变频器在生物安全二级实验室通风系统中的节能应用*

李雪柏 谷 鑫 王晓雪 郭晓敏 谭吉宾*

近年来，随着我国在医疗卫生和生物科学研究等技术的不断提高，安全可靠且智能节能的生物实验室随之建立，而实验室通风系统是否稳定直接影响着实验人员的安全及生物实验成果的正确性。在生物实验室通风系统中，应用变频器是为了智能控制通风系统中送排风电机的转速，以达到调速和节能，为此，分析生物安全二级实验室(bio-safety level laboratory-2，BSL-2)通风系统的结构和通风要求，并针对变频器在BSL-2中的节能应用效果进行分析，阐述变频器在BSL-2通风系统中的节能应用。

1 BSL-2通风系统

1.1 生物安全实验室

生物安全实验室经过实验室初期设计、实验室内部设备的配备以及人员防护装备的使用，通过标准化操作程序和管理规范等综合措施的严格制定，以确保工作人员操作生物因子时不受实验对象伤害，且实验室不会污染周围环境。生物安全防护水平分级根据对所操作生物因子采取的防护措施分为一级、二级、三级和四级，其中一级防护水平最低，四级最高[1]。

1.2 通风系统结构

BSL-2通风系统设备主要由预冷单元机组、空调箱、风机盘管以及排风机等组成，其在日常使用中均保证必要的新风和排风，尤其在某些特殊实验室内，还需要根据其特殊需求对温度、相对湿度和新风循环控制。BLS-2的空调通风系统设计主要包括实验室办公区空调通风设计和实验区的通风防护设计等。新风风机抽取室外新风送入预冷空调箱进行新风预处理，之后新风进入风机盘管，过滤单元进入建筑内新风管道，而后送往各实验室、走廊以及地下等新风应用单元。BLS-2新风进风管道布局见图1。

新风由新风机组并经过预冷处理后送入实验室各区域，并经过空调箱抽取室内空气和部分新风以控制出风温度和风量维持室内温度，将室内污浊的空气排除，保证实验室内空气的洁净度及温度。BLS-2内通风系统布局见图2。

2 BSL-2通风要求

2.1 设计规范

图1 BSL-2新风进风管道布局示图

图2 BSL-2内通风系统布局示图

在生物安全实验室设计中，应先进行危险性评估、实验室操作程序、初级防护、二级防护以及实验室操作体系与维护执行五项工作进行确认和论证后才可实施，其中二级防护是为了进一步加强对操作者、容纳初级防护的实验室空间及临近空间考量值(通常指空间、表明材质及定向气流等方面)的防护，参考上述设计规范，通风系统是生物安全实验室中重要的组成。

2.2 通风系统要求

生物安全实验室区别于一般建筑，对通风系统有着多层次要求，BSL-2中通风系统的要求包括四个方面：①通风设备。实验室新风必须设置高效率空气过滤器(high efficiency particulate air filter，HEPA)，各通风设备必须进行半年度的点检，项目包括风速、风量、压力实验、密闭度实验以及HEPA性能实验，在部分要求较高的BSL-2中还应对温度、相对湿度、洁净度及进排气系统有着更高的要求；②温度和相对湿度。BSL-2内温度为(21±2)℃，相对湿度为(60±10)%，在BSL-2内操作时必须穿着防护衣；③洁净度。洁净度是通过控制实验室新风系统的换气次数来实现；④进排气系统。进排气系统须采用互锁设置，防止排气失效时造成室内正压，排气系统必须设置备用系统，还应设置排气异常报警设计，同时进排气皆须设置HEPA单元，且进气HEPA须设置于天花板上[2-3]。

3 变频器在BSL-2实验室中的应用

3.1 变频器概要

变频器是通过电机工作电源频率变化来控制交流电动机的电力控制设备，其依附自身内部绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的开路断路对输出电源的电压和频率进行调整，为电机实际所需电源电压提供相应的供给，从而达到节能和调速目的。变频器应用在风机和水泵上的节能表现效果尤为突出[4]。电机设备的转速和输入频率成正比，因此更改、调节设备的频率即可调节电机(风机)的转速，进而对通风系统进行调节。变频器工作原理见图3。

图3 变频器工作原理示图

图4 变频风机主回路原理示图

除转速以外，使用变频器还可以在一定程度上实现软启动。挡板和阀门的损害来自于电机直启时产生的大电流和震动，同时设备和管路的使用寿命也会极大降低。但通过变频器的软启动功能可将启动时的电流从零开始平稳上升，减轻对电网的电流冲击和对供电容量的要求。因此在对旧设备进行升级改造和新项目立项时，均会以此进行控制系统的设计。

3.2 系统应用

变频器在BSL-2中的应用。BSL-2通风系统的单元主要为新风风机、空调箱、通风管道以及排风机组，其中风机机组的控制皆可使用变频器控制的方式进行工作，在风机电机的电源入线侧设置变频器设备，将变频器设备的电源出线作为风机电机的电源入线，并按照规范进行接地处理，完成拖动系统的主回路搭建。作为控制需要，在变频器各接线端子上引入控制信号线，搭建控制回路，多台机组同时设置时，为避免设备间的电磁干扰，应选择合适的电抗器。变频风机主回路原理见图4。

3.3 通风控制系统

通风系统中的主要执行部分为风机，主要用于空调机组、新风机组和排风机组，BSL-2的使用情况也相同，直启时电机常年运转会存在烧机、停转以及无法运转等情况，为解决此类问题和隐患，电机启动方式由直接启动变更为变频启动，并对传统的通风回路进行改造。在各实验室新风入口、排风出口分别设置压力传感器，对新风、排风状况进行实时检测，各压力传感器采集的数据传送给控制器进行处理，当实际值和设定值相符时，新风、排风风机即按照现状的频率运行，当出现压力偏差时，调节新风变频器，排风变频器来调整设备的转速，进而调节压力。变频风机控制系统结构见图5。

图5 变频风机控制系统结构示图

3.4 变频控制原理

(1)硬件组成。变频器及电机在控制系统中作为执行元件，而系统中还包括控制元件、测量元件及传输转换元件等。控制系统元件见表1。

表1 控制系统元件表

(2)工作流程。系统开始工作后，压力传感器不间断地对系统中压力数据进行采集，并周期性地发送到控制器，在控制器内对接收的数据进行比较处理，当实际值>设定值时，控制器控制变频器的输出，降低频率进而调整压力；当实际值＜设定值时，调整动作相反，控制器增大变频器的输出频率；当实际值和设定值的偏差在允许范围内时，判断其相等，可不做调整。系统工作流程见图6。

图6 系统工作流程图

4 BSL-2变频应用节能效果分析

BSL-2通风系统进行变频控制改造后，其日常的使用效率、维护效率均得到有效提高，同时对负载优化及节能也做出了贡献。

(1)风量调节。传统的调节方式需到现场进行手动调整风阀，而自动控制的方式可根据压力自动调节，有效保证实验室连续、稳定的运行，使风量的调节变得简单。

(2)变频器设备保护功能完善。对过压、欠压以及过流等故障反应快速，避免设备在异常条件下运转，能极大提高设备使用寿命，根据非电子零部件进行可靠分析，其电刷故障为32%、润滑故障为31%、开路短路为14%、换向器故障为12%以及转子开路短路故障为11%，其中变频器可有效检知开路和短路故障，消除因此类故障造成的电机损坏，可将电机故障率降低14%。

(3)低负载时可以降低变频器的输出并减少能耗。由于风机为二次方负载，根据风机的工作特性，其轴功率和转速的三次方成正比，其计算为公式1：

现场电机按照5 kW进行计算，当频率由工频P1=50 Hz降至P2=45 Hz时，P2=P1×(f2)3÷(f1)3=3.65 kW，则单台电机节能为P1-P2=1.35 kW，为原耗能的27.1%。则年节能量为(设备按照全年运行进行计算)：P3=5(kW)×24(h)×30(d)×12(m)×0.271=117 07.2 kW。若1 kW·h电按照K=0.5元进行计算，则年节能费用为：P3×K=5853.6(元)，即1台5 kW设备，以45 Hz运行时全年可节省费用5 853.6元，而BSL-2便使用多台风机，其成本节约效果明显[5-9]。

5 结论

BSL-2采用变频控制方式，将通风系统效率控制在较理想的范围内，极大降低了风机能耗，改善了风机的启动性能，有效地延长了风机的使用寿命，且运行可靠，减少了使用和维护费用。但是BSL-2作为有一定风险的生物操作实验室，除了辅助安全设备，实验室还必须在核心设备的操作规范、实验室的操作规程上制定严格的标准，同时还应制定完善的风险预防措施，才能高效地发挥BSL-2的作用。