實驗室變風量系統的風量與溫度控制及相互關係探討

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Abstract：Load andnairflow are separate in the lab design and running because the fume hoods breaknoff the relationship. When all of fume hoods runs, the load maybe doesn』t reachnthe maximum limitation. On the contrary, it』s same. This phenomenon stands outnin one lab with multi fume hoods. This article just demonstrates the philosophynof two parameters relationship and concludes how to finalize the parameters andnhow they change when running.

Keywords VAV nReheating coil Fume hood Decoupling

1. 概述:

在溫濕度獨立控制還沒有大規模的應用到實驗室的空調系統控制之前,絕大部分項目仍舊使用的是表冷除濕再熱補償的方法。因此實驗室變風量控制就成為目前主要的節能方式之一。在實驗室的風量和熱濕負荷[主要為室內顯熱負荷]無耦合關係的情況下,室內的風量和再熱盤管變化的控制原理和實際運行模式。

一般的生物實驗室由於涉及到有害有毒氣體的實驗活動。很多有毒有害氣液發生器皿會在通風櫃內使用。這種情況往往導致房間的換氣次數大大增加,且遠遠大於熱濕負荷所需要的換氣次數,也往往大於報批文件所要求的最低換氣次數[如項目報批要求為8H-1].如此以來就需要用再熱盤管去補償多餘的冷量。

變風量實驗室系統的設計和運行控制的重點在於,房間的風量是隨著通風櫃的開啟數量和面積而變化的，且不能低於最小風量,同時還要保證房間的溫度在設定範圍之內。因此變風量閥門的風量變化一方面要滿足房間通風櫃變化後風量平衡的需求;另一方面又要滿足房間內部負荷變化要求風量跟著變化的需求。這就給實驗室的風量控制的邏輯運算帶來了一定的難度。

2.實驗室風量變化的一般需求

2.1實驗室內部的風量變化和溫度控制的一般情況:空調箱處理到室內狀態所需要的送風露點,再熱盤管進行再熱以後送入房間。這是典型實驗室控制邏輯。這裡的重點在於，由於通風櫃的開啟數量是變化的，因此實際的送入實驗室的風量也需要不停的變化。

送風量的變化需要服從以下的約束

2.1.1不能低於規範或者環評所規定的最小風量。[比如為8H-1]

2.1.2需要滿足室內的熱濕負荷,主要是顯熱負荷所需要的風量[需要根據計算得到]

2.1.3需要滿足室內的壓力要求下的風平衡計算所需。

這裡需要特別對2.1.2做一個說明，根據顯熱負荷計算的風量，必須要考慮到風機和管道的溫升。特別是風機的溫升。因為實驗室的風機機外余壓較大，因此功率大於一般的辦公樓用空調箱風機。如果不計入這部分溫升，會使得送風溫差變大，而導致計算風量偏小。[後文有計算]

3.一個典型的實驗室系統的風平衡

以圖1為例,房間的風平衡為

L1=L2+L3*N+L4,這裡各個數值的意義為,L1為房間送風, L2為房間排風,L3為單個通風櫃排風,L4為維持房間負壓所需要的圍護滲漏風量。由於壓差和縫隙面積保持不變,L4可以看成一個定值。各個參數需要滿足以下各種關係

L1要同時滿足房間的最小換氣次數的風量，熱濕負荷[這裡主要為顯熱] 計算所得的風量以及通風櫃排風和房間排風的和值風量，也就是要取大值；L1是一個變化量

L2 房間排風實際上是一個被動量,其大小僅僅和房間送風與通風櫃排風，房間滲漏的風量的差值有關，L2是一個變化量

L3通風櫃的排風是一個獨立變數,僅僅和通風櫃的使用數量和開啟面積相關，L3是一個變化量。

L4滲透風量為定值。

4.實驗室的典型送風處理焓濕過程[以全新風為例]

從圖2中我們可以看到,A點到B點處的過程為送風機溫升.大致計算如下.列等式;

L/3600*ρ*Cp*ΔT=L*P/(3600*1000*η)可以解得ΔT=P/(ρ*Cp*1000*η) 。一般而言,實驗室的送風機的由於需要克服至少亞高效如F9以上等級的過濾器, 還需要克服變風量裝置。所以全壓都在1000pa以上,η取0.6-0.8。這樣可以解得, ΔT約在1度-1.5度之間。

如果不考慮風機溫升，那麼根據顯熱負荷計算風量需要的溫差是10.5度；而考慮風機溫升的話，溫差則為9度。顯然不考慮溫升所計算出來的風量偏小也不合理。

5.實驗室變風量控制的原則

5.1在實驗室空調的送風量計算中,由於上文所說的風量和顯熱負荷之間的解耦關係存在。因此變風量送風閥的風量是由兩個獨立的模塊進行計算後再比較的。這就是通風Ventilation計算模塊[下文略為V模塊]和負荷Temp計算模塊[下文略為T模塊]。兩個模塊分別獨立進行計算,所得到的風量取大值作為該實驗室的送風量。並以此為基礎,得出房間所有變風量排風閥所需風量[引自內部資料:[EnsuringnEnvironmental Integrity- Venturi Control-By Carrot Zhang]]。n

5.2 V模塊的計算與控制原理:

V模塊的送風量主要考慮為滿足最小換氣次數8H-1，滿足通風櫃的開啟風量,和滿足整個房間的風平衡這三個條件後得到的風量;一般而言,大型的多通風櫃實驗室的V模塊計算風量多在8次到幾十次之間變換。也就是說,當有很多通風櫃同時開啟的時候,送風的換氣次數大大提高，會高達15-30H-1；而當通風櫃全部關閉,僅僅是有人員在裡面做數據分析的時候,換氣次數則為最小8H-1保持。當房間的通風櫃排風量，房間送風量和房間排風量都經過計算得出數值後,房間的各種風量需求和風平衡就得到了滿足。

5.3 T模塊的計算與控制原理:

T模塊的送風量主要是根據房間設定溫度進行比例積分[PI]計算後的得到的風量.按照圖3的模式進行理論計算。如果房間的負荷在某一時間段很小,根據PI計算出的結果也很低，比如只要5H-1換氣就可以滿足，那麼在和V模塊比大以後也是要按照8H-1的換氣來進行送風的。需要注意的是T模塊的計算的風量應該是根據圖2中從B點到N點之間的送風溫差為依據的。而不是以A到N的送風溫差為依據。

nn我們應該特別注意到上文所提到的解耦問題。即當通風櫃全部開啟的時候,可能此時房間內的負荷並不大。因此在兩個模塊比大以後,顯然應該要求風量按照V模塊計算的20次以上送風。那麼此時T模塊的中的實際溫度會因為送風量大而負荷小迅速降低到21度以下。此時T模塊就會進入再熱模式進行盤管的加熱模式計算。因此這裡的T模塊的功能實際上有兩

個。一個是圖3的右側是對變風量裝置進行風量計算, 再和V模塊比大。另一個是圖3的左側當房間溫度下降至設定溫度以下的時候，啟動再熱盤管進行熱量補償。

5.4綜述

從以上描述我們可以看到,整個實驗室變風量和溫度控制中。風量是首先需要滿足的參數，這一參數通過V和T兩個模塊進行計算比較而得。而溫度是在風量首先得到滿足以後,其次需要滿足的量。這一參數在房間負荷大，風量小的時候，直接就可以通過變風量的風量變化得到滿足；如果是在房間負荷小,風量大的時候，則必須通過再熱補償得到滿足。

6.實例[以筆者做過的某實驗中心的房間為例]

在V模塊和T模塊中一般都需要設定最小指和最大值。V模塊的最小值Vmin一般為8H-1；V模塊的最大值則考慮為所有通風櫃全部開啟時的送風量，Vmax,一般都在15H-1以上；T模塊的最小值Tmin一般要求不小於5H-1，而T模塊的最大值Tmax則是根據房間的顯熱負荷以及最大送風溫差(按照上文所述為N和B點的溫差)計算得到的風量。

顯然在V和T模塊中,可以發現存在兩種不同的情況,見圖4.

一種是T模塊計算出的最大值比8次要大，一種是T模塊計算出的最大值比8次要小。這兩種情況會導致在實際運行中變風量風閥和再熱盤管的運行的不同。

以筆者做過的項目中兩個典型的實驗室為例,兩個實驗室的體積都是8m*6m*3m.兩個實驗室都以顯熱為主，潛熱可以忽略不計。顯熱負荷大略分別為6kw和3kw.房間的要求都是以22度,50%為標準。每個房間都有兩台通風櫃,每台通風櫃的風量為300l/s

經過計算,可以得知

1:Vmax=15H-1,Vmin=8H-1;Tmax=13H-1,Tmin=5H-1

2:Vmax=15H-1,Vmin=8H-1;Tmax=6.5H-1,Tmin=5H-1

實驗室的一種典型工作情況如下:

1.早晨實驗室開始工作,實驗人員進入,啟動各種發熱設備，但是並未開啟通風櫃。

2.過了一段時間以後將通風櫃全部開啟。

3.到了中午，通風櫃內部的器皿仍舊在發生化學反應。實驗人員關閉了實驗室內其它的所有發熱設備，關燈離開。只留下通風櫃開著。

4.下午實驗人員返回，將通風櫃全部關閉，將櫃內器皿拿出，開啟各種發熱設備進行實驗分析。

5.一天工作結束。

因此房間風量和再熱盤管的變化如下:

房間1：按照數字順序：

1.室內負荷很快達到最大,此時採用最大溫差送風[即B點送風],13H-1，

2.通風櫃全部開啟後, V和T比大的結果是按照15H-1送風，此時由於超過了13H-1的換氣次數，室內溫度會開始逐步下降，低於設定溫度以後,T模塊進入再熱模式，再熱盤管打開進行再熱補償;

3.中午所有發熱設備全部關閉,此時室內負荷達到最小值,[僅僅只有很少的圍護負荷存在]，但是通風櫃全部開啟著。那麼再熱盤管需要進一步開大補償多餘的冷量。

4.下午通風櫃全部關閉,V模塊要求不低於8H-1運行。而此時發熱設備全部開啟,T模塊要求13H-1運行。因此再熱盤管會逐步開小直到關閉，而變風量閥門則會很快開大。由於V模塊風量的變化始終是優先於T模塊溫度的變化的。因此實際的變化情況為,風量首先變到8H-1，而此時由於送風量的下降，送的冷量也下降，房間溫度升高。此時再熱盤管會逐步關閉。而隨著溫度進一步升高,變風量閥門會逐漸開大至13H-1，有變成B點送風的狀態。回到1的情形

房間2：按照數字順序：

1.室內負荷很快達到最大,T模塊此時採用最大溫差送風[即B點送風],6.5H-1，但是由於有V模塊最小8H-1的限制。因此實際的送風按照8H-1進行。因此再熱盤管會開啟一部分,補償一些冷量;

2.通風櫃全部開啟後, V和T比大的結果是按照15H-1送風，此時由於超過了8H-1的換氣次數，室內溫度會開始逐步下降，，再熱盤管會開得更大進行再熱補償;

4.下午通風櫃全部關閉,V模塊要求不低於8H-1運行。而此時發熱設備全部開啟,T模塊要求6.5H-1運行。因此再熱盤管會逐步開小直到滿足8H-1的狀態的補償量。由於V模塊風量的變化始終是優先於T模塊溫度的變化的。因此實際的變化情況為,風量首先變到8H-1，而此時由於送風量的下降，送的冷量也下降，房間溫度升高。此時再熱盤管會逐步關小。而隨著溫度進一步升高,變風量閥門會逐漸開大至8H-1，又回到1的情形

以上我們可以看到,無論是房間1還是房間2,在實際運行中,總是以風量或者說壓力滿足需求為首要條件的。風量滿足以後,才是溫度需求被滿足。這是實驗室控制的一個重要原則。

7.結論

實驗室風量和溫度控制有以下重點需要關注:

1.變風量閥門的選型應該滿足全部通風櫃開啟時需要滿足的房間送風量;最小換氣次數風量;熱濕負荷計算出來的風量三者中的最大值;

2.再熱盤管的加熱能力應該是在滿足V和T模塊下最大換氣次數下，可以將送風從B點加熱到房間狀態點[這裡僅僅指夏季工況]

3.T模塊和V模塊的計算比較是變風量閥門風量調節的關鍵;

4.在風量變化中,房間的壓力，也就是風平衡是需要被首先滿足的,而房間的溫度是在風平衡被滿足以後其次需要滿足的。這是因為,一般生化實驗室以微負壓為主,因此動態的風平衡需要被時時滿足，以保證房間的壓力；同時溫度的反應變化是大大滯後於壓力的。因此這就要求風量首先要被平衡,溫度隨後達到要求。

5.房間的各個閥門信號需要接入同一網路，以便對各個閥門的風量進行運算，發出指令進行時時變化。