實驗室空調通風系統設計摘要：本文介紹了實驗室通風系統的設計方案及其實現方案的關鍵設備-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：伴隨國民經濟的快速發展及產業轉型升級，新材料、生物醫藥等行業蓬勃發展，催生了實驗室設施新一輪新建改建的高潮。而空調通風系統是保證實驗室安全有序運行的重要的保證。過去因為技術條件及經濟水平的限制，很多實驗室完全是按照普通的舒適性空調通風系統進行設計，遠遠不能適應時代及技術發展需要。在此對實驗室的空調通風系統相關內容做簡要介紹及分析，作為對自己這幾年相關項目的總結，亦可供同行從業人員討論參考。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揮了關鍵作用。為保證選擇合適的風量調節閥，先簡單介紹下風量控制閥的三個重要參數1，響應時間：閥門風量調節至指令值所需要的時間。按響應時間，可分為快速反應型（反應時間小于1秒）及一般型（反應時間約10秒）。快的響應時間能更好的滿足設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。調節比：閥門最大與最小調節風量的比值，一般為4:1，10:1，20:1等。要根據實際需求的送、排風量合理的選擇風量控制閥的調節比。精度：經過閥門的風量與需求風量的偏差，一般小于10%，優秀的閥門可小于5%，毫無疑問，閥門的精度越高對于系統控制約有利。風量控制閥主要包括變風量風閥（可根據工藝需求實時調節經過閥門的風量）、定風量閥（經過閥門的風量經安裝調試后標定，不再隨管道特性改變而改變）及雙風量閥（經過閥門的風量經安裝調試后標定兩檔風量，系統運行時根據需求實時切換）。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速度快、控制精度高、安裝簡便等特點，但是其價格高，經過閥體的壓降較大。設計人員需要根據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節特性的諸多差異，同管路同系統不應出現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用實驗室需要排風的工藝設備種類琳瑯滿目，但歸納其排風運行模式，主要包括變風量連續排風、定風量連續排風、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：變風量連續排風（主要工藝設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。在柜門完全關閉時維持最低排風量防止柜內有害氣體聚集。如圖2.1所示，在柜體排風管路上設置變風量閥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備工況的改變而改變，需在排風管路上設置定風量閥一般而言，排風罩的設計排風量由排放的氣體介質、罩口的類型等進行計算后確定；試劑柜的排風量一般由設備標定或根據柜體容積，按換氣次數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，設計時應根據排放的介質分類（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，且需要與排風系統隔離，待工藝過程結束后聯通排風管路進行排風（如化妝品生產的感官間，將香精放入特殊的小隔間內，并與其余空間保持隔絕，待品味結束后排出隔間的氣體）。對于這類排風，可以采用關閉型雙風量閥進行雙穩態控制（但是關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型電動密閉閥進行控制：在不需要排風時保持電動閥關閉，需要排風時電動閥迅速打開，定風量閥自動調節節流機構以達到預設的排風量。4：雙風量排風。工藝需要排風設備需高、低兩檔排風，此時一般配合使用雙風量閥。經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環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，一般設計變風量送風系統，其優點是可以降低送風風機能耗，但是存在著室內溫濕度參數波動較大的缺點。對于特殊需求的實驗室系統，對房間換氣次數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），一般設計為定風量送風系統。工藝最大排風量小于房間需求送風量的實驗室一般也設計為定風量送風系統，現分別分析這兩種送風系統及壓力控制。1：變風量送風系統：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及控制室內溫度要求計算，室內的最小空調送風量為8000CMH，為維持室內負壓需要的負壓風量為1000CMH，則房間的最小排風量應為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范圍內波動；VAV-2支路，排風量在2000~4000CMH范圍內波動；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，而空調送風量為8000CMH，則室內勢必形成正壓，會造成室內有害物擴散至實驗室以外的區域，所以我們應額外設一路房間排風管路VAV-3，以彌補室內排風量的不足（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壓力恒定。控制器先采集所有工藝排風閥(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，則會調節房間排風支路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至閥體調節范圍的最低值1500CMH。當房間排風的總排風量大于9000CMH時，控制系統開始調節送風閥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定，房間內外氣流方向不受外界因素干擾(如開門開窗)，對于送、排風系統比較龐大復雜的系統，差值風量控制法的控制邏輯也會比較復雜。附圖3.2為壓力直接控制法：空調送風變風量閥直接與房間設置的壓力傳感器連鎖以控制送風量。此方法控制設計簡單，但這種方法在房間突然開門時會造成房間壓力變為0值，對送風閥風量失控（此時工藝排風量如果發生變化，送風系統無法聯動，會造成實驗室房間對周圍房間溢流）。這種情況可設置開門信號指示維持送、排風閥風量不變或設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：維持系統空調送風量不變，通過調節房間排風/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。對于這種系統設計，首先，要預先設定要房間的恒定送風量，此恒定送風量必須滿足：1，當室內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范圍內波動，VAV-2支路，排風量在2000~4000CMH范圍內波動。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，與需求的系統排風總量12000CMH進行差值計算，通過調節房間排風支路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排風總量。四：實驗室溫、濕度控制：對于常規的理化實驗室，室內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，如何進行系統設計就顯得很重要了。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設計為同一個空調系統，而房間1、2、3、4能否設計為一個空調系統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，在設計系統時應各自獨立。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空調系統，房間4為工藝核心房間，故溫濕度控制應以此房間為核心控制區，此房間內設置的溫濕度傳感器直接連鎖控制空調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置再熱/再冷盤管來調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計為一個空調系統，夏季及冬季工況下可設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送風溫度來控制室內的溫濕度。無論是附圖4.2還是附圖4.3系統，在設計時，均應該結合送風、排風組織設計，合理設計各房間的送風量，避免同一套空調系統各房間送風支管出現再冷及再熱同時出現的情況，導致系統運行及控制過于復雜（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，很多設計人員以此進行系統設計時，僅設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），制冷季節，送風經冷盤管降溫及少量除濕即送入房間，導致房間的相對濕度很大（梅雨季節尤甚），導致房間發霉;而冬季因為沒有加濕又導致房間相對濕度極低，人員舒適感差且容易產生靜電（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系統設計時不考慮控制相對濕度的措施。