变风量控制系统在某化学实验楼项目设计中的应用_倪峻

变风量控制系统在某化学实验楼项目设计中的应用中国海诚工程科技股份有限公司　倪　峻☆摘要　针对某公司以往化学实验楼通风系统中采用的定风量系统不能保证排风柜风量稳定、排风效果差、噪声大、能耗大等问题，提出了采用变风量控制的方法，并将其运用于新建实验楼项目设计中。

关键词　定风量　变风量　排风柜　变风量控制阀０　引言在化学实验楼中进行化学实验，经常会产生各种难闻、有腐蚀性的有毒气体。

这些有害气体如不及时排至室外，不仅会污染实验室内空气，影响实验人员的健康与安全，而且还会影响设备的精度及寿命。

如何做好化学实验楼通风设计，有效消除各种有害气体和余热，对改善实验条件、保障工作人员的身心健康尤为重要。

在某新建实验楼设计前，笔者与业主进行了广泛的技术交流，并参观走访了万华现有的宁波实验楼。

根据实验室使用方反映，宁波实验楼当初设计的是定风量通风系统，实际使用效果不理想，主要体现在：１）排风柜排风量不稳定，排风效果差；２）噪声大；３）能耗大。

因此业主希望在新建实验楼设计时能避免以上问题。

笔者针对万华以往项目的问题，基于安全、经济、操作方便和舒适、节能的原则，提出了实验室变风量控制方案。

本文对实验室定风量系统和变风量系统进行比较分析，并介绍该新建实验楼变风量控制系统的设计方案。

１　定风量控制系统定风量系统为某个实验室（或多个实验室）内的所有排风柜和其他排风装置提供总的排风量，不管这些排风柜是否使用，或排风柜的调节门是开还是关，总的排风量都保持一致。

典型排风柜定风量排风示意图见图１。

定风量系统优点是设计简单，控制系统成本低。

缺点是：１）安全性可能得不到保证。

因为排风柜调节门位置的改变会使面风速变化，所以定风量排风柜不能控制排风柜面风速。

图１　典型排风柜定风量排风示意图２）系统需要重新平衡。

系统与压力相关，压力变化与波动会导致空气流量不准确。

当系统改变或风机系统性能变差时，每一位置的风阀都需重新平衡。

３）灵活性差。

未来的扩展会由于设备容量限制而受限。

４）噪声大。

由于任何时候都是高风量运行，噪声会过高。

５）没有监控或报警功能。

２　变风量控制系统变风量控制系统方案是一套完整地、系统地解决实验室的负压控制、排风柜内的负压控制和排风柜合适的面风速控制的方案。

实验室内包括排风柜调节门传感器、压力无关型风量控制阀及房间风量控制器等，并与实验室外的定静压控制的变频排风机和定静压控制的变频全新风空调机组等组成一个完整的系统。

典型排风柜变风量控制示意图见图２，实验室变风量控制示意图见图３。

２．１　变风量控制系统的主要作用①☆倪峻，男，１９６８年１１月生，大学，教授级高级工程师，项目经理２０００３１上海市宝庆路２１号１号楼１４０９室（０２１）６４３７００９３－２２３９Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉｊｕｎ＠ｈａｉｓｕｍ．ｃｏｍ收稿日期：２０１３－０５－０２图２　典型排风柜变风量控制示意图图３　典型实验室变风量控制示意图１）防止实验过程中有毒气体和颗粒及化学品存放过程中挥发的有害气体向其他空间外溢，使实验室保持一定的负压。

其送风阀与排风阀联动，室内所有的通风阀形成一个有机系统，协调动作。

控制系统能在１ｓ内跟随排风柜或实验室内任一送排风量的变化调整风量，并在３ｓ内达到新的风量平衡。

室内辅助排风系统和送风系统能在１ｓ内跟随排风柜排风量变化相应调整送排风量，从而保证室内负压稳定。

２）保持实验室内气流组织良好，送回风气流速度及湍流度均能控制在较小的范围内，以免室内气体的扰动引起排风柜内气体外溢。

３）有效控制实验室内换气次数。

４）有效控制实验室内的温湿度，为工作人员提供舒适的环境。

５）通风系统充分考虑了实验室内设置多台排风柜情况下，高峰时最大排风、夜间值班工况下最小排风等各种情况，系统通风量既能达到最大通风要求，又充分考虑其调节灵活性，实现系统经济运行。

６）考虑了排风柜等设备的同时使用系数，以使系统设备配置更趋于合理。

控制程序设定一定的同时使用系数，当各个排风柜的实际开度大于同时使用系数规定值时，系统自动按照同时使用系数限定排风量，同时发出信号提醒工作人员。

７）夜间值班工况时，排风柜排风量关到最小，送风机转速调小，最大限度地节能。

２．２　变风量控制系统的主要优点１）调节门关上时节能效果显著；２）调节门位置变化时保持准确的面风速，安全性提高；３）具有报警和监控功能；４）由于变风量控制系统易于适应系统变化，实验室灵活性提高；５）系统不需要重新平衡，在系统改变时，压力无关的系统会保持稳定流量；６）由于风量减少，噪声会降低。

３　某新建实验楼变风量控制系统方案３．１　工程概况某新建实验楼项目地处山东烟台，共有两座实验楼，一座是园区质检中心，另一座是ＭＤＩ实验及质检楼。

两座楼功能基本相同，这里仅对ＭＤＩ实验及质检楼的实验室通风控制系统设计方案进行说明。

ＭＤＩ实验及质检楼共有４层，总面积约１１　４００ｍ２，其中６０％为实验室及其辅助房间，其余为办公区。

每层均设有实验区和办公区，夏季办公区中要求温度为２５～２７℃，没有湿度要求；实验室中要求温度为２４℃±２℃，相对湿度为３０％～７０％。

冷热源均由园区供应。

３．２　基本要求办公区按常规的风机盘管加新风的方案设计，实验区为变风量排风加全新风方案。

实验楼内的气流方向应由走廊流向实验室。

所有实验室及其辅助房间内均为微负压（－５Ｐａ）。

新风补风经空调冷热处理后能根据室内排风量的变化自动调节，各排风柜排风量对应不同的调节门开度也能自动调节以保持面风速恒定，排风罩等的排风可根据使用状况调节大小或开关，各排风机的排风量能根据排风柜等的排风量的变化自动调节。

３．３　系统划分依据实验室类型和排风形式进行划分，采用总风量控制。

实验室按类型进行分类：第一类，试剂存放间、样品存储室和仪器备品备件库、劳保用品间等，基本是定风量系统。

第二类，化学分析实验室、仪器分析室、色相液相分析室和色谱分析室、工艺实验室、标液室等，基本为变风量系统。

３．４　房间风量平衡第一类房间需要全年排风，且排风量固定，主要是试剂柜排风和全室排风。

排风量按最小换气量、设备排风量及空调负荷对应的排风量的最大值确定。

为保持室内负压，排风量大于送风量，差值为房间１～２ｈ－１换气量。

此部分的新风量通过风管送到走廊，再由实验室的门缝和墙上百叶风口渗入房间。

该类房间送排风量固定。

某试剂室的风量平衡见表１。

表１　某试剂室风量平衡房间要求房间普通排风量／试剂柜（同时使用系数为１）设备最小排风量设备总排风量总最小排风量／总排风量／（ｍ３／ｈ）余风量／（ｍ３／ｈ）补新风量／（ｍ３／ｈ）总最小送风量／走廊补风量／房间名称温度／℃房间压力／Ｐａ面积／ｍ２最小换气次数／ｈ－１最小排风量／（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）试剂柜排风量／（ｍ３／ｈ）数量合计／（ｍ３／ｈ）合计／（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）１楼试剂室二２４±２－５～０　６９　６　１　４０８　０　１５０　３５　５　２５０　５　２５０　５　２５０　５　２５０　４６９　４　７８１　４　７８１　４６９ 第二类房间为典型化学实验室，内有数量不等的排风柜、万向罩、原子罩等。

其中１．８ｍ排风柜最大排风量为１　８５０ｍ３／ｈ，最小排风量为４５０ｍ３／ｈ；１．５ｍ排风柜最大排风量为１　６５０ｍ３／ｈ，最小排风量为３７０ｍ３／ｈ；万向罩固定排风量为２００ｍ３／ｈ；原子罩固定排风量为５００ｍ３／ｈ。

排风量按最小换气量、设备排风量及空调负荷对应的排风量的最大值确定。

为保持室内负压，排风量大于送风量，差值为房间１～２ｈ－１换气量。

此部分新风量通过风管送到走廊，再由实验室的门缝和墙上百叶风口渗入房间。

该类房间送排风量随实验室排风设备使用状况的变化而变化。

某化学分析室的风量平衡见表２。

表２　某化学分析室风量平衡房间要求房间普通排风量／１．５ｍ台式通风柜（同时使用系数为０．６）原子罩（同时使用系数为０．５）设备最小排风量设备总排风量总最小排风量／总排风量／余风量／补新风量／总最小送走廊补风量／房间名称温度／℃房间压力／Ｐａ面积／ｍ２最小换气次数／ｈ－１最小排风量／（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）通风柜最大排风量／（ｍ３／ｈ）通风柜最低排风量／（ｍ３／ｈ）通风柜数量原子罩排风量／（ｍ３／ｈ）原子罩数量合计／（ｍ３／ｈ）合计／（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）风量／（ｍ３／ｈ）（ｍ３／ｈ）１楼化学分析室２４±２－５～０　５２　８　１　４１４　０　１　６５０　３７０　３　５００　１　１　６１０　３　９１４　１　６１０　３　９１４　３５４　３　５６０　１　２５６　３５４３．５　控制阀选择对排风柜控制阀有以下要求：１）快速稳定地控制排风柜入口面风速为０．５ｍ／ｓ。

２）阀门的反应速度为１ｓ。

３）阀门为压力无关型的变风量文丘里阀，具有±５％控制信号精度；保证系统多个排风柜同时运行时各自独立调节，不相互干扰；不受风管内静压变化（变化范围在１５０～７５０Ｐａ之间）影响。

４）与排风接触的所有部件要求采用抗腐蚀的材料制作，避免腐蚀。

如抗腐蚀工程塑料ＰＰＳ、不锈钢、防腐涂层。

５）采用变风量控制，阀门阻力低，运行经济可靠。

基于以上要求，笔者对目前常用的变风量控制阀作了比较，见表３。

因此，排风柜等对控制阀要求较高，在设计中表３　文丘里阀与叶片风阀的比较要求传统的叶片风阀解决方案———变风量控制文丘里阀解决方案———变风量控制压力无关否是风道静压变化补偿响应时间８～１０ｓ即时（＜１ｓ）精度全量程的±（１５％～２５％）（各部件误差之和）信号的±５％最大可调比（可调比较高时在适用场合节能较显著）３∶１　２０∶１失效保护一般没有有，可设为失效开或失效关排风柜应用中，在所有的调节门位置上都将面风速保持在０．５ｍ／ｓ不能，复合误差高和对风道静压变化的响应时间长都会导致面风速波动１ｓ的响应速度和高精确度保证了排风量能精确跟踪调节门的移动而变化是否要求重新标定需要，一般流量测量设备要求定期重新标定，这会占用工时并且实验室要停止使用不需要未来扩展的灵活性有限，整个系统需要重新平衡，根据新的容量要求，机械设备可能需要扩容没有问题，系统仍然自平衡，同时参差性可以减少改变机械系统的需要选用了文丘里控制阀。

３．６　变风量实验室通风控制要求１）排风柜控制检测排风柜调节门开度变化，控制排风量，保持面风速恒定。

２）排风柜变风量控制阀阀门调节开度信号与风量值相对应。

出厂前标定。

３）排风罩定风量控制阀根据使用情况开启或关闭。

４）房间辅助排风变风量控制阀阀门调节开度信号与风量值相对应。

出厂前标定。

５）房间补风控制实时计算实验室内所有排风柜、排气罩、排风口的排风量总和，调节房间补风量，使补风量与排风量之差值恒定。