实验室变风量排风柜罩面风速的控制策略

张雁翔

文章编号：2095-6835（2016）13-0103-02

摘 要：不管是专业的科研人员，还是步入理科学堂的学生，实验室并不是一个陌生的地方，然而，在实验过程当中可能会出现一些有害的气体，因此，如何保障我们实验室内的实验人员不受到这些有害气体的伤害，一直是我们排风柜研究人员的首要问题。其根本原理就是对风速进行控制，从而控制空气当中的污染收集与排放。主要阐述国内常见的几种类型的排风柜和其工作原理，并提出一些设计优化建议。

关键词：实验室；变风量排风柜；罩面风速；控制策略

中图分类号：TU834.6+35 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.103

我们都知道，想要控制污染气体不侵害实验人员，就需要控制排风柜罩面的风速。但是在实际中，我们实验室内存在很多会干扰排风柜罩面风速的干扰气流，这些气流产生的原因非常多，最常见的原因有：门窗的开关、人员的走动、室内送风系统等。虽然我们的排风柜目前已经能控制大部分污染气体，但是因为一些其他干扰原因的存在，其控制效果还是受到制约。那么，如何才能提高排风柜对污染气体的控制性能？下面将逐一进行分析。

1 控制变风量排风柜罩面风速的意义

我们实验室的空调系统造价一般是普通建筑空调系统的造价的3～6倍，运营费用也相对高出许多。目前，为了保证实验有害气体能收集完全并合理排放，我们一般都采用新风系统。但是，其造价非常高昂，而变风量的排风系统是我们降低空调系统造价与使用费用的一个有效途径。

以往的定风量空调系统中的排风柜的排风量是定量的，其运行消耗也是定量的，一般其风量统一定为最大排风量，拉门大小改变并不会改变其排风量大小。而变风量排风系统能根据其拉门是改变而改变罩面风速。比如说，其最小风速为0.5 m/s，那么当拉门打开1/4时，其罩面风速就增加到2 m/s。当整个拉门完全打开，其罩面风速能够立刻增加到10 m/s。但是，过高的罩面风速可能会导致我们试验台的上方气流剧烈变化，然后还是可能会导致污染气体在柜内某一处聚集，还可能吹灭我们实验火焰，破坏实验的效果。但是罩面风速如果不够，污染气体不能即使排除，又会导致我们的实验人员有吸入有害气体危险。所以，我们排风系统一定要根据试验台上的具体实验进行来调节，考虑试验台的实验实况、室内压力等情况。随风柜拉门大小变化而变化罩面风速，并保持在一定范围能大大地减少我们的实验室排风系统的能源消耗。变风量的排风系统比定量的排风系统能节能20%左右，比如说需要换气6～60ACH的一个实验室。如果采用变风量的通风系统，能节约非常可观的能源。所以，我们的现代实验室应该普遍采用变风量的排气系统。

2 变风量排风柜罩面风速控制原理

根据实验室的实验性质来选择不同规格的排风柜。目前，普遍采用的英国标准（BS7258）中明确规定了不同性质实验需要的罩面风速标准。常规推荐表如表1所示。

表1 英国标准（BS7258）常规推荐表

罩面风速/（m/s） 排风柜的使用实验类型

Min0.7 带有放射性物质的实验操作

Min0.5 常规实验操作

Min0.2 化学物品储存操作

从表1可以看出，化学物品储存的实验对于罩面风速要求最低，最小为0.2 m/s。如果罩面风速过大，可能会导致化学物品的性质发生变化，不便于储存操作。常规的实验操作的最小罩面风速为0.5 m/s。这个要求定量风柜能完成。带有放射性物质的实验操作对于罩面风速的要求比较高，最小达到0.7m/s。以上实验类型的排风柜都是专门定制出来的。这种定量排风柜使用，造成实验室的分类过多，实验室的利用率降低。而使用变量风速控制的排风系统，则能满足不同性质的实验操作需求。改变拉门的大小，就可以调节其罩面风速。将排风柜换气范围内的有害气体逃逸可能性降到最低，保证实验台上人员的呼吸安全。

3 实验室内气流控制介绍

经过了40年的实验室的气流控制技术不断发展和完善，已经从原始的定风量系统转变成变风量、双稳态系统，现阶段已经不断完善发展成了自适应性控制系统。这保障了实验室人员的安全，并且更加节能，系统控制更加稳定性。

3.1 定风量控制（CV）

1940年CV诞生，这个系统的送风量是固定的，不会随着通风柜窗开度调节而变化。系统特性：控制非常简单，安全性能很差，适应性不强，且能耗惊人，不能满足复杂实验的要求。定风量控制系统结构图如图1所示。

3.2 双稳态控制（Two-State）

定风量控制系统无法满足实验的排风需求，其安全性和能耗缺陷受到人们的重视，双稳态控制也就应运而生了。这个系统相对定风控制有了一定的改进，可以在高风、低风量之间进行选择，比如一些排风量需求小的实验，或在实验室夜间休眠期选择低风量档位运行，降低了排风系统的能耗，但是与定风量系统相似，这个系统抗干扰能力差，适应性不强。双稳态控制系统结构原理图如图2所示。

3.3 变风量控制（VAV）

随着控制技术的不断发展，出现了变风量控制系统。这种风速控制法一般是在排风柜的排风口设置一个风速检测仪器（比如热球风速检测仪、热线风速检测仪）来对风量进行检测。将检测出来的罩面风速值传入排风系统的控制器内，根据要求的风速进行控制排风门的大小或排风马达的功率。其优点是适应性强、能耗低，缺点是对阀门的控制精度和反应速度的要求高。

3.4 自适应控制（UBC）

通过在拉门上安装磁铁距离检测器或可变电阻器来确定排风柜拉门的高度。排风量根据我们实际拉门高度通过计算得出。排风柜的罩面风速普遍采用下式计算：

v= Q/A= Q/bh. （1）

3.5 通风柜气流控制

HCS的通风柜气流控制采用位移传感+精确风量控制阀的控制系统。只要在排风口边缘安装一个罩面风速测量器即可。但是，这个检测的风速一般是排风口处的风速，有时会出现检测的罩面风速与试验台上的风速不同。所以，采用直接风速测量控制法还是存在一些不足之处，对于风速高标准的实验室不推荐使用。

4 结束语

随着人们的实验安全意识的不断提高和科技的不断发展，人们对于一些特殊性质的化学品的深入研究，要求我们现代实验室对于通风、排风系统的控制性能不断提高。罩面风速是我们必须重点关注和研究的，因为这直接关系到一个实验室能否安全进行实验，并影响整个实验的经济支出。以往，我们只通过检测罩面风速大小来判断一个排风柜的性能好坏，但这种方法是不科学的，因为不同性质的实验对于罩面风速的需求也是不同，高风速对于化学品储存操作就很大的坡滑行。所以，我们需要因地制宜，根据实际需求来调整罩面风速。比如说，我们一个标准的现代实验室需要先检测实验人员的呼吸浓度，从而评判这个排风柜质量的好坏。所以，应该普遍推广变风量排风柜，并深入研究其性质，使得我们的变风控制技术水平更高，能更好地保护我们实验室实验人员的人身安全。

参考文献

[1]程勇，刘东，王婷婷，等.实验室排风柜面风速要求与实测分析[J].暖通空调，2012（08）：84-88.

[2]张占莲，万建武.实验室气流组织对污染物控制的影响[J].制冷与空调，2014（12）：80-84.

〔编辑：胡雪飞〕