【自控系统】化学实验室通风空调自控系统设计和调试

【摘要】针对化学实验室空调通风系统的开关控制、风量控制、温湿度控制，从工艺及节能的角度对自动控制方案的设计和调试进行了阐述。特别是实验室完全变风量和部分变风量两种设计方案，采用两级控制的思路及方法，既可以实现房间送排风的要求，又能最大限度地降低能耗。

【关键词】化学实验室；开关控制；完全变风量；部分变风量；文丘里阀；通风；空调

近几年，国内许多新建的化学实验大楼采取集中排风和全新风空调两套独立的送排风系统。这类实验室采用较多的一种通风方案是竖直集中排风，风管竖直安装在排风管井内，排风机安装在屋顶，一个排风机同时负责上下多个楼层多个房间通风系统的排风。排风设施以通风柜、移动风罩、固定风罩和试剂柜为主（见图１）。

   

为了节约能源，避免“大马拉小车”的现象，减少在少量房间使用时的能源损耗，实验室通风系统出现了一些新的控制思路与技术。本文对笔者参与的已建成及在建的化学实验室通风自控系统的设计方案和调试方法进行介绍，供同仁参考。

一、送排风开关控制

1.1设计要求
要求每个房间的送排风阀都能单独开关。只要有一间房间开，送排风机就开，所有房间关，送排风机才关。为了方便实验人员操作和物业管理人员监控，要求每个房间的送排风阀都能做到就地开关，远程监控。

1.2设计方案
以每个房间为一个送排风单元，在每个房间送排风支管与主管的连接处安装一个电动密闭阀，在门口安装一个送排风启停按钮。当该房间需要启用时，就地开启按钮，信号上传到楼宇设备自控（building automation，BA）系统控制柜，经直接数字控制（direct digital control,DDC），或可编程逻辑控制器（programmable logic controller,PLC)控制元器件确认后，打开该房间的电动密闭阀。电动密闭阀的开启信号反馈到ＢＡ自控柜，控制模块按程序同时启动送排风机，上述控制程序和状态在远程监控室计算机人机界面都能操作和显示（见图２）。

1.3调试方法
１）先断开送排风机的电源，逐个开关每个房间的启停按钮，检查其电动密闭阀是否开关自如。

２）合上送排风机电源，再逐个开启每个房间的启停按钮，检查送排风机能否启动；如能，则打开所有房间的启动按钮，然后再逐个关闭按钮，检查最后一个房间的按钮关闭后送排风机能否关闭。

３）针对上述开关流程和工作状态，检查现场和远程计算机显示的状态是否一致。

二、送排风风量控制

2.1
设计要求
在所有房间正常使用的工况下，送排风机在满负荷运行情况下，能够满足所有房间所需要的风量。采取变风量（VAV）通风系统时，最大设计风量按照全部通风柜在有人操作时，移门开启高度0.5ｍ，同时使用系数70%而设计；采取或含有定风量（CAV）通风系统时，按照实际风量的100%设计。

房间的实际排风量大于设计最大排风量时要有房间报警装置，以提醒实验人员把通风柜的移门拉低，减少通风柜的排风量，以防某个房间的风量过大影响其他房间的风量分配和节约能源。

在少量房间使用和变风量通风柜大风量变化的情况下，风机要能自动快速地进行无级变频调速，以节约能源。

2.2
设计方案
通风柜和房间的变风量范围相对该系统主风道的总风量变化较小，要求反应速度较快，而ＢＡ系统对风机的变频调速反应比较滞后，对小风量的变化不是很灵敏，因此采取两级控制的方法（见图１）。

１）第一级主要是对通风柜排风和房间送风进行变风量控制。控制方法以每个房间为一个单元，主要是采用实验室专用的压力无关型的文丘里阀或蝶阀对通风柜的排风和房间的送风进行ＶＡＶ控制。通风柜ＶＡＶ阀能够根据移门开启高度的变化，在通风柜面风速保持不变的情况下快速调整排风量，ＶＡＶ送风阀能够根据房间总排风量的变化信号，快速改变房间送风量，并始终与排风量保持一个负的余风量差，以保证房间负压和换气次数要求，因此ＶＡＶ阀能够满足通风柜和房间风量快速变化的要求。

房间送风量的控制也有两种模式，完全变风量控制模式和部分变风量控制模式。

① 完全变风量控制模式是变送变排，房间总送风量随着总排风量的变化而变化。房间所有通风柜瞬间的排风量为房间总的排风量。为了保证房间的负压，送风量与排风量始终维持一个负的风量差。该模式可采用两种控制方式，一种是ＶＡＶ系统，由ＶＡＶ阀及其控制器件、通风柜数据采集及其控制器件组成，ＶＡＶ系统自身采集所有通风柜瞬间的排风量参数，联动控制ＶＡＶ阀送风量，ＶＡＶ阀供应商成套提供软件及相关设备。另一种是ＢＡ系统，由末端采集设备、控制模块及上位机组成，ＢＡ系统采集每个通风柜的参数，经ＤＤＣ或ＰＬＣ数据分析后控制变风量送风，一般由弱电系统集成商完成。

② 部分变风量控制模式是定送变排。送风采用压力无关型的ＣＡＶ阀，手动方式设定一个固定的风量值，不受排风量变化控制，为了保证房间在最小排风量时也不出现正压，送入房间的风量始终略小于最小排风量。送风系统７０％的风量送入室内，其余３０％的风量送入走廊，送入走廊的这部分风量会随着室内排风量大小变化，通过门窗百叶或余压阀自然地补入室内。部分变风量控制系统经济可靠、调试简单，本例采用的就是部分变风量控制系统。

２）第二级主要是对主风道进行变风量控制。采用定静压ＢＡ变频控制系统，在送排风各自主管道的末端（进房间之前）１／３处，设计安装静压传感器，根据实时测得的管道压力值与设定的基准压力值相比较，从而控制变频器对各自的送排风机进行无级调速。安装位置有时需要根据工程情况实际测定。当送排风机同时工作时，设置送风系统基准送风值，排风系统风量跟踪该值，保持排风量值在送风量值之上合理区间范围内，这样就不会出现瞬时总送风量大于总排风量，导致实验区出现正压、造成污染。

2.3
调试方法
2.3.1 排风调试
1）先将排风机控制柜的变频器设置在手动挡，风管的基准静压值设定在满足最不利点排风设施———移动风罩所需的风压值３５０Ｐａ，为防止在少量房间刚启动时，风管压力过大压爆静压传感器，所有房间的通风柜的移门都定位在房间最大设计排风量时的移门开启高度，频率暂设定为２０Ｈｚ。

2）逐个打开系统所有房间的启停按钮，将排风机的变频器频率逐步调高，达到风道动态静压值３５０Ｐａ。此时每个通风柜的面风速和排风量还未调试和校正，所以该频率只能作为初调时最大风量的初设值。

3）从上到下逐个调试和校正通风柜的面风速和排风量，使所有通风柜都能满足面风速和设定的排风量要求，此时最大风量值才是风机能够满足最大风量时的真实值。因ＶＡＶ阀全部采用压力无关型阀，其最大特点是在风管压力变化很大（２５０～７５０Ｐａ）的情况下，风量能保持不变；但在大压差的情况下，风阻较大，噪声可能很大。

因此在证明风机能满足最大排风量需求后，逐步手动调低变频器的频率，使最后一个通风柜达到规定的面风速时的噪声最小。此时的风机频率为最大排风量所需的最佳频率值。此时的频率值和相应的压力传感器的压力值，为最大风量时的基准值。

4）逐个关掉所有房间的风机启停按钮，每关掉一间房间的风机后静压值上升，手动逐步降低变频器的频率，直至稳定在原有的基准静压值，记下每关掉一间房间风机时的频率和静压值，确定最大风量值和最小风量值时所需的最大频率和最小频率值，形成一条与变风量相对应的风机变频曲线。依此数据曲线，编制ＢＡ系统控制程序。

5）根据上述手动调试的控制流程和数据，编制自控程序和计算机人机界面，人机界面具有反映上面所有控制流程和状态的图（如图３所示），并能用远程计算机进行监控和调试，在编制完控制软件和人机界面后，将变频器放置在自动挡，在计算机上按上述手动调试的方法进行自动调试。以检验软件编程是否可行，与手动调试是否一致，微调基准静压值和变频曲线形状，使风量变化更趋平稳，与现场更加趋于一致，稳定可靠。

2.3.2 送风调试
主风道的大风量的变频调试程序方法与排风相同。房间内的送风量调试，本项目采取的是部分变风量系统，通风柜采用ＶＡＶ系统，送风全部采用ＣＡＶ送风，因此ＶＡＶ阀的设备供应商仅对采用ＶＡＶ阀的通风柜进行了调试，未对送风进行调试，大大简化了调试的难度。
三、温度控制
3.1
设计要求
在送风温度相同的情况下，送排风量不同，室内温度也会不同。因此，在新风换气次数大于８ｈ－１的理化实验室，温度控制以新风为主，风机盘管为辅；在新风小于６ｈ－１的仪器室，温度控制以风机盘管为主，新风为辅；需要２４ｈ温度控制的房间，如样品室、试剂室、留样室采用多联机空调系统。

3.2
设计方案
在新风机组冷水进水管安装一个电动比例积分水阀，在出风口设置一温度测点，通过出风温度与设定的基准温度的差值，自动调节流经新风机组表冷器的水流量，调整出风温度以保证房间温度的稳定。调试方法与常规的新风机组温度调试相同。

综上所述，通过对化学实验室通风空调自控系统设计与调试思路的探讨，在一般实验室使用要求下，采取房间一对一设置开关、部分变风量控制的模式是降低能耗、控制实验室压力的有效方法。为了能够更精准地控制房间压力，以及更快地提高响应时间，还需要对该系统进行更深入的研究，在实验室两级控制的基础上，ＶＡＶ控制系统与ＢＡ系统可以有更多的信息互联互通，从而更加智能地分析房间压力的变化并进行调整。