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变风量控制在化学实验室暖通空调系统中的应用

2023-09-12 71 上传者：管理员

摘要：针对化学实验室定风量排风和新风空调系统能耗高、设备投资大的缺点，结合湖北某水资源监测实验室空调系统改造，采用变风量控制、实验室压力控制和风机变频等方法设计实验室排风、新风暖通空调系统。运行结果表明：与传统定风量系统相比，新系统排风量可以减少排放60%，节约电耗60%，在设备投资、占地和节能减排等方面表现出较好的技术优势。

关键词：
化学实验室
变风量控制系统
实验室管理
暖通空调系统
水资源实验室
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引言

目前，国内化学实验室暖通空调系统的设计普遍采用风机盘管（或多联机）加独立新风系统，存在通风量大、设备管道系统占用空间大、补风空调能耗高和系统控制复杂等问题，特别是一些20世纪80、90年代的老建筑楼配置的化学实验室，楼宇结构无风井，承重负荷小，房间密闭性差，安装配置传统暖通空调系统困难。本项目采用变风量控制系统，通过余风量控制系统反馈新风空调新风量，有效减少实验室排风量和新风量，大幅度降低了实验室能耗，减轻了楼层负载。

1、项目概况

项目为湖北某水资源监测实验室通风系统的改造。建筑楼层共4层，为水资源有机和无机化学检测实验室，排放的废气为低浓度有机和无机废气，无剧毒废气。楼层建筑为1989年建造的老建筑，无风井，房间密闭性差，楼顶承重低。

项目建设的目标是检测环境达到CMA、CNAS认证的环境要求，项目改建后符合《科研建筑设计标准》（JGJ 91—2019）要求，如表1：化学实验室室内设计参数[1]。

表1化学实验室室内设计参数

按表1标准，项目实际设计实验室环境控制目标为：温度（18～25±2）℃、房间压差-5～-10 Pa、相对湿度30%～65%。同时项目采用轻质环保岩棉玻镁彩钢板提高房间密闭性，减少漏风率，保证房间保温效果。变风量控制主要设备包括排风柜、排风试剂柜、万向抽气罩、原子吸收罩等。

2、变风量控制系统设计原理

该项目排风柜采用变风量控制排风柜，房间新风、余风量控制送风达到与房间风量平衡。原排风柜变风量控制和新风、余风量控制工作如下。

2.1变风量控制排风系统

根据JGT 222—2007《变风量排风柜》《美国国家实验室通风标准（2012）》，面风速按0.4～0.5 m/s设计，系统控制原理如图1所示[2]。

图1变风量控制系统原理示意图

根据图1原理，项目采用变风量和定风量结合的技术，排风柜采用变风量控制排风，排风柜配置变风量控制阀、面风速传感器，通过面风速传感器实时检测排风柜面风速，当面风速偏离设定的0.4～0.5 m/s时，控制器通过快速执行器，迅速调整变风量阀的阀门开度，以达到设定的面风速，以保证实验室环保要求和职业安全要求[3]。多排风柜共用一个排风机系统，采用管道压差控制系统实时控制排风柜的排风量，以达到每台排风柜的排风量需求总和。

2.2房间压差控制系统

房间压差控制采用余风量控制模式，主要是控制送风量使之低于排风量，保持室内负压状态。房间布置余风量管道压差传感器、目标区域静压差与目标压差值等参数，系统根据监控参数，反馈至新风阀门增减新风量，精密、快速控制面风速达到设定目标参数[4,5]。余风量设计是实际排风量10%的水平，通过变风量阀门的精准控制，将最大流量控制偏差保持在±10%以内，避免压力控制不准确而发生危害实验室安全性的情况[6]。

3、变风量控制和定风量控制设计比较

该项目实验室面积为1 450 m2，梁下高度3.2 m，吊顶下高度为2.8 m；工艺布局二层为理化实验室(B)、无机前处理，三层为仪器分析室，四层为有机前处理和有机仪器分析室，共计25台通风柜、4套桌上型通风柜和42个其他排风设备。

如果采用传统定风量排风系统，根据JB/T 6412—1999《排风柜》计算，项目应设计排风柜的排风量为48 700 m3/h，万向抽气罩、排风试剂柜等其他定风量排风设施，排风量约为11 000 m3/h，总排风量应设计为59 700 m3/h，总新风量应超过60 000 m3/h，如表2所述。

表2变风量控制和定风量控制设计比较

在所有排风柜全部投入使用的工况下，采用变风量控制系统，设计面风速0.5 m/s（参考中华人民共和国建筑工业行业标准JGT 222—2007《实验室变风量排风柜》），排风柜的最小总排风量约6 496 m3/h，最大排风量约19 488 m3/h；实际使用过程中排风柜同时使用量应在40%～60%；综合考虑实验室二层～四层实验室其他排风设备的排风量，总设计排风量22 000 m3/h，空调新风22 600 m3/h。采用变风量控制系统设计总排风量仅为传统定风量系统的40%。

4、变风量控制运行结果分析

4.1项目新风排风系统设计

项目设计所有实验室按微负压-5～-10 Pa设计。所有仪器实验室保证其仪器操作18～26℃温度、换气次数6～8次；设计排风柜同时使用率为60%，万向抽风罩设计同时使用率为50%。根据排风柜和实验室的工艺布局共配置6套独立的排风系统和3套独立新风系统。

4.2实验室实际运行状况

项目交付后检测工况下运行风量平衡结果见表3。

表3实验室实际运行风量检测结果

从表3实际运行风量检测结果可知，送排风系统的新风、排风量、房间压差、换气次数、排风柜面风速等技术指标符合设计要求，系统排风量和新风量较传统定风量系统显著降低；项目采用更小的风管系统、排风机、空调主机、空调水系统、新风空调箱以及电机等配置，降低了配电容量和运行电耗，减轻了负荷，实际节约能耗60%以上。项目可进一步优化系统同时使用率，科学配置各实验室排风系统，优化项目投资和后期维护。

该项目同时采用了3D可视化智慧运维平台，实时监测每台排风柜的面风速、风机状况、新风空调状况、房间温度、湿度等实验室参数，同时监控危化品仓库、低温样本保存库运行排风、紧急排风，对节能和安全并行管理，在确保实验室安全的前提下节能减排。

5、结论

(1）采用变风量控制的暖通空调系统技术，可减轻楼层结构负荷，节约空间，降低设备投资。

(2）比较传统定风量控制，变风量控制系统的暖通空调系统可大幅度降低设计排风量，降低风量60%，节约电耗60%以上。

(3）变风量控制系统可以弥补传统空调系统的缺陷，满足实验室工艺要求与安全要求。

(4）采用3D可视化运维，实时监测排风柜使用状况，根据使用状况调整排风量可进一步降低排风量、新风补充量，降低实验室能耗。

参考文献:

[1]胡佩,杜云,程旭.有机化学实验室的能耗分析及节能措施初探[J].实验室科学;2021(6):157-159,163.

[2]王沈瑜,刘东.夏季化学实验室冷热复合通风空调系统的温度分布数值模拟[J].洁净与空调技术,2021(1);21-24.

[3]刘效德,郭洪飞路阳.制冷空调产品性能测试实验室电能消耗分析及节能管理研究[J].制冷与空调,2021(2):68-72.

[4]曹斌,陆琼文.医学实验室空调通风系统能效提升技术研究[J].暖通空调,2022(9):147-152.

[5]夏本名.变风量控制系统在化学实验室暖通空调系统中的应用[J].暖通空调,2022(9):115-114.

[6]韦留坤.基于物联网技术的智能空调性能测试实验室管理系统设计[J].通信电源技术,2022(7):72-74.

文章来源:陈莉月.变风量控制在化学实验室暖通空调系统中的应用[J].上海轻工业,2023(05):124-125.

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期刊名称：化学研究

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出版地方：河南

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国际刊号：1000-8217

国内刊号：11-1730/N

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创刊时间：1997年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：10-12个月

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