浅析实验室通风与空调控制系统设计

李向群 杨国忠

摘 要：实验室通风与空调系统是整个实验室设计和建设过程中，规模最大、影响最广泛的系统之一，其控制系统更是保证系统良好运行的重要手段。基于此，通过介绍实验室空调及通风控制系统设计，能为提升实验室建设提供帮助。

关键词：实验室；空调；控制；设计

0 引言

实验室是科学研究的核心场所，它为研究人员提供了进行实验、观察和测试的环境，是技术发展和创新的重要基石。

实验室建设是一个国家或者一个组织发展的标志之一，不仅有助于提高科技创新能力，培养人才，还可以促进经济发展、提高国际竞争力，只有不断地提高实验室的建设水平，才能进一步促进各个领域科技的进步发展。

实验室空调及通风控制系统是实验室建设的重要组成部分，通过科学应用空调及通风控制系统，可进一步提供安全、舒适的科研工作实验环境，使科研人员具有良好的操作条件，保障科研人员的身体健康，降低空调能耗等作用。

1 系统组成

实验室内的设备通常需要精确的温度、湿度、压差控制，以保持其正常运行。实验室空调及通风控制系统，可以根据实验室内的温度、湿度和压力梯度以及设备需求，自动调节实验室内的空调温度、湿度和压力梯度。根据实验的时间安排自动控制空调的开关。

实验室空调及通风控制系统主要由空调系统、排风系统、房间控制系统、通风柜VAV排风系统、中央监控系统等几部分组成。本文主要对各部分控制系统的原理、控制方法进行分类描述。

2 空调系统

空调控制系统主要包括控制器、送风机、表冷及热水盘管、温湿度、压差、压力传感器等组成，其具体控制要求如图1所示。

空调系统通过设在实验室门口7寸触控屏上监控空调机组状态并设定参数，开关启停机组，实现空调机组送风温度湿度、送风机频率、冷热水阀、新风阀门等的控制，实现新风温湿度、送风压力、初/中效过滤压差、送风机压差等的监测。

温湿度控制分为夏季模式和冬季模式。夏季模式是根据送风管上温湿度传感器检测温度与设定值比较，调节盘管段回水管上的电动阀开度，控制冷水流量，使温度达到设定值。夏季湿度优先控制，通表冷降温除湿，通过热水加热阀调节温度。冬季模式是根据温湿度传感器检测温度与设定值比较，调节加热阀开度，控制热水流量，使温度达到设定值，根据温湿度传感器检测湿度与设定值比较，调节加湿器加湿量，使湿度达到设定值。

控制系统实时监测表冷冷水流，实时监测室外新风温度，自动判断运行季节。监测送风机两端压差，以压差开关信号作为风机故障报警。监测过滤器两端压差，以压差开关信号作为过滤器堵塞报警。送风机采用变频控制，根据总管静压检测压力与设定值比较，调节送风机变频频率，使送风压力达到设定值。与房间控制柜通讯，通过房间监控屏可启停机组，可设定温湿度值。控制器配置MODBUS TCP通讯接口，接入楼层交换机，可通过上位机进行控制。

3 排风系统

排风控制系统主要包括控制器、排风机、压差、压力传感器等组成，其具体控制要求如图2所示。

实验室门口7寸触控屏上监控排风机组状态并设定参数，通风柜启动联动排风机开机，实现排风机组风机频率、排风阀门等的控制，实现排风压力、活性炭过滤器压差、排风机压差等的监测。

监测排风机两端压差，以压差开关信号作为风机故障报警，监测活性炭过滤器两端压差，以压差开关信号作为过滤器堵塞报警。

排风变频控制，根据总管静压检测压力与设定值比较，调节排风机变频频率，使排风压力达到设定值。控制器配置MODBUS TCP通讯接口，接入楼层交换机，可通过上位机进行控制。

4 房间控制系统

房间控制系统主要包括房间控制器、房间控制屏、温湿度传感器、压差传感器、送排风变风量阀、通风柜等设备组成，对房间内的温湿度值、压差值、房间使用状态、通风柜运行状态、温湿度设定值、送风量、排风量等环境参数进行监控，其具体控制要求如图3所示。

实验室每间组成一个独立控制区域，配置独立的控制单元及房间监控屏，通过入口的房间监控屏，启动空调系统与区域送风系统，通过房间监控屏设置空调系统的温湿度值，可监测房间实时温湿度及压差。

实验室采用余风量控制方式，采集所有排风文丘里阀的实时风量，控制补风文丘里阀的送风量，补风量=房间排风量+通风柜排风量+....-余风量。通风柜配置变风量文丘里的房间，送风配置变风量文丘里阀。

房间最小换气控制，房间排风文丘里阀始终维持房间最小换气风量，当房间总排风量大于最小换气风量时，根据风量关小房间排风文丘里阀风量。房间总排风量=房间排风量+通风柜1排风量+.....通风柜N排风量。

房间紧急排风控制，通过触摸屏上的紧急排风键，切换成房间紧急模式，所有排风阀全开。

联动机制为：通风柜启动→联动排风机开启→新风机开启。当所有通风柜关闭后，排风机才允许关闭。通风柜未启用时，手动开启送排风系统，通过房间控制屏开关机。

房间控制器配置MODBUS TCP通讯接口，接入楼层交换机，可通过上位机进行监控。

5 通風柜VAV排风系统

通风柜控制系统主要包括通风柜系统控制器、门高传感器、变风量文丘里阀、通风柜5寸监控触摸屏等设备组成[1]，其具体控制要求如图4所示。

通风柜面风速控制系统根据门高传感器的测量值和设定面风速值，计算出当前通风柜所需要的排风量值，从而控制文丘里阀的风量在1 s内满足通风柜排风量需求。根据文丘里阀自带微压差传感器，监测压差是否在文丘里阀工作范围内（150～750 Pa）。当风压低于150 Pa，或高于750 Pa时，系统报警提示。通风柜门位过高时有声音报警。当出现异常情况时，开启紧急排放模式控制系统将文丘里阀开最大排风量，不受面风速值的控制。配置MODBUS标准接口，与自控系统对接。

通风柜5寸监控触摸屏采用彩色触摸屏，可显示实时面风速、门高、运行模式、运行状态、排风量等参数。通过触摸屏可设置面风速，开关通风柜照明灯、操作系统一键启停，具有紧急排风功能，紧急排风时，风阀最大排风量排风，门高超限报警、风速过低报警、低压报警等功能。

6 中央监控系统

实验室中央监控系统利用计算机技术、控制技术和网络通信技术[2]，设计一个监控管理系统的模型，通过对该模型各模块的设计，实现在无管理员状态下对实验室设备使用进行监控记录，管理员通过这个系统来实现对通风设备的监控与管理。建成网络化、智能化的实验室管理平台，实现设备的远程监控管理。

实验室中央监控系统，通过电脑（PC）与各系统控制器联机来获取通风设备的运行参数，实时监控管理通风设备的运行状态，自动显示及报警。在控制电脑上实时记录设备运行数据 （详细记录各通风柜面风速、房间压力、温度、湿度及补风量、各系统总补风量及排风量，各系统运行频率，设备故障情况等），并自动记录存档随时可以生成各种生产日报表、周报表、月报表等，自动转换成标准数据库格式，供其他用户联网共享使用，并提供接口与其他系统联机。

7 结束语

实验室空调及通风控制系统通过介绍各子系统的设计，满足整个实验室的房间压力、各房间压差、通风量、温湿度和各方面的安全控制要求，同时降低能耗，为实验室工作人员提供最安全舒适的实验室环境。

参考文献

[1] 赵侠.实验室通风柜系统设计应用[J].洁净与空调技术，2012 （1）：62-65.

[2] T/ASC19-2021.智慧建筑设计标准[S].

收稿日期：2023-10-23

作者简介：李向群（1979—），男，浙江杭州人，硕士，高级工程师，研究方向：建筑智能化。