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【自控系統(tǒng)】化學(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計
來源：《暖通空調(diào)》 日期：2021-06-01 閱讀()
近幾年，國內(nèi)許多新建的化學(xué)實驗大樓采取集中排風(fēng)和全新風(fēng)空調(diào)兩套獨立的送排風(fēng)系統(tǒng)。這類實驗室采用較多的一種通風(fēng)方案是豎直集中排風(fēng)，風(fēng)管豎直安裝在排風(fēng)管井內(nèi)，排風(fēng)機安裝在屋頂，一個排風(fēng)機同時負(fù)責(zé)上下多個樓層多個房間通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)。排風(fēng)設(shè)施以通風(fēng)柜、移動風(fēng)罩、固定風(fēng)罩和試劑柜為主（見圖１）。
為了節(jié)約能源，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象，減少在少量房間使用時的能源損耗，實驗室通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)了一些新的控制思路與技術(shù)。本文對筆者參與的已建成及在建的化學(xué)實驗室通風(fēng)自控系統(tǒng)的設(shè)計方案和調(diào)試方法進行介紹，供同仁參考。
一、送排風(fēng)開關(guān)控制
1.1 設(shè)計要求
要求每個房間的送排風(fēng)閥都能單獨開關(guān)。只要有一間房間開，送排風(fēng)機就開，所有房間關(guān)，送排風(fēng)機才關(guān)。為了方便實驗人員操作和物業(yè)管理人員監(jiān)控，要求每個房間的送排風(fēng)閥都能做到就地開關(guān)，遠程監(jiān)控。
1.2 設(shè)計方案
以每個房間為一個送排風(fēng)單元，在每個房間送排風(fēng)支管與主管的連接處安裝一個電動密閉閥，在門口安裝一個送排風(fēng)啟停按鈕。當(dāng)該房間需要啟用時，就地開啟按鈕，信號上傳到樓宇設(shè)備自控（building automation，BA）系統(tǒng)控制柜，經(jīng)直接數(shù)字控制（direct digital control,DDC），或可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC)控制元器件確認(rèn)后，打開該房間的電動密閉閥。電動密閉閥的開啟信號反饋到ＢＡ自控柜，控制模塊按程序同時啟動送排風(fēng)機，上述控制程序和狀態(tài)在遠程監(jiān)控室計算機人機界面都能操作和顯示（見圖２）。
1.3 調(diào)試方法
1)先斷開送排風(fēng)機的電源，逐個開關(guān)每個房間的啟停按鈕，檢查其電動密閉閥是否開關(guān)自如。
2)合上送排風(fēng)機電源，再逐個開啟每個房間的啟停按鈕，檢查送排風(fēng)機能否啟動；如能，則打開所有房間的啟動按鈕，然后再逐個關(guān)閉按鈕，檢查最后一個房間的按鈕關(guān)閉后送排風(fēng)機能否關(guān)閉。
3)針對上述開關(guān)流程和工作狀態(tài)，檢查現(xiàn)場和遠程計算機顯示的狀態(tài)是否一致。
二、送排風(fēng)風(fēng)量控制
2.1 設(shè)計要求
在所有房間正常使用的工況下，送排風(fēng)機在滿負(fù)荷運行情況下，能夠滿足所有房間所需要的風(fēng)量。采取變風(fēng)量（VAV）通風(fēng)系統(tǒng)時，最大設(shè)計風(fēng)量按照全部通風(fēng)柜在有人操作時，移門開啟高度0.5ｍ，同時使用系數(shù)70%而設(shè)計；采取或含有定風(fēng)量（CAV）通風(fēng)系統(tǒng)時，按照實際風(fēng)量的100%設(shè)計。
房間的實際排風(fēng)量大于設(shè)計最大排風(fēng)量時要有房間報警裝置，以提醒實驗人員把通風(fēng)柜的移門拉低，減少通風(fēng)柜的排風(fēng)量，以防某個房間的風(fēng)量過大影響其他房間的風(fēng)量分配和節(jié)約能源。
在少量房間使用和變風(fēng)量通風(fēng)柜大風(fēng)量變化的情況下，風(fēng)機要能自動快速地進行無級變頻調(diào)速，以節(jié)約能源。
2.2 設(shè)計方案
通風(fēng)柜和房間的變風(fēng)量范圍相對該系統(tǒng)主風(fēng)道的總風(fēng)量變化較小，要求反應(yīng)速度較快，而ＢＡ系統(tǒng)對風(fēng)機的變頻調(diào)速反應(yīng)比較滯后，對小風(fēng)量的變化不是很靈敏，因此采取兩級控制的方法（見圖1）。
1)第一級主要是對通風(fēng)柜排風(fēng)和房間送風(fēng)進行變風(fēng)量控制。控制方法以每個房間為一個單元，主要是采用實驗室專用的壓力無關(guān)型的文丘里閥或蝶閥對通風(fēng)柜的排風(fēng)和房間的送風(fēng)進行ＶＡＶ控制。通風(fēng)柜ＶＡＶ閥能夠根據(jù)移門開啟高度的變化，在通風(fēng)柜面風(fēng)速保持不變的情況下快速調(diào)整排風(fēng)量，ＶＡＶ送風(fēng)閥能夠根據(jù)房間總排風(fēng)量的變化信號，快速改變房間送風(fēng)量，并始終與排風(fēng)量保持一個負(fù)的余風(fēng)量差，以保證房間負(fù)壓和換氣次數(shù)要求，因此ＶＡＶ閥能夠滿足通風(fēng)柜和房間風(fēng)量快速變化的要求。
房間送風(fēng)量的控制也有兩種模式，完全變風(fēng)量控制模式和部分變風(fēng)量控制模式。
① 完全變風(fēng)量控制模式是變送變排，房間總送風(fēng)量隨著總排風(fēng)量的變化而變化。房間所有通風(fēng)柜瞬間的排風(fēng)量為房間總的排風(fēng)量。為了保證房間的負(fù)壓，送風(fēng)量與排風(fēng)量始終維持一個負(fù)的風(fēng)量差。該模式可采用兩種控制方式，一種是ＶＡＶ系統(tǒng)，由ＶＡＶ閥及其控制器件、通風(fēng)柜數(shù)據(jù)采集及其控制器件組成，ＶＡＶ系統(tǒng)自身采集所有通風(fēng)柜瞬間的排風(fēng)量參數(shù)，聯(lián)動控制ＶＡＶ閥送風(fēng)量，ＶＡＶ閥供應(yīng)商成套提供軟件及相關(guān)設(shè)備。另一種是ＢＡ系統(tǒng)，由末端采集設(shè)備、控制模塊及上位機組成，ＢＡ系統(tǒng)采集每個通風(fēng)柜的參數(shù)，經(jīng)ＤＤＣ或ＰＬＣ數(shù)據(jù)分析后控制變風(fēng)量送風(fēng)，一般由弱電系統(tǒng)集成商完成。
② 部分變風(fēng)量控制模式是定送變排。送風(fēng)采用壓力無關(guān)型的ＣＡＶ閥，手動方式設(shè)定一個固定的風(fēng)量值，不受排風(fēng)量變化控制，為了保證房間在最小排風(fēng)量時也不出現(xiàn)正壓，送入房間的風(fēng)量始終略小于最小排風(fēng)量。送風(fēng)系統(tǒng)７０％的風(fēng)量送入室內(nèi)，其余３０％的風(fēng)量送入走廊，送入走廊的這部分風(fēng)量會隨著室內(nèi)排風(fēng)量大小變化，通過門窗百葉或余壓閥自然地補入室內(nèi)。部分變風(fēng)量控制系統(tǒng)經(jīng)濟可靠、調(diào)試簡單，本例采用的就是部分變風(fēng)量控制系統(tǒng)。
2)第二級主要是對主風(fēng)道進行變風(fēng)量控制。采用定靜壓ＢＡ變頻控制系統(tǒng)，在送排風(fēng)各自主管道的末端（進房間之前）１／３處，設(shè)計安裝靜壓傳感器，根據(jù)實時測得的管道壓力值與設(shè)定的基準(zhǔn)壓力值相比較，從而控制變頻器對各自的送排風(fēng)機進行無級調(diào)速。安裝位置有時需要根據(jù)工程情況實際測定。當(dāng)送排風(fēng)機同時工作時，設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)基準(zhǔn)送風(fēng)值，排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量跟蹤該值，保持排風(fēng)量值在送風(fēng)量值之上合理區(qū)間范圍內(nèi)，這樣就不會出現(xiàn)瞬時總送風(fēng)量大于總排風(fēng)量，導(dǎo)致實驗區(qū)出現(xiàn)正壓、造成污染。
2.3 調(diào)試方法
2.3.1 排風(fēng)調(diào)試
1)先將排風(fēng)機控制柜的變頻器設(shè)置在手動擋，風(fēng)管的基準(zhǔn)靜壓值設(shè)定在滿足最不利點排風(fēng)設(shè)施———移動風(fēng)罩所需的風(fēng)壓值３５０Ｐａ，為防止在少量房間剛啟動時，風(fēng)管壓力過大壓爆靜壓傳感器，所有房間的通風(fēng)柜的移門都定位在房間最大設(shè)計排風(fēng)量時的移門開啟高度，頻率暫設(shè)定為２０Ｈｚ。
2)逐個打開系統(tǒng)所有房間的啟停按鈕，將排風(fēng)機的變頻器頻率逐步調(diào)高，達到風(fēng)道動態(tài)靜壓值３５０Ｐａ。此時每個通風(fēng)柜的面風(fēng)速和排風(fēng)量還未調(diào)試和校正，所以該頻率只能作為初調(diào)時最大風(fēng)量的初設(shè)值。
3)從上到下逐個調(diào)試和校正通風(fēng)柜的面風(fēng)速和排風(fēng)量，使所有通風(fēng)柜都能滿足面風(fēng)速和設(shè)定的排風(fēng)量要求，此時最大風(fēng)量值才是風(fēng)機能夠滿足最大風(fēng)量時的真實值。因ＶＡＶ閥全部采用壓力無關(guān)型閥，其最大特點是在風(fēng)管壓力變化很大（２５０～７５０Ｐａ）的情況下，風(fēng)量能保持不變；但在大壓差的情況下，風(fēng)阻較大，噪聲可能很大。
因此在證明風(fēng)機能滿足最大排風(fēng)量需求后，逐步手動調(diào)低變頻器的頻率，使最后一個通風(fēng)柜達到規(guī)定的面風(fēng)速時的噪聲最小。此時的風(fēng)機頻率為最大排風(fēng)量所需的最佳頻率值。此時的頻率值和相應(yīng)的壓力傳感器的壓力值，為最大風(fēng)量時的基準(zhǔn)值。
4)逐個關(guān)掉所有房間的風(fēng)機啟停按鈕，每關(guān)掉一間房間的風(fēng)機后靜壓值上升，手動逐步降低變頻器的頻率，直至穩(wěn)定在原有的基準(zhǔn)靜壓值，記下每關(guān)掉一間房間風(fēng)機時的頻率和靜壓值，確定最大風(fēng)量值和最小風(fēng)量值時所需的最大頻率和最小頻率值，形成一條與變風(fēng)量相對應(yīng)的風(fēng)機變頻曲線。依此數(shù)據(jù)曲線，編制ＢＡ系統(tǒng)控制程序。
5)根據(jù)上述手動調(diào)試的控制流程和數(shù)據(jù)，編制自控程序和計算機人機界面，人機界面具有反映上面所有控制流程和狀態(tài)的圖（如圖３所示），并能用遠程計算機進行監(jiān)控和調(diào)試，在編制完控制軟件和人機界面后，將變頻器放置在自動擋，在計算機上按上述手動調(diào)試的方法進行自動調(diào)試。以檢驗軟件編程是否可行，與手動調(diào)試是否一致，微調(diào)基準(zhǔn)靜壓值和變頻曲線形狀，使風(fēng)量變化更趨平穩(wěn)，與現(xiàn)場更加趨于一致，穩(wěn)定可靠。
2.3.2 送風(fēng)調(diào)試
主風(fēng)道的大風(fēng)量的變頻調(diào)試程序方法與排風(fēng)相同。房間內(nèi)的送風(fēng)量調(diào)試，本項目采取的是部分變風(fēng)量系統(tǒng)，通風(fēng)柜采用ＶＡＶ系統(tǒng)，送風(fēng)全部采用ＣＡＶ送風(fēng)，因此ＶＡＶ閥的設(shè)備供應(yīng)商僅對采用ＶＡＶ閥的通風(fēng)柜進行了調(diào)試，未對送風(fēng)進行調(diào)試，大大簡化了調(diào)試的難度。
三、溫度控制
3.1 設(shè)計要求
在送風(fēng)溫度相同的情況下，送排風(fēng)量不同，室內(nèi)溫度也會不同。因此，在新風(fēng)換氣次數(shù)大于８ｈ－１的理化實驗室，溫度控制以新風(fēng)為主，風(fēng)機盤管為輔；在新風(fēng)小于６ｈ－１的儀器室，溫度控制以風(fēng)機盤管為主，新風(fēng)為輔；需要２４ｈ溫度控制的房間，如樣品室、試劑室、留樣室采用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)。
3.2設(shè)計方案
在新風(fēng)機組冷水進水管安裝一個電動比例積分水閥，在出風(fēng)口設(shè)置一溫度測點，通過出風(fēng)溫度與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度的差值，自動調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機組表冷器的水流量，調(diào)整出風(fēng)溫度以保證房間溫度的穩(wěn)定。調(diào)試方法與常規(guī)的新風(fēng)機組溫度調(diào)試相同。
綜上所述，通過對化學(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試思路的探討，在一般實驗室使用要求下，采取房間一對一設(shè)置開關(guān)、部分變風(fēng)量控制的模式是降低能耗、控制實驗室壓力的有效方法。為了能夠更精準(zhǔn)地控制房間壓力，以及更快地提高響應(yīng)時間，還需要對該系統(tǒng)進行更深入的研究，在實驗室兩級控制的基礎(chǔ)上，ＶＡＶ控制系統(tǒng)與ＢＡ系統(tǒng)可以有更多的信息互聯(lián)互通，從而更加智能地分析房間壓力的變化并進行調(diào)整。
一、送排風(fēng)開關(guān)控制
1.1 設(shè)計要求
要求每個房間的送排風(fēng)閥都能單獨開關(guān)。只要有一間房間開，送排風(fēng)機就開，所有房間關(guān)，送排風(fēng)機才關(guān)。為了方便實驗人員操作和物業(yè)管理人員監(jiān)控，要求每個房間的送排風(fēng)閥都能做到就地開關(guān)，遠程監(jiān)控。
1.2 設(shè)計方案
以每個房間為一個送排風(fēng)單元，在每個房間送排風(fēng)支管與主管的連接處安裝一個電動密閉閥，在門口安裝一個送排風(fēng)啟停按鈕。當(dāng)該房間需要啟用時，就地開啟按鈕，信號上傳到樓宇設(shè)備自控（building automation，BA）系統(tǒng)控制柜，經(jīng)直接數(shù)字控制（direct digital control,DDC），或可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC)控制元器件確認(rèn)后，打開該房間的電動密閉閥。電動密閉閥的開啟信號反饋到ＢＡ自控柜，控制模塊按程序同時啟動送排風(fēng)機，上述控制程序和狀態(tài)在遠程監(jiān)控室計算機人機界面都能操作和顯示（見圖２）。
1.3 調(diào)試方法
2)合上送排風(fēng)機電源，再逐個開啟每個房間的啟停按鈕，檢查送排風(fēng)機能否啟動；如能，則打開所有房間的啟動按鈕，然后再逐個關(guān)閉按鈕，檢查最后一個房間的按鈕關(guān)閉后送排風(fēng)機能否關(guān)閉。
3)針對上述開關(guān)流程和工作狀態(tài)，檢查現(xiàn)場和遠程計算機顯示的狀態(tài)是否一致。
二、送排風(fēng)風(fēng)量控制
2.1 設(shè)計要求
2.2 設(shè)計方案
通風(fēng)柜和房間的變風(fēng)量范圍相對該系統(tǒng)主風(fēng)道的總風(fēng)量變化較小，要求反應(yīng)速度較快，而ＢＡ系統(tǒng)對風(fēng)機的變頻調(diào)速反應(yīng)比較滯后，對小風(fēng)量的變化不是很靈敏，因此采取兩級控制的方法（見圖1）。
1)第一級主要是對通風(fēng)柜排風(fēng)和房間送風(fēng)進行變風(fēng)量控制。控制方法以每個房間為一個單元，主要是采用實驗室專用的壓力無關(guān)型的文丘里閥或蝶閥對通風(fēng)柜的排風(fēng)和房間的送風(fēng)進行ＶＡＶ控制。通風(fēng)柜ＶＡＶ閥能夠根據(jù)移門開啟高度的變化，在通風(fēng)柜面風(fēng)速保持不變的情況下快速調(diào)整排風(fēng)量，ＶＡＶ送風(fēng)閥能夠根據(jù)房間總排風(fēng)量的變化信號，快速改變房間送風(fēng)量，并始終與排風(fēng)量保持一個負(fù)的余風(fēng)量差，以保證房間負(fù)壓和換氣次數(shù)要求，因此ＶＡＶ閥能夠滿足通風(fēng)柜和房間風(fēng)量快速變化的要求。
2)第二級主要是對主風(fēng)道進行變風(fēng)量控制。采用定靜壓ＢＡ變頻控制系統(tǒng)，在送排風(fēng)各自主管道的末端（進房間之前）１／３處，設(shè)計安裝靜壓傳感器，根據(jù)實時測得的管道壓力值與設(shè)定的基準(zhǔn)壓力值相比較，從而控制變頻器對各自的送排風(fēng)機進行無級調(diào)速。安裝位置有時需要根據(jù)工程情況實際測定。當(dāng)送排風(fēng)機同時工作時，設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)基準(zhǔn)送風(fēng)值，排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量跟蹤該值，保持排風(fēng)量值在送風(fēng)量值之上合理區(qū)間范圍內(nèi)，這樣就不會出現(xiàn)瞬時總送風(fēng)量大于總排風(fēng)量，導(dǎo)致實驗區(qū)出現(xiàn)正壓、造成污染。
2.3 調(diào)試方法
2.3.1 排風(fēng)調(diào)試
1)先將排風(fēng)機控制柜的變頻器設(shè)置在手動擋，風(fēng)管的基準(zhǔn)靜壓值設(shè)定在滿足最不利點排風(fēng)設(shè)施———移動風(fēng)罩所需的風(fēng)壓值３５０Ｐａ，為防止在少量房間剛啟動時，風(fēng)管壓力過大壓爆靜壓傳感器，所有房間的通風(fēng)柜的移門都定位在房間最大設(shè)計排風(fēng)量時的移門開啟高度，頻率暫設(shè)定為２０Ｈｚ。
2)逐個打開系統(tǒng)所有房間的啟停按鈕，將排風(fēng)機的變頻器頻率逐步調(diào)高，達到風(fēng)道動態(tài)靜壓值３５０Ｐａ。此時每個通風(fēng)柜的面風(fēng)速和排風(fēng)量還未調(diào)試和校正，所以該頻率只能作為初調(diào)時最大風(fēng)量的初設(shè)值。
3)從上到下逐個調(diào)試和校正通風(fēng)柜的面風(fēng)速和排風(fēng)量，使所有通風(fēng)柜都能滿足面風(fēng)速和設(shè)定的排風(fēng)量要求，此時最大風(fēng)量值才是風(fēng)機能夠滿足最大風(fēng)量時的真實值。因ＶＡＶ閥全部采用壓力無關(guān)型閥，其最大特點是在風(fēng)管壓力變化很大（２５０～７５０Ｐａ）的情況下，風(fēng)量能保持不變；但在大壓差的情況下，風(fēng)阻較大，噪聲可能很大。
4)逐個關(guān)掉所有房間的風(fēng)機啟停按鈕，每關(guān)掉一間房間的風(fēng)機后靜壓值上升，手動逐步降低變頻器的頻率，直至穩(wěn)定在原有的基準(zhǔn)靜壓值，記下每關(guān)掉一間房間風(fēng)機時的頻率和靜壓值，確定最大風(fēng)量值和最小風(fēng)量值時所需的最大頻率和最小頻率值，形成一條與變風(fēng)量相對應(yīng)的風(fēng)機變頻曲線。依此數(shù)據(jù)曲線，編制ＢＡ系統(tǒng)控制程序。
5)根據(jù)上述手動調(diào)試的控制流程和數(shù)據(jù)，編制自控程序和計算機人機界面，人機界面具有反映上面所有控制流程和狀態(tài)的圖（如圖３所示），并能用遠程計算機進行監(jiān)控和調(diào)試，在編制完控制軟件和人機界面后，將變頻器放置在自動擋，在計算機上按上述手動調(diào)試的方法進行自動調(diào)試。以檢驗軟件編程是否可行，與手動調(diào)試是否一致，微調(diào)基準(zhǔn)靜壓值和變頻曲線形狀，使風(fēng)量變化更趨平穩(wěn)，與現(xiàn)場更加趨于一致，穩(wěn)定可靠。
2.3.2 送風(fēng)調(diào)試
主風(fēng)道的大風(fēng)量的變頻調(diào)試程序方法與排風(fēng)相同。房間內(nèi)的送風(fēng)量調(diào)試，本項目采取的是部分變風(fēng)量系統(tǒng)，通風(fēng)柜采用ＶＡＶ系統(tǒng)，送風(fēng)全部采用ＣＡＶ送風(fēng)，因此ＶＡＶ閥的設(shè)備供應(yīng)商僅對采用ＶＡＶ閥的通風(fēng)柜進行了調(diào)試，未對送風(fēng)進行調(diào)試，大大簡化了調(diào)試的難度。
三、溫度控制
3.1 設(shè)計要求
在送風(fēng)溫度相同的情況下，送排風(fēng)量不同，室內(nèi)溫度也會不同。因此，在新風(fēng)換氣次數(shù)大于８ｈ－１的理化實驗室，溫度控制以新風(fēng)為主，風(fēng)機盤管為輔；在新風(fēng)小于６ｈ－１的儀器室，溫度控制以風(fēng)機盤管為主，新風(fēng)為輔；需要２４ｈ溫度控制的房間，如樣品室、試劑室、留樣室采用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)。
3.2設(shè)計方案
一、送排風(fēng)開關(guān)控制
