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實驗室通風空調系統的設計優化

 

一、引言 
  設計實驗室通風空調系統的首要原則是建築內人員的安全,而在維持一個安全舒適的室內環境的同時,如何減少能耗是一個努力的方向。而通風系統的氣流控制是實驗室通風空調系統設計優化的關鍵。 
  二、通風空調系統介紹 
  目前,實驗樓通風空調系統有如圖幾種類型,采用哪種類型,應根據業主的要求、項目所在地的氣象條件、實驗樓的檔次和使用情況、投資預算等因素決定。對于一般的化學實驗樓,可只設置通風系統,不需設置空調系統;對于可能長時間有工作人員在實驗室中工作的情況,應采用通風+空調系統。當實驗室設有空調系統時,其通風系統應該做成變風量系統,有利于節能。 
  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。 
  設置有機械送風的補風系統,對于采暖地區,冬季應進行加熱處理。但是對于夏熱冬冷地區,當冬季氣溫較低時,不經處理的大量室外空氣的引入,可能會造成室溫較低,對于此種情況,應進行熱量平衡計算,如果室溫過低,則應進行適當的加熱處理。對于采用自然進風的系統,補風就無法進行直接處理。如果室內設有采暖或空調系統,則在進行設計時,應考慮平衡排風所帶走的能量,空調和采暖系統容量可適當放大。 
  2. 实验室空调设计 
  2.1溫度控制 
  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、變風量系統在實驗室中的應用 
  1.從定風量轉向變風量 
  對于定風量(CAV)型的排風櫃,其排風量近似恒定,所以當操作門拉下以後,速度在面積較小的情形下會達到很大,這種難以控制的高速氣流會造成氣流短路,貼附底面直接抽走,汙染物在某個角落發生積聚,一方面沒有有效地對櫃內汙染物稀釋,另一方面,直接造成能量浪費。改進後的旁通型排風櫃通過設置旁通百葉,盡管理論上可以保持一定的風量和風速,但是實際上這種只是相對意義上的恒定。 
  一個理想的實驗室氣流流向應該是從送風口送出的氣流通過與室內空氣的混合帶走室內熱濕負荷,最後通過排風櫃抽走,但是事實上在各種因素的作用下這很難實現。通常認爲,排風櫃性能是和櫃面氣流的平均風速(簡稱面風速)有直接關系。變風量VAV系統設計的出發點就是爲了確保穩定的面風速。允許的面風速在許多關于實驗室通風的標准中都有規定,一般取0.3~0.6m/s。 
  2.VAV系統 
  2.1 VRV系统的排风 
  在VAV系統中,排風櫃排風量通常可以通過兩種方式確定,即監測排風櫃門位置或者監測面風速的大小。因爲監測櫃門位置可以達到較爲精確的水平,因此前者原則上可以通過調整排風量確保恒定面風速,但是還要考慮到其它類似于人員站在櫃前等同樣會影響面風速的因素。在排風櫃排風中還要注意個排風櫃必須有最小排風量,以確保在櫃門拉至最小時,對櫃內氣體可以進行足夠的稀釋,防止櫃內有害氣體濃度過高,以致再次開啓櫃門時發生危險。國內一般標准爲200m3/h。 
  2.2VAV系統的補風 
  在實驗室通風空調系統中,送風量的確定很大程度上不是由室內負荷決定的,而是由排風量決定。如前所述,通過負壓控制確保安全是實驗室通風空調的首要任務。 
  目前廣泛采用的就是設置壓差傳感器,保持設定壓差,這種控制方式對傳感器的精度要求相當高,在實際運行中很難保證任何時刻的壓差恒定。必須指出,並非傳感器精度和靈敏性越高,控制效果就越好。因爲實際過程中往往會有各種瞬時外界因素幹擾氣流,影響室內靜壓,如果過于靈敏,反而會出現與期望值相反的結果。 
  3.變風量系統風閥配置 
  如果設計合理,CAV或VAV系統能提供給實驗室使用者所需等級的安全保護及環境舒適性。對于通風系統的類型(即CAV或VAV)業主首先考慮的是初投資、系統運行費用,維護費用、擴建費用以及選哪一種系統最合適。盡管VAV的運行費用很低,但它的初投資較高,因爲增加了VAV控制裝置,以及相對較昂貴的啓動和運行過程。 
  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.幾種典型模式下的控制 
  4.1 柜门开度最小时的控制模式 
  在櫃門開度最小的情形下,排風櫃排風量達到最小,這時候送風量能否滿足室內溫度要求就顯得格外重要了。一般來講,有以下兩種控制方式。 
  (1)調節輔助排風 
  位置于室內的溫度傳感器與室內輔助排風連鎖,當室內溫度超過某設定值時,輔助排風自動加大,然後根據壓力控制,相應調整送風量,直至溫度滿足設定要求。這種控制方式是加大排風量來使送風量滿足溫度控制要求,以保持壓差不變。 
  (2)調節再熱量 
  另外一種較爲常用的方式就是通過溫度傳感器調節變風量末端裝置內的再熱盤管,控制VAV送風的再熱量來滿足溫度要求。簡單地說,這種控制方式就是將壓力和溫度兩個參數分別用兩種不同方式控制,壓力通過壓差傳感器調節送風量,而溫度則通過溫度傳感器控制再熱盤管進行控制。 
  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),但是風速降低必須充分基于安全性考慮。有人或者無人模式的確定有很多方式,以前較多采用的是手動控制和利用實驗室內照明的自動控制,但是後者對于某些光感實驗就不太適用,目前用得比較多的是利用紅外遙感監測技術。 
  4.3 紧急情况控制模式 
  排風櫃排風管道不允許安裝防火閥,一旦發生火災,控制模式應該讓排風櫃的排風系統一直處于工作狀態,以排出有害氣體,而且風速可以超過有關標准。 
  4.4 夜间通风控制模式 
  化學實驗室一般來講晚間是不進行實驗的,因此控制模式只要保持最小排風量,確保對排風櫃內物品可能排放的有害氣體稀釋就可以了,當然走廊、實驗室、排風櫃之間的壓差還是需要保持的。 
  5.自適應控制(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、結束語 
  綜上所述,介紹了實驗室通風空調系統的基本概況。實驗室通風空調系統的運行能耗巨大,運行能耗的費用約占整個實驗室使用生命周期成本60%。采用VAV控制系統,降低了實驗室通風空調系統的能耗。 
  若采用UBC系統,更可大幅降低能耗。UBC運行成本可以比傳統VAV系統節省30%左右。 

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