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让实验室变得更加舒适安全——通风节能改造方案

2019-04-18

 化学实验室在运行中会产生有害(刺激性、传染性、有毒等)气态污染物,处理不当会造成人员身体损害和环境污染,因此要求全新风运行、高换气次数、有一定的房间空气压差(一般是负压)等。因此,化学实验室通风的设计、运行和维护要求较高,且通风和空调能耗也远大于一般建筑。

1通风系统普遍存在的问题

 

一般实验室的通风系统在设计、运行方面存在着如下问题:

(1)排风量接近设计值,但送风量严重低于设计值,导致补风量过大。补风通过实验室的门窗缝隙进入室内,导致房间负压过大,大于一般要求(-5~-10Pa),出现室内吹风感强、门窗缝隙出现啸叫、开门困难、雨水通过外窗缝隙被吸入室内而造成污染的现象。

(2)通风系统采用PLC控制设计,即风量根据通风柜的使用数量手动进行有级调节,但实验人员嫌操作麻烦,经常不关闭空闲通风柜的调节门,也不手动进行风量调节,导致通风柜的操作面风速变化很大,。风速过高导致乱流,部分有害气体被乱流带出通风柜进入房间,房间刺激性气味弥漫,危害人员的健康。

(3)换气次数很高,排风量很大,且实验过程有热量产生,空调不能满足室内的制冷采暖要求,导致室内温度过高或过低(夏季经常在30℃以上,而冬季则接近外界空气温度),达不到舒适性要求。

(4)排风量过大使得通风和空调能耗过大,造成电量的浪费严重。

2化学实验室通风要求

 

对于实验通风设计和运行而言,有以下要求:

(1)气流控制良好。良好的气流控制是决定化学实验室通风系统好坏最重要的因素,而实验室通风效果的好坏直接代表了实验室的建设水平。能够安全稳定地对实验室进行排风,使室内气流洁净,从而保障实验人员的安全,是重中之重。具体而言,室内清洁气流应呈稳定恒向层流状态,先流经人体,再流经污染源,最后排出实验室。同时,一般情况下,还应保持一定的房间负压,以保证实验室的气流方向始终由周边区域进入实验室,而不会导致交叉污染。

(2)系统反应快、控制精度高。反应速度是实验室气流控制最重要的因素之一,反应速度过慢,往往会导致通风柜内气体外溢,或者室内在某些时间内产生正压。控制精度会直接影响控制效果的好坏,控制精度低会使得气流组织出现较大波动。两者达不到要求,均可能导致安全事故。

(3)运行维护简单。要保证实验室控制系统的稳定,控制系统的设计和运行必须自动化程度高,简单可靠,以降低实验室操作人员操作和维护人员的维护强度及费用。

(4)节能。对于一般商用建筑而言,新风比为15%,换气次数为1次/h~3次/h即可。但化学实验室由于有安全性要求,通常采用全新风,换气次数一般为6次/h~10次/h,甚至更高(如本实验室产生的有害气体为盐酸、硝酸等,换气次数为62。5次/h);同时为保证实验室正常安全运行,通风系统通常24h连续运行,能耗巨大(通风空调系统的能耗通常为普通商用建筑的10倍~100倍)。因此,必须在保障安全的前提下,尽量降低能耗。

1一般实验室改造方案的选择

 

实验室的气流控制系统主要有定风量(ConstantAirVolume,CAV),依次发展为双稳态(Two-State,TS)、变风量(VariableAirVolume,VAV),直自适应控制(UsagebasedControl,UBC)系统。通过系统的升级,通风的安全性、节能性以及系统控制的稳定性都能得到全面的提升。各种控制方式的风量变化对比见图1。

(1)定风量(CAV)控制:无论通风柜调节门开度如何,风机始终按最大风量运行。控制最简单,但抗外扰能力差(面风速随调节门开度变化),安全性能差,能耗最高。

(2)双稳态(TS)控制:只有高风量与低风量两种定风量状态。实验室有人(白天)时高风量运行,无人(晚上)时低风量运行。可在一定程度上降低能耗,但抗外扰能力仍较差,而且工况转换时室压波动大。

(3)变风量(VAV)控制:根据实验室内通风柜开度的变化无级调节送、排风量,从而保证始终可精确控制通风柜面风速为合理值。系统自动化程度较高、安全性高、适应性强,可在充分保障安全的前提下降低能耗,但是对阀门的控制精度和反应速度的要求高。PLC控制也属于变风量控制的一种简化方式(风量为有级变化,且面风速不能保持在稳定值)。

(4)直自适应控制(UBC)控制:在VAV控制的基础上,根据检测通风柜前的局部范围内是否有人而设定不同的面风速。有人时保持面风速恒定为最大合理值(一般为0。5m/s),以此保障操作者的安全;无人时则将面风速降低最小合理值(一般为0。3m/s)。可再次大幅降低能耗,尤其是在实验人员进行通风柜操作不规范时。

根据以上分析可知,VAV和UBC方式自动化程度最高,对操作人员的要求最低,舒适度最好,也最节能。同时,考虑到实验室人员操作不太规范,建议选择使用VAV+UBC方式进行改造。

图1四种通风控制方式的风量变化情况对比

5改造方案运行方式说明

系统的主要设备清单见表1。系统的原理图见图2,运行方式说明如下:

(1)设定通风柜调节门面风速,当通风柜前有人时设定为0.5m/s,无人时设定为0.3m/s;设定排风主管道的静压值为150Pa;设定房间负压值为-5Pa。

(2)通风柜位移传感器探测通风柜调节门的开度,红外区域状态传感器探测通风柜前局部区域是否有人。通风柜监控器根据是否有人时的对应设定风速、调节门开度计算出通风柜排风量,通过快速执行器调节压力无关变风量阀的开度进行风量调节,以使通风柜监控器测量的面风速与设定值一致。

(3)通风柜排风量变化等引起排风管静压变化。主控制器根据管道静压传感器的静压测量值调节排风机的电机频率,从而调节排风机的排风量,使得静压测量值与设定值一致。

(4)总排风量变化、实验室门窗开启程度等引起房间压差的变化。主控制器根据房间压差传感器测量的压差值,调节送风机电机变频器的频率,从而调节送风机的风量,使得房间压差测量值与设定值一致。

(5)紧急情况下,手动操作通风柜监控器的紧急排风按钮,所有风阀开度达到最大,排风机以最高风量运转,达到紧急排风的目的。

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