化学实验室变风量通风自控系统

韩君辉 孙婷

摘要 针对化学实验楼变风量通风控制系统普遍存在的：结构复杂、检测传感器价格贵、系统故障点多、维护成本高的问题，提出了根据各个通风柜柜门处于不同开度时所需排风量的变化，通过变频方式实时调整排风风机的转速，满足通风柜面风风速保持在0.5m/s±20%的需求，同时通过变频方式调整新风风机的转速，实时向实验室房间内送风，使室内风压保持在-lOPa至-6Pa之间的解决方案。经过在多个化学实验楼的实际应用，取得了很好的控制效果，并有效的节约了能源。

【关键词】变风量控制 实验室通风 变频技术

1 引言

实验室通风控制不仅要使通风柜的排风量满足0.5m/s±20%面风风速的需求，还要使实验室室内保持在微负压-lOPa至-6Pa状态，以免污染气体、烟尘外泄污染环境和室内正、负风压过大造成气流。所以，实验室通风系统需要实时对新风风量、排风风量进行调整。

通风柜面风风速要求保持在0.5m/s±20%，对测量仪器精度要求高，并且难以准确测量。采用通风柜出风口排风阀的开度来控制排风量，即不节能又难以实现。由于大部分实验室不是完全密闭的空间，对室内空气微负压状态难以准确测量，所以也无法准确调整新风风量。

本方案通过对通风柜所需风量的准确计算计量，采用变频调控技术调整新风、排风风机转速，并通过控制程序对控制方式等多个参数进行调整，实现了对各种工况的实验室通风系统进行变风量控制，既能达到国家对通风柜、实验室通风标准的要求，又实现了节能的目的。

2 系统组成

本系统由新风风机、新风风机变频控制柜、新风系统中心控制单元、新风风道电动调节阀门、新風风速传感器、房间控制单元、通风柜启停开关、通风柜柜门开闭状态传感器、排风风道电动调节阀门、排风风速传感器、排风系统中心控制单元、排风风机变频控制柜、排风风机组成。见图1。

2.1 房间控制单元

位于各间实验室内，房间控制单元由单片机电路、三组4-20mA信号输入电路、二组电动调节阀控制电路、二组485信号输入输出电路、一组开关信号输入电路、一组人机界面电路组成。

分别与本实验室内的新风风速传感器、排风风速传感器、通风柜柜门开闭状态传感器、通风柜启停开关相连。

通过外置人机界面可进行参数设定、程序调整。

房间控制单元通过数据总线将新（排）风风速传感器、新（排）风风道电动调节阀门、通风柜启停开关的数据，传输至对应新（排）风系统中心控制单元。见图2。

2.2 新（排）系统中心控制单元

位于中心控制室，由单片机电路、一组4-20mA信号输出电路、二组485信号输入输出电路、一组RJ45计算机网络信号输出电路、一组与计算机相连电路、一组人机界面电路组成。

中心控制单元通过数据总线与一个或多个房间控制单元、新（排）风风机变频控制柜相连。根据房间控制单元提供的数据，通过控制线对新（排）风风机变频控制柜发出控制指令，实现对实验室排风系统的变风量控制。可通过人机界面接收、编制控制程序和数据，并可与计算机网络连接，实现数据远传。见图3。

3 控制策略

当通风柜开启时，房间控制单元向对应的新风和排风风道电动调节阀门发出开启的信号，并实时将对应的新风和排风风道电动调节阀门的状态传输到对应的中心控制单元;同时检测通风柜柜门开闭状态传感器传来的通风柜门开启高度H1，根据通风橱宽度为L1，计算出通风柜柜门开启通风截面面积为S=HixLi，从而计算出保持通风橱面风风速为0.5m/s时的每秒需排风体积为V1=Sx0.5m/s。该通风柜排风风道的截面积为S1，根据公式v1=Vl÷S1计算出排风风速v1，房间控制单元将该信号传输到对应中心控制单元，当中心控制单元检测到排风风道电动调节阀门的开到位信号后，向对应的排风风机变频控制柜发出控制信号，调整排风风机转速，使该通风柜排风风道风速保持在v1。

当多间实验室由同一台排风风机排风时，房间控制单元可对排风电动调节阀的开度进行调整，消除距排风风机位置不同、风道管径不同带来的排风量的影响。也可在中心控制单元向对应变频器发出排风风机恒定转速运行指令的情况下，房间控制单元通过对排风风道电动调节阀开度的调整，满足排风风道风速保持在u1的要求。

房间控制单元根据排风风量V1，实验室新风风道截面积S2，计算出所需送风风速为u2= （V1Xx%）÷S2，x%为所需新风量与排风量的比例系数，该系数可以通过人机界面在房间控制单元中进行调整，数值范围为0%-100%。房间控制单元将u2数值传输到对应中心控制单元。当中心控制单元检测到新风风道电动调节阀门开度信号后，中心控制单元按照程序通过对对应新风风机变频控制柜发出控制信号，调整新风风机转速，使该实验室新风风道风速保持在u2。

当多间实验室由同一台新风风机送风时，房间控制单元可对新风风道电动调节阀的开度进行调整，消除距新风风机位置不同、风道管径不同带来的送风量的影响。也可在中心控制单元向对应变频器发出新风风机恒定转速下运行指令的情况下，房间控制单元通过对新风风道电动调节阀开度的调整，满足新风风道风速保持在u2的要求。

当通风柜关闭时，房间控制单元向对应的新风和排风风道电动调节阀门发出关闭的信号，同时向对应的中心控制单元发出通风柜关闭的信号，中心控制单元即设置所需的排风风速u1为Om/s、新风风速u2为Om/s。当收到新风和排风风道电动调节阀门关到位信号时，在系统显示为该电动调节阀门正常关闭，该通风柜正常关闭。

如果新风或排风风道电动调节阀门在接到开启、关闭指令30秒内，未向房间控制单元发送阀门的开、关到位信号，房间控制单元、中心控制单元分别发出故障信息。

多个房间控制单元通过数据线与中心控制单元、该中心控制单元所对应的新风风机变频控制柜或排风风机变频控制柜相连，可实现对多间实验室通风系统的变风量控制。

本方案支持根据实际需求减少风速传感器的数量，在一些控制精度需求不高的场所，可只在新（排）风总入（出）风口处设置一个风速传感器，根据风道截面积和额定风速值计算出入（出）风口所需达到的风速，通过变频器对风机转速进行调整，使进、排风量满足通风系统的需求。

当北方冬季需要对新风进行加热时，系统可以依据新风温度对新风风量、风速进行调控，在保证室温的前提下，运行通风系统。

4 结论

本方案已实际应用于多个化学专业实验楼的变风量通风自动化控制中，通过准确的调控、灵活可变的控制方式，满足了不同工况的需求，实现了成本低、故障率低、能耗低、控制精确率高、适应度高的目标。