一、引言
設(shè)計實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的首要原則是建筑內(nèi)人員的安全，而在維持一個安全舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時，如何減少能耗是一個努力的方向。而通風(fēng)系統(tǒng)的氣流控制是實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵。
二、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)介紹
目前，實驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有如圖幾種類型，采用哪種類型，應(yīng)根據(jù)業(yè)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(yù)算等因素決定。對于一般的化學(xué)實驗樓，可只設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，不需設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)；對于可能長時間有工作人員在實驗室中工作的情況，應(yīng)采用通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)實驗室設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)時，其通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該做成變風(fēng)量系統(tǒng)，有利于節(jié)能。
1. 通風(fēng)設(shè)計
排風(fēng)系統(tǒng)的組成，目前實 驗 室 排 風(fēng) 主 要 來 源 于 排 風(fēng) 柜 的 排 風(fēng) 。除了排風(fēng)柜排風(fēng)外，實驗室排風(fēng)還包括工藝局部排風(fēng)和室內(nèi)輔助排風(fēng)，三者之和即是實驗室總排風(fēng)量。
通風(fēng)系統(tǒng)的補風(fēng)主要由自然進風(fēng)和機械送風(fēng)構(gòu)成，對于連續(xù)使用排風(fēng)系統(tǒng)的實驗室應(yīng)設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)，而間歇使用且排風(fēng)換氣次數(shù)大于 2 次 /h的應(yīng)設(shè)置有組織的自然進風(fēng)。但由于部分實驗室的排風(fēng)系統(tǒng)使用沒有一定的規(guī)律性，導(dǎo)致設(shè)置機械送風(fēng)系統(tǒng)會增加工程造價，并且當(dāng)實驗室內(nèi)設(shè)有幾套排風(fēng)系統(tǒng)時，根本沒有建筑空間來設(shè)置機械送風(fēng)系統(tǒng)。因而建議采用一年中排風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)使用時間占整個工作時間的百分?jǐn)?shù)的大小來決定是否設(shè)機械送風(fēng)系統(tǒng)。
設(shè)置有機械送風(fēng)的補風(fēng)系統(tǒng)，對于采暖地區(qū)，冬季應(yīng)進行加熱處理。但是對于夏熱冬冷地區(qū)，當(dāng)冬季氣溫較低時，不經(jīng)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(yīng)進行熱量平衡計算，如果室溫過低，則應(yīng)進行適當(dāng)?shù)募訜崽幚怼τ诓捎米匀贿M風(fēng)的系統(tǒng)，補風(fēng)就無法進行直接處理。如果室內(nèi)設(shè)有采暖或空調(diào)系統(tǒng)，則在進行設(shè)計時，應(yīng)考慮平衡排風(fēng)所帶走的能量，空調(diào)和采暖系統(tǒng)容量可適當(dāng)放大。
2. 實驗室空調(diào)設(shè)計
2.1溫度控制
新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)采用組合空調(diào)機組，在主風(fēng)管上設(shè)溫度傳感器，送風(fēng)溫度為室內(nèi)溫度（ 23 ± 1） ℃，送風(fēng)溫度控制通過控制冷熱盤管的冷熱水進管上的電動二通閥開度調(diào)整冷熱水量實現(xiàn)。實驗室獨立全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)的冷熱源采用風(fēng)冷熱泵機組，機組設(shè)在實驗室的屋頂上，夏季供回水溫度為 7 ℃ ～ 12 ℃ ，冬季供回水溫度為 40 ℃ ～ 45 ℃ 。室內(nèi)維護結(jié)構(gòu)及設(shè)備人發(fā)熱的冷熱負(fù)荷由多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)及分體空調(diào)器負(fù)擔(dān)，根據(jù)計算，選用合適的機型。
2.2 濕度控制
實驗室內(nèi)人員不多，且無大量散濕設(shè)備，因此室內(nèi)主要濕負(fù)荷為新風(fēng)濕負(fù)荷，當(dāng)新風(fēng)處理到送風(fēng)溫度時的相對濕度不小于50% 時，新風(fēng)由新風(fēng)空調(diào)機組設(shè)有的表冷段進行減濕處理。當(dāng)新
風(fēng)處理到送風(fēng)溫度時的相對濕度小于 50% 時，根據(jù)業(yè)主的具體要求 （ 如室內(nèi)相對濕度不大于50% ） ，因此不需要加減濕處理。
三、變風(fēng)量系統(tǒng)在實驗室中的應(yīng)用
1.從定風(fēng)量轉(zhuǎn)向變風(fēng)量
對于定風(fēng)量（CAV）型的排風(fēng)柜，其排風(fēng)量近似恒定，所以當(dāng)操作門拉下以后，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，污染物在某個角落發(fā)生積聚，一方面沒有有效地對柜內(nèi)污染物稀釋，另一方面，直接造成能量浪費。改進后的旁通型排風(fēng)柜通過設(shè)置旁通百葉，盡管理論上可以保持一定的風(fēng)量和風(fēng)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(yīng)該是從送風(fēng)口送出的氣流通過與室內(nèi)空氣的混合帶走室內(nèi)熱濕負(fù)荷，最后通過排風(fēng)柜抽走，但是事實上在各種因素的作用下這很難實現(xiàn)。通常認(rèn)為，排風(fēng)柜性能是和柜面氣流的平均風(fēng)速（簡稱面風(fēng)速）有直接關(guān)系。變風(fēng)量VAV系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點就是為了確保穩(wěn)定的面風(fēng)速。允許的面風(fēng)速在許多關(guān)于實驗室通風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定，一般取0.3~0.6m/s。
2.VAV系統(tǒng)
2.1 VRV系統(tǒng)的排風(fēng)
在VAV系統(tǒng)中，排風(fēng)柜排風(fēng)量通?？梢酝ㄟ^兩種方式確定，即監(jiān)測排風(fēng)柜門位置或者監(jiān)測面風(fēng)速的大小。因為監(jiān)測柜門位置可以達到較為精確的水平，因此前者原則上可以通過調(diào)整排風(fēng)量確保恒定面風(fēng)速，但是還要考慮到其它類似于人員站在柜前等同樣會影響面風(fēng)速的因素。在排風(fēng)柜排風(fēng)中還要注意個排風(fēng)柜必須有最小排風(fēng)量，以確保在柜門拉至最小時，對柜內(nèi)氣體可以進行足夠的稀釋，防止柜內(nèi)有害氣體濃度過高，以致再次開啟柜門時發(fā)生危險。國內(nèi)一般標(biāo)準(zhǔn)為200m3/h。
2.2VAV系統(tǒng)的補風(fēng)
在實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)量的確定很大程度上不是由室內(nèi)負(fù)荷決定的，而是由排風(fēng)量決定。如前所述，通過負(fù)壓控制確保安全是實驗室通風(fēng)空調(diào)的首要任務(wù)。
目前廣泛采用的就是設(shè)置壓差傳感器，保持設(shè)定壓差，這種控制方式對傳感器的精度要求相當(dāng)高，在實際運行中很難保證任何時刻的壓差恒定。必須指出，并非傳感器精度和靈敏性越高，控制效果就越好。因為實際過程中往往會有各種瞬時外界因素干擾氣流，影響室內(nèi)靜壓，如果過于靈敏，反而會出現(xiàn)與期望值相反的結(jié)果。
3.變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)閥配置
如果設(shè)計合理，CAV或VAV系統(tǒng)能提供給實驗室使用者所需等級的安全保護及環(huán)境舒適性。對于通風(fēng)系統(tǒng)的類型(即CAV或VAV)業(yè)主首先考慮的是初投資、系統(tǒng)運行費用，維護費用、擴建費用以及選哪一種系統(tǒng)最合適。盡管VAV的運行費用很低，但它的初投資較高，因為增加了VAV控制裝置，以及相對較昂貴的啟動和運行過程。
具體的配制可見如下分析:排風(fēng)柜配置排風(fēng)智能控制器，包括 1 個排風(fēng)柜面風(fēng)速傳感器，1 個報警風(fēng)量監(jiān)測控制面板，1個排風(fēng)量控制調(diào)節(jié)閥，1 個紅外傳感器，1 個控制器，1 個快速執(zhí)行器，這些裝置將保證排風(fēng)柜的不同運行狀態(tài)時的變排風(fēng)量排風(fēng)。
4.幾種典型模式下的控制
4.1 柜門開度最小時的控制模式
在柜門開度最小的情形下，排風(fēng)柜排風(fēng)量達到最小，這時候送風(fēng)量能否滿足室內(nèi)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。
?。?）調(diào)節(jié)輔助排風(fēng)
位置于室內(nèi)的溫度傳感器與室內(nèi)輔助排風(fēng)連鎖，當(dāng)室內(nèi)溫度超過某設(shè)定值時，輔助排風(fēng)自動加大，然后根據(jù)壓力控制，相應(yīng)調(diào)整送風(fēng)量，直至溫度滿足設(shè)定要求。這種控制方式是加大排風(fēng)量來使送風(fēng)量滿足溫度控制要求，以保持壓差不變。
（2）調(diào)節(jié)再熱量
另外一種較為常用的方式就是通過溫度傳感器調(diào)節(jié)變風(fēng)量末端裝置內(nèi)的再熱盤管，控制VAV送風(fēng)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(shù)分別用兩種不同方式控制，壓力通過壓差傳感器調(diào)節(jié)送風(fēng)量,而溫度則通過溫度傳感器控制再熱盤管進行控制。
4.2 有人時控制模式和無人時控制模式
通常為節(jié)省大量能量，就要采取有人 * 無人兩種模式運行。當(dāng)柜前沒有操作人員時，面風(fēng)速可以下降 (如由0.5m/s降至0.3m/s)，但是風(fēng)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(nèi)照明的自動控制，但是后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(jiān)測技術(shù)。
4.3 緊急情況控制模式
排風(fēng)柜排風(fēng)管道不允許安裝防火閥，一旦發(fā)生火災(zāi)，控制模式應(yīng)該讓排風(fēng)柜的排風(fēng)系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，以排出有害氣體，而且風(fēng)速可以超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
4.4 夜間通風(fēng)控制模式
化學(xué)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(fēng)量，確保對排風(fēng)柜內(nèi)物品可能排放的有害氣體稀釋就可以了，當(dāng)然走廊、實驗室、排風(fēng)柜之間的壓差還是需要保持的。
5.自適應(yīng)控制（UBC）
在二十世紀(jì)末，出現(xiàn)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Usage Based Control）,是在VAV系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過在通風(fēng)柜和生物安全柜上安裝探測器，以監(jiān)測通風(fēng)柜或者生物安全柜前是否有人活動，當(dāng)有人操作時，保持進口風(fēng)速恒定為0.5m/s，以此保障操作者的安全，而如果通風(fēng)柜前無人進行操作時，則將進口風(fēng)速降低為0.3m/s。采用此種控制方式，可以在使用VAV系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再次大幅降低能耗。
三、結(jié)束語
綜上所述，介紹了實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的基本概況。實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)，降低了實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。
若采用UBC系統(tǒng)，更可大幅降低能耗。UBC運行成本可以比傳統(tǒng)VAV系統(tǒng)節(jié)省30％左右。
