【摘要】針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)控制、風(fēng)量控制、溫濕度控制，從工藝及節(jié)能的角度對(duì)自動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)和調(diào)試進(jìn)行了闡述。特別是實(shí)驗(yàn)室完全變風(fēng)量和部分變風(fēng)量兩種設(shè)計(jì)方案，采用兩級(jí)控制的思路及方法，既可以實(shí)現(xiàn)房間送排風(fēng)的要求，又能最大限度地降低能耗。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)實(shí)驗(yàn)室；開關(guān)控制；完全變風(fēng)量；部分變風(fēng)量；文丘里閥；通風(fēng)；空調(diào)

近幾年，國內(nèi)許多新建的化學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓采取集中排風(fēng)和全新風(fēng)空調(diào)兩套獨(dú)立的送排風(fēng)系統(tǒng)。這類實(shí)驗(yàn)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(jī)安裝在屋頂，一個(gè)排風(fēng)機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)上下多個(gè)樓層多個(gè)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(dòng)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(shí)的能源損耗，實(shí)驗(yàn)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(duì)筆者參與的已建成及在建的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和調(diào)試方法進(jìn)行介紹，供同仁參考。

一、送排風(fēng)開關(guān)控制

1.1設(shè)計(jì)要求
要求每個(gè)房間的送排風(fēng)閥都能單獨(dú)開關(guān)。只要有一間房間開，送排風(fēng)機(jī)就開，所有房間關(guān)，送排風(fēng)機(jī)才關(guān)。為了方便實(shí)驗(yàn)人員操作和物業(yè)管理人員監(jiān)控，要求每個(gè)房間的送排風(fēng)閥都能做到就地開關(guān)，遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2設(shè)計(jì)方案
以每個(gè)房間為一個(gè)送排風(fēng)單元，在每個(gè)房間送排風(fēng)支管與主管的連接處安裝一個(gè)電動(dòng)密閉閥，在門口安裝一個(gè)送排風(fēng)啟停按鈕。當(dāng)該房間需要啟用時(shí)，就地開啟按鈕，信號(hào)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(dòng)密閉閥。電動(dòng)密閉閥的開啟信號(hào)反饋到ＢＡ自控柜，控制模塊按程序同時(shí)啟動(dòng)送排風(fēng)機(jī)，上述控制程序和狀態(tài)在遠(yuǎn)程監(jiān)控室計(jì)算機(jī)人機(jī)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(jī)的電源，逐個(gè)開關(guān)每個(gè)房間的啟停按鈕，檢查其電動(dòng)密閉閥是否開關(guān)自如。

２）合上送排風(fēng)機(jī)電源，再逐個(gè)開啟每個(gè)房間的啟停按鈕，檢查送排風(fēng)機(jī)能否啟動(dòng)；如能，則打開所有房間的啟動(dòng)按鈕，然后再逐個(gè)關(guān)閉按鈕，檢查最后一個(gè)房間的按鈕關(guān)閉后送排風(fēng)機(jī)能否關(guān)閉。

３）針對(duì)上述開關(guān)流程和工作狀態(tài)，檢查現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)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(jì)要求
在所有房間正常使用的工況下，送排風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)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(shí)，最大設(shè)計(jì)風(fēng)量按照全部通風(fēng)柜在有人操作時(shí)，移門開啟高度0.5ｍ，同時(shí)使用系數(shù)70%而設(shè)計(jì)；采取或含有定風(fēng)量（CAV）通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，按照實(shí)際風(fēng)量的100%設(shè)計(jì)。

房間的實(shí)際排風(fēng)量大于設(shè)計(jì)最大排風(fēng)量時(shí)要有房間報(bào)警裝置，以提醒實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jī)要能自動(dòng)快速地進(jìn)行無級(jí)變頻調(diào)速，以節(jié)約能源。

2.2
設(shè)計(jì)方案
通風(fēng)柜和房間的變風(fēng)量范圍相對(duì)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(duì)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速反應(yīng)比較滯后，對(duì)小風(fēng)量的變化不是很靈敏，因此采取兩級(jí)控制的方法（見圖１）。

１）第一級(jí)主要是對(duì)通風(fēng)柜排風(fēng)和房間送風(fēng)進(jìn)行變風(fēng)量控制?？刂品椒ㄒ悦總€(gè)房間為一個(gè)單元，主要是采用實(shí)驗(yàn)室專用的壓力無關(guān)型的文丘里閥或蝶閥對(duì)通風(fēng)柜的排風(fēng)和房間的送風(fēng)進(jìn)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(hào)，快速改變房間送風(fēng)量，并始終與排風(fēng)量保持一個(gè)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(gè)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(dòng)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(jī)組成，ＢＡ系統(tǒng)采集每個(gè)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(dòng)方式設(shè)定一個(gè)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(shí)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(huì)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(bǔ)入室內(nèi)。部分變風(fēng)量控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(jí)主要是對(duì)主風(fēng)道進(jìn)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(jìn)房間之前）１／３處，設(shè)計(jì)安裝靜壓傳感器，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)各自的送排風(fēng)機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。安裝位置有時(shí)需要根據(jù)工程情況實(shí)際測(cè)定。當(dāng)送排風(fēng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)，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(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)總送風(fēng)量大于總排風(fēng)量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(jī)控制柜的變頻器設(shè)置在手動(dòng)擋，風(fēng)管的基準(zhǔn)靜壓值設(shè)定在滿足最不利點(diǎn)排風(fēng)設(shè)施———移動(dòng)風(fēng)罩所需的風(fēng)壓值３５０Ｐａ，為防止在少量房間剛啟動(dòng)時(shí)，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(jì)排風(fēng)量時(shí)的移門開啟高度，頻率暫設(shè)定為２０Ｈｚ。

2）逐個(gè)打開系統(tǒng)所有房間的啟停按鈕，將排風(fēng)機(jī)的變頻器頻率逐步調(diào)高，達(dá)到風(fēng)道動(dòng)態(tài)靜壓值３５０Ｐａ。此時(shí)每個(gè)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(shí)最大風(fēng)量的初設(shè)值。

3）從上到下逐個(gè)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(shí)最大風(fēng)量值才是風(fēng)機(jī)能夠滿足最大風(fēng)量時(shí)的真實(shí)值。因ＶＡＶ閥全部采用壓力無關(guān)型閥，其最大特點(diǎn)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(jī)能滿足最大排風(fēng)量需求后，逐步手動(dòng)調(diào)低變頻器的頻率，使最后一個(gè)通風(fēng)柜達(dá)到規(guī)定的面風(fēng)速時(shí)的噪聲最小。此時(shí)的風(fēng)機(jī)頻率為最大排風(fēng)量所需的最佳頻率值。此時(shí)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(shí)的基準(zhǔn)值。

4）逐個(gè)關(guān)掉所有房間的風(fēng)機(jī)啟停按鈕，每關(guān)掉一間房間的風(fēng)機(jī)后靜壓值上升，手動(dòng)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(jī)時(shí)的頻率和靜壓值，確定最大風(fēng)量值和最小風(fēng)量值時(shí)所需的最大頻率和最小頻率值，形成一條與變風(fēng)量相對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)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(dòng)調(diào)試的控制流程和數(shù)據(jù)，編制自控程序和計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，人機(jī)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)試，在編制完控制軟件和人機(jī)界面后，將變頻器放置在自動(dòng)擋，在計(jì)算機(jī)上按上述手動(dòng)調(diào)試的方法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試。以檢驗(yàn)軟件編程是否可行，與手動(dòng)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(chǎng)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(xiàng)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(duì)采用ＶＡＶ閥的通風(fēng)柜進(jìn)行了調(diào)試，未對(duì)送風(fēng)進(jìn)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(jì)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(huì)不同。因此，在新風(fēng)換氣次數(shù)大于８ｈ－１的理化實(shí)驗(yàn)室，溫度控制以新風(fēng)為主，風(fēng)機(jī)盤管為輔；在新風(fēng)小于６ｈ－１的儀器室，溫度控制以風(fēng)機(jī)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(jī)空調(diào)系統(tǒng)。

3.2
設(shè)計(jì)方案
在新風(fēng)機(jī)組冷水進(jìn)水管安裝一個(gè)電動(dòng)比例積分水閥，在出風(fēng)口設(shè)置一溫度測(cè)點(diǎn)，通過出風(fēng)溫度與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度的差值，自動(dòng)調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機(jī)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(jī)組溫度調(diào)試相同。

綜上所述，通過對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試思路的探討，在一般實(shí)驗(yàn)室使用要求下，采取房間一對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)間，還需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究，在實(shí)驗(yàn)室兩級(jí)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(jìn)行調(diào)整。