关于化学实验室VAV控制的设计和实践

文｜西门子楼宇科技（天津）有限公司上海分公司 赵 翔

1 概述

化学实验室是进行科学研究的重要场所，在日常的实验时，经常需要进行如倾倒、混合、配置药品等操作，而这些操作常产生一些有毒、有害的气体、烟雾等，给实验室人员的健康造成一定的危害。

因此，化学实验室通风系统的目的是保持实验室的工作人员处于一个安全的环境中。另外，通风系统还要满足实验室环境所必需的各种参数，让实验室里的工作人员感到舒适。

要进行通风系统的设计，应该从实验室的排风和送风入手。实验室排风系统通常是由许多单独的排风装置的集合。例如一间化学实验室很可能会有一只或多只通风柜，每只通风柜上有一条通风管。另外，实验室通常有一些专用排风设备，如工作台排气管和负压排气罩。最后，如出现紧急情况，可以将天花板上或地板下的排风点和房间辅助排风用于实验室的紧急排风，排空实验室内的有毒气体或化学烟雾。

由于实验室排风设备各不相同且范围广泛，因此，这些设备的功能性要求成为实验室通风设计的重点。

为了确保能够排出各种防护设备（化学通风柜、生物安全柜等）的污染空气和其他实验室设备产生的气体或热量，房间内必须配备足够的排风设备。此外，实验室还需要保证足够的换气次数，使实验室补充的新风满足工作人员的供氧需求，同时能维持实验室的温度和湿度。很多情况下，实验室房间的排风总量会超过维持室内温湿度所需的风量，此时进行通风设计，应先考虑设备排风，再考虑实验室的环境参数。

综上所述，在化学实验室的通风设计中，采用VAV系统成为目前比较流行的解决方法。

2 VAV空调系统的介绍

变风量空调系统于20世纪60年代起源于美国。在当时定风量系统加末端再热和双风道系统在很长一段时间内占据空调的主导地位，因此，变风量系统出现以后并没有立刻得到推广，直到1973年西方石油危机之后，能源危机推动了变风量系统的研究和应用，使之在此后20年中不断发展，如今已经成为美国空调系统的主流。

变风量系统在发展初期，因支管风量平衡的需要和控制设备的局限，大多要求采用高速送风系统，主要送风速度在12.5m/s以上，并且推荐采用静压复得法设计风管系统，尽可能地采用圆形或椭圆形风管，以减小摩擦阻力。但是高速送风系统的风机耗能大，且管路系统噪音增加，随着压力无关型VAV BOX基本上全面取代压力相关型VAV BOX及DDC控制器的发展，变风量空调方式在低速送风系统中的应用越来越普遍。

3 工程实例分析

某跨国公司的研发中心是一座五层实验楼，每个楼面有两台空调机组（AHU）给本楼层的实验室和办公室内供风，并保证温湿度的恒定。

在实验室外就是开放式办公区，办公区的送风和实验室的送风由一套AHU机组提供。为了尽量节约能源，AHU机组带有热回收装置，部分机组是采用热转轮回收装置，部分机组采用乙二醇回收装置。

针对办公区设计的换气次数是2次/小时，实验室在非启用状态是1次/小时，启用状态是6次/小时。

在进行系统设计时，首先针对使用同一台AHU机组对办公室和实验室提供送风的要求进行分析，办公区的新风量相对是个恒定值，是根据换气次数计算所得。而实验室的送风和实验室内的工作要求有关，是个变化的量，因此出现了一台AHU机组中的送风中既有定量又有变量的现象。在设计中根据这个要求，我们设计了两条风管，一条给办公区供风，一条给实验室供风。在办公区供风的风管前安装压力无关型定风量阀，保证办公区的风量满足换气次数的要求。

在实验室的控制中必须要保证实验室的负压，以确保办公区不受污染。压差控制系统在VAV空调系统中是非常重要的一个环节，保证合理的气流组织才能达到工艺的要求。美国的ASHRAE标准建议房间压差为0.05英寸水柱（约为12.45Pa），美国建筑师学会医疗建筑标准建议房间压差为0.01英寸水柱（约为2.49Pa）。国内出于安全考虑往往将室内的负压定位很高，但是一味的增大压差是不现实和不科学的。考虑到目前的气象条件和建筑密闭性，建议将实验室的负压控制在-5Pa～-15Pa较为合理。我们的设计是保持实验室的负压控制保持在-5Pa的压差。

实验室的一个重要的设备是通风柜，为了控制有害物质的外溢和保证实验正常进行，必须有效地控制迎面风速。在实验过程中，随着柜门的操作，通风柜开口面积发生变化，迎面风速变化较大，通风系统达不到设计要求，影响实验和抽风效果。通过对通风系统中管路和风机性能的分析，设计及采用控制系统对通风柜通风系统进行变风量控制，系统迎面风速基本稳定不变。

又由于部分AHU机组采用了热转轮回收装置进行能量回收，为了防止部分化学试剂通过热转轮重新回到送风系统中，通风柜的排风不能接入到AHU机组的回风管，而是只能采用接入到净化排风装置排出。

同时部分房间内的通风柜和通风手臂的数量较少，不能满足换气次数的要求时，必须在房间内增加房间通用排风。房间排风的风量可以通过回风管道，经过AHU机组的热转轮装置进行能量回收，但是考虑到实验室房间内可能出现的废气泄露情况，一般不将回风直接与新风进行混风。另有部分实验室的通风柜较多，足够满足换气次数的要求，如果直接将这部分能量直接排出，将造成能量的浪费。这部分能量我们可以考虑使用乙二醇回收装置进行能量回收，作为新风系统预处理段。

综上所述，化学实验室内的VAV系统设计需要计算以下几个因素：

我们在进行实验室风量控制时要使VΔP保持我们设计的-5Pa的压差设定。

表1

4 控制方案实施

当我们要对化学实验室进行控制方案制定时，首先需要根据设计的负压设定和房间面积进行风量设计计算。

下面就某化学实验室的工程实例进行分析，如表1所示。

该实验室有通风柜两个，排风手臂4个，房间送风一个，房间排风一个。房间非使用状态最小换气次数为一次，使用状态的最小换气次数为六次，房间压差为-5Pa。

根据房间的体积512m3，我们得出房间最小一次换气量为512m3/s，最小六次换气量为3072m3/s。

每个通风柜的最大排气量为890m3/s，每个排风手臂的最大排气量为350m3/s。这些设备的排气量总和为3180m3/s，而当这些排气设备都不使用时的排气量为0m3/s，因此，房间通用排风风量要能满足房间的最小换气量要求。因此房间通用排风的风量设计值要能达到最小六次换气量3072m3/s。而当通风柜、排风手臂全部使用时，最大排气次量大于房间六次换气量，满足使用要求，这样房间通用排风就可以停止工作，它的最小排气量为0m3/s。

有了最小排气量和房间的体积以及房间压差，我们可以计算出最小送风量。根据经验，-5Pa压差的风量差是一个房间的体积差，有时我们得到的房间最小送风量有三个值：非使用状态的最小送风量为0m3/s；使用状态但通风柜、排风手臂不使用的最小送风量为2560m3/s；使用状态通风柜、排风手臂都使用的最小送风量为2668m3/s。

当然，考虑到开关门及房间门窗的泄露等情况的发生，单纯的依靠风量差并不能保证房间压差的准确性，因此我们设置房间压差传感器来检测房间压差变化，即时修订送风风量，保证压差的稳定。

在本项目的设施方案中以SIEMENS的实验室控制解决方案为例进行介绍。SIEMENS的实验室控制以实验室控制器做为实验室VAV控制的控制部件，它由两大类组成：一种是控制文丘里阀，一种是控制风阀。其中控制风阀的控制器又分为快速执行器和慢速执行器。由于风阀控制的灵活性和经济性，所以我们选择了风阀型的VAV箱体做解决方案。

由于通风柜的操作特性，柜门的开启速度都很迅速，所以要求送排风VAV的相应速度都要比较快，能迅速地根据通风柜的变化作出调整，因此带通风柜的实验室控制器我们都选择快速型并配合使用快速执行器。

SIEMENS实验室控制器是一种标准控制器，它能够控制一个送风VAV，一个排风VAV，并且能够接入一个其他排风风量。我们将通风柜、排风手臂的风量接入到其他排风风量点，当出现多台排风设备时，我们就通过累加器将这些设备的风量进行累加后接入到实验室控制器。

实验室内的一种重要设备是通风柜，我们在每个通风柜配备一个通风柜控制器，通过采用比例微分积分的闭环控制算法，以保通风柜的平均迎风面流速维持在设定点上。

通风柜迎风面速控制过程如下：

（1）通风柜控制器能跟踪柜门的位置变化，计算通风柜的总开启面积。通风柜控制器根据柜门开度计算所需的排风量，从而保证通风柜在该开度下的迎面风速达到设定值。

（2）每个通风柜排风终端配一个控制器，连续测定通风柜排风量，从而保证通风柜排风量符合迎面风速设定的要求。

（3）通风柜控制器始终保持通风柜的排风量，可以确保其迎面风速在设定点上。当柜门开度发生变化时，通风柜的排风量相应改变，以维持迎面风速恒定。通风柜排风末端的调节比应能满足排风风量从最小值到最大值的变化，通风柜控制器采用比例积分微分的闭环控制算法。

（4）通风柜控制器和安装在通风柜正面的操作显示面板（ODP）相连。当通风柜柜门开启时，此面板持续显示通风柜迎面风速的数值，所显示的数值是控制器根据测得的通风柜排风量除以通风柜总开启面积计算所得。ODP上的彩色指示灯指示通风柜的运行状态，绿色表示迎面风速正常、黄色表示迎面风速处于警告状态、红色表示迎面风速处于报警状态。

如果迎面风速偏离了设定值，ODP会发出报警，并显示为“低迎面风速” 或“高迎面风速”。按下ODP上按钮，报警声停止，直至出现下一次报警。

通过使用便携式终端，授权人员可设置和改变所有通风柜控制器和ODP运行参数。这些运行参数应包括：通风柜平均迎面风速的设定值；通风柜最小及最大排风量；迎面风速报警区间的设定，以及报警延时的设定，避免发生瞬间误报现象；迎面风速警告区间的设定；紧急排风周期及排风等级的设定。

实验室控制器可以通过通风柜控制器获得所有通风柜的排风量，也可以获得房间辅助排风终端的排风量。

实验室通风控制应满足最小房间排风和最大房间排风的调节比。此外，实验室控制器还能通过风量传感器连续测量实验室内所有定风量排风点的风量。实验室控制器能连续统计实验室所有排风点（通风柜、定风量排风和房间通用排风）的风量，作为实验室的总排风量。实验室控制器能连续比较房间总排风量和所需排风量之间的差值，以维持实验室通风量（每小时换气次数）。

当实验室总排风量小于实验室所需的排风量时，实验室控制器应增加房间通用排风的风量，直至实验室总排风量等于所需的实排风量。

当实验室总排风量大于所需的排风量时，实验室控制器应减少实验室排风量，直到实验室总排风量等于所需排风量或者实验室通用排风量减少到最低值。实验室控制器采用比例积分微分的闭环控制算法控制实验室房间排风量。

所有实验室控制功能均采用优先级结构，以保证系统存在需求冲突或无法满足所有需求时，能够通过优先级顺序来满足实验室的安全。该控制系统应用的优先级如下：

（1）通风柜迎面风速的控制。通风柜控制器可始终将其迎面风速控制在设定点，独立于实验室控制器。

（2）实验室换气次数。实验室控制器应以最高的优先级维持实验室房间的排风量，这样通过维持实验室的总排风量，可以保证实验室房间所需的最小换气次数。

（3）实验室压力。在达到规定的最小换气次数后，实验室控制器通过维持实验室排风总量和送风总量之间的差值来保证实验室负压。

（4）实验室环境。满足实验室压力后，通过调节实验室送风和排风量来维持实验室环境温度。当维持实验室设定温度所需的送风气量发生改变时，实验室的排风量应相应改变，这样才能保证实验室的最小换气次数和房间压力。

当实验室的送排风系统的风量根据实际使用需求发生变化时，AHU机组的送、回风的风量相应发生变化，通风柜的排风风机的风量也相应变化。需求风量发生变化后我们可以通过调节AHU机组和排风机的风机变频器的频率就可以调节风量，一般我们采用定静压法来进行风机的变频调速。

所谓定静压控制，是在送风系统管网的适当位置（常在离风机2/3处）设置静压传感器，在保持该点静压一定值的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。

当空调负荷减小，相应地空调系统风量需要减小时，部分房间或空调区域的变风量末端装置开度关小，此时系统末端局部阻力增加，管路综合阻力系数增加，管路特性曲线变陡。定静压控制目前仍作为一种主要的控制方法，在变风量系统中得到普遍采用。如果送风干管不是一条，则需设计多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机，风管静压的设定值一般在250Pa～375Pa之间。

5 结束语

通过上述的分析，其实化学实验室的风量控制虽然复杂但也比较容易实现，只要我们逐步的根据功能要求进行仔细的计算，得到每一个实验室的送排风风量，再累加得到相应区域的AHU机组的总风量值就可以对AHU机组进行设备选型。得到每一个实验室的风量后，我们就可以根据需要风量来进行风管的设计以及VAV控制器的设备选型。

当设计风量确定后，我们再根据设计值进行仔细的编程和调试就可以很好的完成实验室的VAV系统控制。