系统

复合控制系统方框图见图3。位移传感器实时测量排风柜调节门开度，变风量控制器通过运算给出流量（所需排风量）。同时，配置有流量测量装置的流量型变风量蝶阀实时测量流量，通过比较给定流量和实测流量，变风量控制器通过对作为执行器的流量型变风量蝶阀的控制来确保所需排风量，从而最终实现排风柜面风速稳定在设定值。

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实验室压力控制

 作为一般规则，气流应从低风险区域流向高风险区域，除非该实验室被用作屏障设施。对于具有一定化学暴露风险的化学实验室，实验室压力控制作为实验室安全防护的第二道屏障，进行定向气流控制，确保气流由低风险区域流向较高风险区域是非常必要的且核心的控制手段。实验室压力控制有直接压差控制、余风量控制和自适应余风量控制3种方式。

2.1 直接压差控制

压力传感器实时测量受控区域与压力参照区域的静压差并和给定值（目标控制值）进行比较，通过对变风量送风或者（全面）排风阀门进行控制来实现系统对受控区域静压差的控制。直接压差控制方式控制逻辑简单，可以精确控制受控区域与压力参照区域的静压差，这一点对于具有较高或者高风险的受控区域的压力控制尤为重要。
     直接压差控制的应用具有一定的局限性，选择时应注意以下几点：
     1） 应选择压力稳定区域作为压力参照点。压力波动会导致受控区域的压力扰动和震荡，电梯井区域或其他人为扰动频繁的区域均不宜作为压力参照区域。在工程实践中，选择压力稳定、人为扰动小的压力参照点成为工程成功的关键因素之一。
     2） 受控区域的围护结构密封性要满足建立并能维持压力梯度的要求。化学实验室围护结构密封性普遍较差，近年来兴起的开敞式实验室布局设计进一步加大了直接压差控制实现的难度。
     3） 应保持实验室的门、窗等关闭。很多化学实验室依然有开门做实验的做法，给直接压差控制带来了巨大挑战，一定程度上也促成了余风量控制在化学实验室的广泛应用。当采用直接压差控制时，可借助门磁开关来协助控制系统在开门时过滤压差反馈或延迟变风量阀的响应时间，以此来应对实验室短暂开门所引起的压力波动问题。
     直接压差控制流程见图4，控制器借助压力传感器和变风量阀门持续测量和控制，实现维持实验室与走廊（压力参照点）间静压差稳定的目标。一旦静压差变小，控制器将逐步关闭送风阀以减小送风量直至最小通风换气量（或者满足实验室制冷所需的最小送风量），然后逐步打开全面排风阀直至实验室负压达到设定值。如果实验室负压增大，控制器将逐步关闭全面排风阀，同时逐步打开送风阀直至压力达到设定值。

     通风换气（换气次数）控制流程：控制器持续控制实时送风量大于等于维持最低通风换气要求的流量。该流程同样适用于余风量控制和自适应余风量控制对于通风换气的控制要求。
     温度控制流程（夏季再热）：室内温度传感器持续监测实验室内温度，当室温高于设定温度时，控制器逐步关闭再热盘管（或电加热）阀门，然后逐步打开送风阀直至实验室温度重新达到设定值或者达到满足制冷需求流量的最大设定值；如果室温低于设定温度，控制器将减小送风量直至最小通风换气量或压力控制所需流量，然后逐步打开再热盘管（或电加热）阀门直至温度重新达到设定值。该流程同样适用于余风量控制和自适应余风量控制对于室内温度的控制要求。
2.2 余风量控制
     余风量控制使实验室排风量比送风量大，以此来保持实验室处于负压状态。风量差值通常称为余风量或者补偿风量，这部分差值风量通过门窗缝隙渗透等方式进入实验室，用来维持实验室的负压状态。依据实验室排风柜数量、换气次数及实验空间大小等因素，实验室送、排风量控制和跟踪轨迹如图5、6所示。

     由于余风量控制解决了实验室开门和围护结构密封性差等问题，很多设计师在设计时都偏好余风量控制方式，但这并不能说明余风量控制是最适合的压力控制方式。余风量取值可通过缝隙法和换气次数法来进行计算和复核。在实验室设计时，余风量取值一般按照实际排风量的10%选取，主要基于变风量阀的流量控制精度（±5%以内），送、排风阀的最大流量控制偏差（≤10%），避免出现压差逆转影响实验室整体安全性。
     值得注意的是，余风量控制不适用于那些存放剧毒化学品、暴露风险高的实验室，因为余风量控制仅仅只是在理论上保证实验室维持负压状态，而非进行实际的压力测量和控制。
     余风量控制流程图见图7，控制器借助变风量阀对流量持续测量、反馈和控制，通过精确控制送、排风量差值恒定，实现定向气流的控制目标。一旦风量差值变大（表明实验室负压增大），控制器将逐步关闭全面排风阀，同时逐步打开送风阀直至最大设定值。如果风量差值变小（表明实验室负压减小），控制器将逐步关闭送风阀以减小送风量直至最小通风换气量（或者满足实验室制冷所需的最小送风量），然后逐步打开全面排风阀直至达到余风量设定值。

2.3 自适应余风量控制
     自适应余风量控制是一种具有压力反馈控制的复合控制方式，其结合了余风量控制和直接压差控制2项技术的特点，既具有余风量控制的稳定性，又具有压力反馈控制的精确性。给定一个余风量值，实时监测实验室送、排风量，通过精确的送、排风量控制使余风量维持在这一设定值，以实现实验室处于负压状态的目标。此时，压力传感器实时测量受控区域与压力参照点的静压差并和给定值（目标控制值）进行比较，控制器通过不断调整和重置余风量值，实现对受控区域动态变化的实时更正。
     自适应余风量控制很好地解决了开门对实验室压力控制的影响。在实验室开门瞬间，受控区域压力迅速降至零，此时，控制器仅慢速调整和重置余风量值以期达到压力设定值。对于门敞开的化学实验室来说，最终控制器会将余风量值不断调整直至最大设定值，此时如果压力还未达到设定值，系统将保持最大余风量值持续运行直至实验室的门关闭使系统恢复正常，平时压力起到实时监视作用，自适应余风量控制在实验室开关门过程中的流量及压力跟踪轨迹见图8。

     自适应余风量控制流程见图9，控制器借助压力传感器和变风量阀持续测量和控制，实现送、排风量精确控制以实现保持余风量和静压差稳定的目标。一旦余风量值变大（表明实验室负压增大），控制器将逐步关闭全面排风阀，同时逐步打开送风阀直至最大设定值。如果余风量值变小（表明实验室负压减小），控制器将逐步关闭送风阀以减小送风量直至最小通风换气量（或者满足实验室制冷所需的最小送风量），然后逐步打开全面排风阀直至达到余风量设定值。

     同时，压力传感器持续测量实验室与走廊间的静压差，当静压差偏离设定值时，控制器将会自适应重置余风量直至静压差重新达到设定值。一旦实验室负压过大，控制器将自适应减少余风量直至最小设定值，以期静压差重新达到设定值。如果实验室负压未达到设定值，控制器将增大余风量直至最大设定值，以期静压差重新回到设定值。

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风机变频控制

风机变频控制包含排风机变频控制和新风空调箱变频控制，主要有定静压控制法、变静压控制法、总风量控制法3种控制方法。

3.1 定静压控制法
     定静压控制法采用静压传感器测量送、排风管网上适当位置点的静压值，并以此静压值作为目标控制值，通过调节变频风机的转速来实现测量点的静压值恒定。定静压控制法控制简单、运行可靠，适用于较大的变风量系统，但是节能效果不明显。
     定静压控制法中静压传感器的安装位置决定了整个系统的能耗和效率。静压传感器安装位置不合适会导致系统噪声变大、运行效率降低等情况发生。相关研究表明，在工程实践中，定压点的位置通常选择在离空调机组（或排风机）出风口（或吸气口）的距离约为送风（或排风）主管长度（ L ）的1/3 且气流稳定的直管段上。
3.2 变静压控制法
     变静压控制法也叫最小静压值法，其控制原理是尽量让每个变风量阀均处于全开状态，把系统的运行静压降到最低，最大程度地降低风机的运行能耗和系统噪声。
     变静压控制法要求每个变风量阀必须具有阀门开度反馈功能，并且布线工作复杂，因此在工程中实际应用并不多。但是变静压控制法相比定静压控制法具有更好的节能效果和更低的系统噪声。
3.3 总风量控制法
     总风量控制法有很多种，本文介绍一种基于流量型变风量蝶阀、变风量末端阀位反馈和风机相似律优化的总风量控制法，其原理如图10所示。根据风机相似律，在排风系统阻力曲线不发生变化时，总风量和风机转速成正比。随着流量型变风量蝶阀的调节，变风量排风系统的阻力曲线虽然发生变化，但仍可建立总风量与风机转速的函数关系，系统可以根据变风量末端风量需求合计值直接计算出风机转速。

     同时，每个变风量末端将各自的阀位反馈给总风量控制器来确定系统中具有最大阀位开度 P MAX 的变风量末端的数量。当75%≤ P MAX ≤95%时，说明系统风压正合适，此时无需对风机转速进行调整。当 P MAX ＞95%时，说明系统风压即将不足，最大开度的末端即将全开，面临风量不足的危险，此时应提高风机转速，加大风压。当 P MAX ＜75%时，说明系统风压过大，末端都关得很小，不够节能，此时应降低风机转速，以减少风压。

     优化的总风量控制法不同于定静压控制等典型的反馈控制，属于前馈反馈控制，在前馈控制初步确定风机转速的基础上，引入阀位判断反馈控制微调风机转速，保证系统风压在合理的范围，具有控制平稳快速、精确，系统可靠性高，现场调试简单等优点。

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案例设计及节能减排效果

4.1 案例设计
     案例实验室为某高校科研型化学合成实验室，与前处理、制药行业的小试合成实验室相类似，其特点为排风柜布置密集且同时使用率高。实验室送、排风量大，气流组织设计困难。采用沿墙布置静压箱型送风口送风，送风均匀且流速较低，避免产生吹风感，送风远离排风柜，最大程度减小横向干扰气流对排风柜的影响，新风先经工作人员的呼吸区域再进入排风柜排至室外。
     实验室位于上海市浦东区，面积146 ㎡，层高4.5 m，采用无吊顶设计，实验室平面图见图11。实验室布置16台1.8 m宽台式变风量排风柜，8个万向抽气罩及1台抽风试剂柜。实验室设计1套独立的排风系统和1套独立的新风系统。排风柜设计同时使用率为75%，万向抽气罩设计同时使用率为50%，抽风试剂柜按照常开设计。

4.2 换气次数确定
     化学类实验室换气次数依据规范及实验室潜在风险共同确定：
     1） JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》规定化学类实验室换气次数为3～4 h ^-1   。

     2） HG/T 20711—2019《化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范》规定处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不应低于6 h -1 ，处于非工作状态的实验室、化验室，最小换气次数不宜低于4 h -1 。

     3） 过去，当实验室处于使用状态时，会将实验室最小换气次数固定在4~12 h -1 。最近的研究表明，将换气次数从6 h -1 增大至8 h -1 后，稀释和净化性能显著提高，换气次数超过12 h -1 将出现收益递减。

     4） ASHRAE实验室通风设计等级分类：无机、有机合成和高分子合成实验室属于LVDL-4，通常，换气次数为8 h -1 ，实验室无人使用时最小换气次数为4 h -1 。
     综上所述，本项目化学合成实验室换气次数按照8 h -1 选择。
4.3 风量平衡
     采用缝隙法对实验室渗透风量进行计算和复核（结果见表3），并将计算结果作为自适应余风量控制的最小余风量。

式中 L 为漏风量，m3/h； E 为缝隙流量系数，取0.5； F 为缝隙面积，m2； Δp 为室内外静压差，Pa； ρ 为空气密度，kg/m3，通常取1.2 kg/m3。

实验室风量平衡见表4、5，排风柜变风量控制采用流量型变风量蝶阀并配置自动门管理系统，实验室压力采用自适应余风量控制方式，排风机和新风空调箱采用定静压变频控制方式（控制流程图见图12）。

4.4 不同同时使用率下送排风量对比
     从图13不同同时使用率下送排风量的对比可知：化学合成实验室由于大量使用排风柜，即使在30%同时使用率下，换气次数依然高达20.4 h ^-1 ，可见化学合成实验室运行能耗非常大；在不同同时使用率情况下，送排风系统风量差异显著，30%同时使用率时，系统送、排风量仅为100%同时使用率时的44%、43%。系统风量的大大降低，意味着更小的风管系统、排风机、新风空调箱、空调主机、空调水系统、水泵、相应机电设施的配电容量及更小的运行能耗，科学确定系统同时使用率对项目初投资和后期运行维护意义重大。

4.5 能耗对比分析

      由表6可知，变风量控制系统用于实验室暖通空调系统的节能减排效果显著。对于排风柜均配备自动门管理系统的实验室，实验室非工作状态时送、排风量仅为排风柜设计同时使用率75%时送、排风量的25%和27%。当排风柜同时使用率为30%时，节能模式下的送、排风量仅为排风柜设计同时使用率75%时送、排风量的40%和42%。实验室工作人员良好的操作习惯、科学的管理可取代排风柜的自动门管理系统。当排风柜无人操作时，关闭排风柜调节门不但可以降低能耗，同时还能提升排风柜的安全性能。

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结论

1） 排风柜变风量控制并非单纯为了节能减排，其首要目的是保障和提升排风柜的安全性能。
2） 实验室压力控制方式应当结合实验室实际情况进行针对性选择，确保气流由低风险区域流向较高风险区域。
3） 实验室排风柜等局部排风设备的同时使用率对于实验室机电设施的选型、初投资及运行维护意义重大，在系统设计时需重点考虑和选择。
4） 实验室变风量控制系统不仅保障和提升实验室的安全性能，同时也带来了极大的经济性能，对于节能减排效果显著。通过模式转换可进一步提升节能减排效果，同时变风量控制系统结合工作人员良好的操作习惯、科学的管理对于提升实验室安全性能和节能减排意义深远。

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参考文献

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