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實驗室通風空調係統的設計優化

 

一、引言 
  設計實驗室通風空調係統的首要原則是建築內人員的安全,而在維持一個安全舒適的室內環境的同時,如何減少能耗是一個努力的方向。而通風係統的氣流控製是實驗室通風空調係統設計優化的關鍵。 
  二、通風空調係統介紹 
  目前,實驗樓通風空調係統有如圖幾種類型,采用哪種類型,應根據業主的要求、項目所在地的氣象條件、實驗樓的檔次和使用情況、投資預算等因素決定。對於一般的化學實驗樓,可隻設置通風係統,不需設置空調係統;對於可能長時間有工作人員在實驗室中工作的情況,應采用通風+空調係統。當實驗室設有空調係統時,其通風係統應該做成變風量係統,有利於節能。 
  1. 通風設計 
  排風係統的組成,目前實 驗 室 排 風 主 要 來 源 於 排 風 櫃 的 排 風 。除了排風櫃排風外,實驗室排風還包括工藝局部排風和室內輔助排風,三者之和即是實驗室總排風量。 
  通風係統的補風主要由自然進風和機械送風構成,對於連續使用排風係統的實驗室應設置送風係統,而間歇使用且排風換氣次數大於 2 次 /h的應設置有組織的自然進風。但由於部分實驗室的排風係統使用沒有一定的規律性,導致設置機械送風係統會增加工程造價,並且當實驗室內設有幾套排風係統時,根本沒有建築空間來設置機械送風係統。因而建議采用一年中排風係統連續使用時間占整個工作時間的百分數的大小來決定是否設機械送風係統。 
  設置有機械送風的補風係統,對於采暖地區,冬季應進行加熱處理。但是對於夏熱冬冷地區,當冬季氣溫較低時,不經處理的大量室外空氣的引入,可能會造成室溫較低,對於此種情況,應進行熱量平衡計算,如果室溫過低,則應進行適當的加熱處理。對於采用自然進風的係統,補風就無法進行直接處理。如果室內設有采暖或空調係統,則在進行設計時,應考慮平衡排風所帶走的能量,空調和采暖係統容量可適當放大。 
  2. 實驗室空調設計 
  2.1溫度控製 
  新風送風係統采用組合空調機組,在主風管上設溫度傳感器,送風溫度為室內溫度( 23 ± 1) ℃,送風溫度控製通過控製冷熱盤管的冷熱水進管上的電動二通閥開度調整冷熱水量實現。實驗室獨立全新風送風係統的冷熱源采用風冷熱泵機組,機組設在實驗室的屋頂上,夏季供回水溫度為 7 ℃ ~ 12 ℃ ,冬季供回水溫度為 40 ℃ ~ 45 ℃ 。室內維護結構及設備人發熱的冷熱負荷由多聯空調係統及分體空調器負擔,根據計算,選用合適的機型。 
  2.2 濕度控製 
  實驗室內人員不多,且無大量散濕設備,因此室內主要濕負荷為新風濕負荷,當新風處理到送風溫度時的相對濕度不小於50% 時,新風由新風空調機組設有的表冷段進行減濕處理。當新 
  風處理到送風溫度時的相對濕度小於 50% 時,根據業主的具體要求 ( 如室內相對濕度不大於50% ) ,因此不需要加減濕處理。 
  三、變風量係統在實驗室中的應用 
  1.從定風量轉向變風量 
  對於定風量(CAV)型的排風櫃,其排風量近似恒定,所以當操作門拉下以後,速度在麵積較小的情形下會達到很大,這種難以控製的高速氣流會造成氣流短路,貼附底麵直接抽走,汙染物在某個角落發生積聚,一方麵沒有有效地對櫃內汙染物稀釋,另一方麵,直接造成能量浪費。改進後的旁通型排風櫃通過設置旁通百葉,盡管理論上可以保持一定的風量和風速,但是實際上這種隻是相對意義上的恒定。 
  一個理想的實驗室氣流流向應該是從送風口送出的氣流通過與室內空氣的混合帶走室內熱濕負荷,最後通過排風櫃抽走,但是事實上在各種因素的作用下這很難實現。通常認為,排風櫃性能是和櫃麵氣流的平均風速(簡稱麵風速)有直接關係。變風量VAV係統設計的出發點就是為了確保穩定的麵風速。允許的麵風速在許多關於實驗室通風的標準中都有規定,一般取0.3~0.6m/s。 
  2.VAV係統 
  2.1 VRV係統的排風 
  在VAV係統中,排風櫃排風量通常可以通過兩種方式確定,即監測排風櫃門位置或者監測麵風速的大小。因為監測櫃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整排風量確保恒定麵風速,但是還要考慮到其它類似於人員站在櫃前等同樣會影響麵風速的因素。在排風櫃排風中還要注意個排風櫃必須有最小排風量,以確保在櫃門拉至最小時,對櫃內氣體可以進行足夠的稀釋,防止櫃內有害氣體濃度過高,以致再次開啟櫃門時發生危險。國內一般標準為200m3/h。 
  2.2VAV係統的補風 
  在實驗室通風空調係統中,送風量的確定很大程度上不是由室內負荷決定的,而是由排風量決定。如前所述,通過負壓控製確保安全是實驗室通風空調的首要任務。 
  目前廣泛采用的就是設置壓差傳感器,保持設定壓差,這種控製方式對傳感器的精度要求相當高,在實際運行中很難保證任何時刻的壓差恒定。必須指出,並非傳感器精度和靈敏性越高,控製效果就越好。因為實際過程中往往會有各種瞬時外界因素幹擾氣流,影響室內靜壓,如果過於靈敏,反而會出現與期望值相反的結果。 
  3.變風量係統風閥配置 
  如果設計合理,CAV或VAV係統能提供給實驗室使用者所需等級的安全保護及環境舒適性。對於通風係統的類型(即CAV或VAV)業主首先考慮的是初投資、係統運行費用,維護費用、擴建費用以及選哪一種係統最合適。盡管VAV的運行費用很低,但它的初投資較高,因為增加了VAV控製裝置,以及相對較昂貴的啟動和運行過程。 
  具體的配製可見如下分析:排風櫃配置排風智能控製器,包括 1 個排風櫃麵風速傳感器,1 個報警風量監測控製麵板,1個排風量控製調節閥,1 個紅外傳感器,1 個控製器,1 個快速執行器,這些裝置將保證排風櫃的不同運行狀態時的變排風量排風。 
  4.幾種典型模式下的控製 
  4.1 櫃門開度最小時的控製模式 
  在櫃門開度最小的情形下,排風櫃排風量達到最小,這時候送風量能否滿足室內溫度要求就顯得格外重要了。一般來講,有以下兩種控製方式。 
  (1)調節輔助排風 
  位置於室內的溫度傳感器與室內輔助排風連鎖,當室內溫度超過某設定值時,輔助排風自動加大,然後根據壓力控製,相應調整送風量,直至溫度滿足設定要求。這種控製方式是加大排風量來使送風量滿足溫度控製要求,以保持壓差不變。 
  (2)調節再熱量 
  另外一種較為常用的方式就是通過溫度傳感器調節變風量末端裝置內的再熱盤管,控製VAV送風的再熱量來滿足溫度要求。簡單地說,這種控製方式就是將壓力和溫度兩個參數分別用兩種不同方式控製,壓力通過壓差傳感器調節送風量,而溫度則通過溫度傳感器控製再熱盤管進行控製。 
  4.2 有人時控製模式和無人時控製模式 
  通常為節省大量能量,就要采取有人 * 無人兩種模式運行。當櫃前沒有操作人員時,麵風速可以下降 (如由0.5m/s降至0.3m/s),但是風速降低必須充分基於安全性考慮。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製和利用實驗室內照明的自動控製,但是後者對於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測技術。 
  4.3 緊急情況控製模式 
  排風櫃排風管道不允許安裝防火閥,一旦發生火災,控製模式應該讓排風櫃的排風係統一直處於工作狀態,以排出有害氣體,而且風速可以超過有關標準。 
  4.4 夜間通風控製模式 
  化學實驗室一般來講晚間是不進行實驗的,因此控製模式隻要保持最小排風量,確保對排風櫃內物品可能排放的有害氣體稀釋就可以了,當然走廊、實驗室、排風櫃之間的壓差還是需要保持的。 
  5.自適應控製(UBC) 
  在二十世紀末,出現的自適應控製係統(Usage Based Control),是在VAV係統的基礎上,通過在通風櫃和生物安全櫃上安裝探測器,以監測通風櫃或者生物安全櫃前是否有人活動,當有人操作時,保持進口風速恒定為0.5m/s,以此保障操作者的安全,而如果通風櫃前無人進行操作時,則將進口風速降低為0.3m/s。采用此種控製方式,可以在使用VAV係統的基礎上,再次大幅降低能耗。 
  三、結束語 
  綜上所述,介紹了實驗室通風空調係統的基本概況。實驗室通風空調係統的運行能耗巨大,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控製係統,降低了實驗室通風空調係統的能耗。 
  若采用UBC係統,更可大幅降低能耗。UBC運行成本可以比傳統VAV係統節省30%左右。 

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