【学习】变风量控制系统在化学实验室暖通空调系统中的应用

从排风柜变风量控制、实验室压力控制、风机变频控制等方面阐述了变风量控制系统在化学实验室暖通空调系统中的应用。以化学合成实验室为例，结合同时使用率和运行模式，对不同运行工况下的变风量系统进行了对比，分析了变风量控制系统在初投资、节能减排方面的优势。

 化学实验室；暖通空调系统；变风量系统；排风柜；变风量控制；直接压差控制；余风量控制；变频控制

引言

 相较于民用建筑，科研建筑作为功能性建筑，其暖通空调系统不仅需满足舒适性需求，还需满足压力梯度控制，洁净度、温湿度控制，污染物浓度控制等工艺性要求。目前，国内化学实验室暖通空调系统设计普遍采用风机盘管（或多联机）加独立新风系统，新风处理至室内状态点等焓机器露点，新风负荷由新风系统承担，室内负荷由风机盘管（或多联机）承担。化学实验室中大量使用排风柜，其排风中含有一定量的有毒有害挥发性化学物质，无法直接再利用。因此，化学实验室空调系统常采用全新风系统且新风需求量非常大，需消耗大量的能源处理新风热湿负荷。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》规定的化学类实验室室内设计参数见表1。

除温度要求外，夏季室内相对湿度要求小于等于65%，对于华南、华东等夏季高温高湿的地区，夏季空调送风在降温除湿后还需再热，进一步加大了空调系统的能耗。
     对于化学实验室而言，在保证安全性和满足工艺性需求的前提下实现最大程度的节能减排尤为重要。变风量控制系统通过对实验过程中污染物的高效控制、精准的流量控制和压力梯度控制、风机变频控制等技术手段有效解决了上述问题，在工程中得到了广泛应用。实验室变风量控制系统主要由排风柜变风量控制、实验室压力控制、风机变频控制系统构成。

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排风柜变风量控制

 实验室排风柜是一种专门设计的安全装置，在实验室通风系统设计合理的情况下，可将柜内实验过程中产生的有害气体排到室外，避免实验室工作人员受到伤害。变风量排风柜为安装了变风量调节装置的标准型排风柜。
     对于排风柜，以往存在“唯面风速”认知误区，ANSI/AIHA Z9.5-2012给出了不同面风速下的排风柜性能，见表2。

由表2可见，排风柜面风速并非越大越安全，在面风速为0.40~0.50 m/s时，既能有效控制柜内实验产生的污染物浓度，又符合经济运行原则。研究表明，约有17%的采用0.40~0.60 m/s“可接受”面风速的排风柜未通过示踪气体检测，体积分数超过0.1×10-6控制水平。足够的面风速是必要的，但不是获得可接受性能的唯一标准，且也不应作为唯一的性能指标。
     综上所述，排风柜使用变风量控制并非单纯为了节能减排，其首要目的是保障和提升排风柜的安全性能。排风柜变风量控制可分为闭环控制、开环控制和复合控制3种。

1.1 闭环控制系统

闭环控制系统方框图见图1。面风速传感器实时测量排风柜面风速并与给定值（目标控制面风速）进行比较，通过对变风量蝶阀进行控制来实现对排风柜面风速的控制。如何采用面风速传感器精确测量排风柜的（平均）面风速成为整个系统达到控制效果的核心和关键，也成为该系统长期以来的争论核心问题。