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現(xiàn)代化實驗室的通風(fēng)空調(diào)工程設(shè)計
時間:2018-08-28
0?引言
隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快,我國工業(yè)由制造業(yè)中心向研發(fā)中心的轉(zhuǎn)型已漸成趨勢。近年來國內(nèi)大企業(yè)和跨國集團(tuán)公司新建和改建的研發(fā)中心實驗室越來越多。這些新建或改建實驗室的通風(fēng)空調(diào)工程設(shè)計,采用的理念和模式基本一致,即采用建立在高度自動化、智能化基礎(chǔ)上的變風(fēng)量排風(fēng)和變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)與補(bǔ)風(fēng)技術(shù)。新技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)設(shè)計手法之間的沖突,自然會在不同場合下顯現(xiàn)出來。比較突出的場景是,這些實驗室通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計在面臨各地相關(guān)職能機(jī)構(gòu)審查時,總會出現(xiàn)種種歧見。對此,筆者深感自己有責(zé)任把問題解說清楚,求得各方共識;積極維護(hù)我國相關(guān)行政執(zhí)法和審查的權(quán)威性;
使各級行政審查始終處于現(xiàn)代化新技術(shù)應(yīng)用積極助推者的境地。
1?實驗室通風(fēng)工程設(shè)計基本原則
國內(nèi)外關(guān)于實驗室通風(fēng)工程設(shè)計的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在總的精神和原則上大都具有某些共性和一致性,歸結(jié)起來大致有如下幾點:
1)實驗室內(nèi)的實驗操作應(yīng)在排風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行。
2)為有效控制污染物不逸出,排風(fēng)柜的排風(fēng)量應(yīng)確保工作窗口的面風(fēng)速大于或等于0.5m/s。
3)新建和改建實驗室所用排風(fēng)柜應(yīng)裝有實時監(jiān)控顯示和聲光報警裝置,以便實時顯示排風(fēng)柜使用前和使用中的性能參數(shù),并在面風(fēng)速或者排風(fēng)量降低到容許下限時,發(fā)出聲光報警信號。
4)新建和改建實驗室所用排風(fēng)柜應(yīng)采用壓力無關(guān)型風(fēng)量自動調(diào)節(jié)、監(jiān)控與聲光報警設(shè)施。
5)凡排風(fēng)柜排出的有害氣體與別的排風(fēng)柜排放的氣體混合后,可能引起燃燒、爆炸或者毒性加劇,不應(yīng)合并于一個系統(tǒng)。
6)除排風(fēng)柜的局部排風(fēng)外,實驗室內(nèi)還應(yīng)有全室排風(fēng)。實驗室內(nèi)的總排風(fēng)量折合房間換氣次數(shù)應(yīng)大于或等于6h-1。
7)實驗室內(nèi)的供暖和空調(diào)不得采用循環(huán)空氣(回風(fēng))。
8)用于補(bǔ)給實驗室內(nèi)排風(fēng)的新風(fēng)補(bǔ)給送風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)是不含回風(fēng)的直流式系統(tǒng)。
9)除非是潔凈型實驗室,一般實驗室的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)量應(yīng)略小于房間的總排風(fēng)量,以使室內(nèi)相對于走道或辦公室保持微負(fù)壓。
需要特別說明的是,上述第2)和3)條是近年來國際上技術(shù)先進(jìn)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的新內(nèi)容。與此相對應(yīng)的是,我國的JG/T?222—2007《實驗室變風(fēng)量排風(fēng)柜》也加入了相關(guān)內(nèi)容,按筆者的理解,這正是與國際接軌的一項必要舉措。
2?傳統(tǒng)實驗室通風(fēng)工程設(shè)計模式
2.1?老式排風(fēng)柜的結(jié)構(gòu)、
操作及其性能過去常用的排風(fēng)柜及其排風(fēng)方式如圖1所示,利用上下拉窗2靠手動實現(xiàn)開關(guān),即當(dāng)工作人員在工作臺前做實驗時,拉窗上移,窗口開大,直至全開;離開時下拉,窗口關(guān)小,直至關(guān)到最小開度。設(shè)計計算排風(fēng)量則是按相應(yīng)拉窗處于最高位置時,窗口最大開度下確保平均面風(fēng)速大于或等于0.5m/s確定。調(diào)節(jié)閥3是一種調(diào)節(jié)性能很差的手動蝶形閥,其只是用于安裝施工完成后系統(tǒng)調(diào)試時,按設(shè)計計算排風(fēng)量整定。閥位一經(jīng)整定后便定位并固定鎖住,不再改變。由此可見,由這樣的排風(fēng)柜及其風(fēng)閥所構(gòu)成的簡單排風(fēng)系統(tǒng)的運行主要有如下特點:
1)由于所用排風(fēng)機(jī)是一臺固定轉(zhuǎn)速通風(fēng)機(jī),其運行風(fēng)量是固定不變的。它的運行狀態(tài)只有開和停兩種,相應(yīng)的風(fēng)量為最大和零。所以,這樣的排風(fēng)柜和排風(fēng)系統(tǒng)便稱為定風(fēng)量排風(fēng)柜和定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)。
2)上下拉窗需由實驗人員手動操作,實驗人員做完實驗或者離開后,往往不會總是循規(guī)蹈矩,按操作規(guī)定拉下窗門。
3)窗口面積隨拉窗上下位置的變化而變化,但由于設(shè)計計算排風(fēng)量是固定不變的,所以,窗口的平均面風(fēng)速必會隨著拉窗的下移而不斷增大。當(dāng)它處于最小開度時,窗口風(fēng)速可能會變得很大,以致吹滅正在進(jìn)行加熱實驗的酒精燈。
4)不管排風(fēng)柜的工作狀態(tài)如何變化,系統(tǒng)始終按最大設(shè)計計算排風(fēng)量運行,其運行能耗大;補(bǔ)風(fēng)量及其輸送功耗也隨之增大。
5)上述還只是涉及通風(fēng)輸送能耗的增大。過去囿于工作、生活條件和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制,實驗室很少采用空調(diào),充其量只是在寒冷地區(qū)的冬季采用熱風(fēng)補(bǔ)風(fēng),以滿足室內(nèi)正常供暖或值班供暖。如今,隨著科學(xué)研究技術(shù)水平的快速提高,對實驗的精確度、可靠性、重復(fù)性要求也越來越苛嚴(yán),相應(yīng)地對實驗室環(huán)境的要求也在不斷提高,先是一般舒適性空調(diào),后來則是恒溫恒濕空調(diào)環(huán)境,再后來的發(fā)展是潔凈室環(huán)境要求。在這種情況下如果還是采用定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng),其能耗是不堪設(shè)想的。僅僅從能耗這一角度說,其應(yīng)用也是難以為繼的。
2.2?多臺傳統(tǒng)排風(fēng)柜并聯(lián)運行的系統(tǒng)典型模式
隨著研發(fā)中心實驗室規(guī)模的增大,不可能每臺排風(fēng)柜構(gòu)成一個獨立系統(tǒng),而是需要多臺排風(fēng)柜并聯(lián)運行,共用一個系統(tǒng)。當(dāng)多臺排風(fēng)柜接入同一系統(tǒng)時,可能引起的問題很多。
1)首先是系統(tǒng)的初始調(diào)試和整定問題。圖2是由不同數(shù)量排風(fēng)柜并聯(lián)運行組成的排風(fēng)系統(tǒng)示意。假定每個排風(fēng)柜的設(shè)計計算風(fēng)量都是1?500m3/h,那么圖2中所示的兩個系統(tǒng)的總排風(fēng)量分別為7?500m3/h和4?500m3/h。按照GB50243—2002《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》要求,工程完工驗收前必須進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試的基本目標(biāo)有二:一是使系統(tǒng)總風(fēng)量達(dá)到設(shè)計計算風(fēng)量;二是調(diào)整各支風(fēng)管風(fēng)閥的開度,確保每臺排風(fēng)
柜的排風(fēng)量均衡,都能有1?500m3/h的排風(fēng)效果。
實際上這種費時、費力、十分煩瑣的工作很少有單位能夠認(rèn)真實施,最后的結(jié)果必然是順其自然。系統(tǒng)投入使用運行時,必然會出現(xiàn)有些排風(fēng)柜窗口的風(fēng)速過大、有些風(fēng)速太小的不均衡現(xiàn)象。
2)即使是上述初始調(diào)試和整定工作按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定圓滿完成并得以嚴(yán)格驗收,那也只是系統(tǒng)某一特定的運行工況,比如所有排風(fēng)柜都處于最大開度情況下的運行狀態(tài)。而實際上,并聯(lián)于同一系統(tǒng)中的任何一臺排風(fēng)柜的開-?;蛘呃拔恢玫淖兓?,都會引起別的排風(fēng)柜排風(fēng)量的變化。這是因為風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)水力相關(guān),無法避免各個末端之間相互干擾。
為便于各支管的水力平衡,有利于各個排風(fēng)柜正常、穩(wěn)定運行,一個系統(tǒng)中不宜接入太多的排風(fēng)柜,比如,不超過4臺成了一項不成文的約定。當(dāng)然,這種俗成約定是不具嚴(yán)格科學(xué)意義的,它只是在低水平科技手段條件下針對這類定風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)模式的一種無奈的折中處置。
2.3?采用定風(fēng)量型排風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)和相應(yīng)房間全室通風(fēng)的傳統(tǒng)模式圖3為采用定風(fēng)量型排風(fēng)柜和相應(yīng)房間全室通風(fēng)的傳統(tǒng)模式。在寒冷地區(qū),該系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)除需經(jīng)粗效過濾外,還需進(jìn)行加熱,以實施熱風(fēng)補(bǔ)給。從圖3可看出,全室排風(fēng)系統(tǒng)P-2和局部排風(fēng)系統(tǒng)P-1是分開獨立設(shè)置的。至于全室通風(fēng)是否必須與局部通風(fēng)分開獨立設(shè)置,雖然未見教科書有所記述,也鮮見有什么設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范條文予以明確規(guī)定,不過,這一做法卻幾乎已成為通風(fēng)工程設(shè)計不成文的俗成約定。
另外,如圖3所示,過去,囿于技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的限制,多數(shù)實驗室內(nèi)不設(shè)空調(diào),只是要求冬季溫度不低于5.0℃而已。所以,新風(fēng)補(bǔ)給系統(tǒng)的全年運行能耗尚屬有限。
3?現(xiàn)代自動化、智能化實驗室的通風(fēng)空調(diào)工程設(shè)計模式
3.1?實驗室變風(fēng)量排風(fēng)柜的應(yīng)用
JG/T?222—2007《實驗室變風(fēng)量排風(fēng)柜》是一項與美國ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)等效的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實驗室排風(fēng)柜需采用自動化控制手段,以保持工作窗口面風(fēng)速恒定為目的而實施變風(fēng)量控制。
圖4所示為最簡單的只有單一排風(fēng)點,沒有分支風(fēng)管的情況。圖中1為可自動或手動控制的上下拉窗;2為安裝于窗口的風(fēng)速傳感器;風(fēng)速顯示控制器3根據(jù)面風(fēng)速給定值與風(fēng)速傳感器2的實時測定值進(jìn)行比較,作出判斷;操控變頻器4,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運行轉(zhuǎn)速,增大或減小排風(fēng)量。
對于面風(fēng)速的感測,這里只是為了能比較直觀地闡述原理,才在圖4中借用了風(fēng)速傳感器
2。在現(xiàn)實情況下,采用這種有形的風(fēng)速傳感器顯得有些礙手礙腳,也難以找到恰當(dāng)位置安放。在實踐中廣泛采用的是間接的機(jī)械式替代方式,即利用卷軸行程傳感器對其牽拉線纜拖動的窗門位移高度進(jìn)行精確的感測,從而相應(yīng)地加大或者減小排風(fēng)量,以達(dá)到始終保持恒定面風(fēng)速的效果。其工作原理可用式(1)表示。
L=3?600v?bh
(1)式中?L為排風(fēng)量,m3/h;
v為恒定的平均面風(fēng)速,0.5m/s;
b為窗口寬度,m;h為窗口開啟高度,m。
式(1)中的v和b都是常量,唯一的變量是h。所以,排風(fēng)量L與窗口高度h(即卷軸行程傳感器所感測到的行程)之間存在著簡單的線性關(guān)系。
為了使窗口保持恒定的面風(fēng)速,只要感測出窗口的高度(開度),即可計算并實施控制所需排風(fēng)量L。這樣,卷軸行程傳感器的感測效應(yīng)與面風(fēng)速傳感器便是完全等效的。后文中除非特別說明,在討論相關(guān)自動控制原理時,將一律采用排風(fēng)量(風(fēng)速)傳感器代之。
對于變風(fēng)量排風(fēng)柜,如果要求進(jìn)一步提高其自動化程度,還可增設(shè)區(qū)域存在傳感器,在一定距離處(比如距排風(fēng)柜0.5m)感測操作人員的有無,自動操控工作窗口的開閉。當(dāng)排風(fēng)柜前有操作人員時,傳感器發(fā)出信號給控制器,命令將排風(fēng)柜設(shè)置到使用模式(開窗和正常排風(fēng)量);當(dāng)操作人員離開后,傳感器和控制器便發(fā)出指令,將排風(fēng)柜設(shè)置于待命模式(關(guān)窗和最小排風(fēng)量)
。實際工程中常見的是具有多個排風(fēng)點的系統(tǒng)形式。圖5所示的是含有2個排風(fēng)點的系統(tǒng),在這種情況下,每個支風(fēng)管所連接的變風(fēng)量排風(fēng)柜都需采用壓力無關(guān)型變風(fēng)量閥4,以確保每個排風(fēng)末端的排風(fēng)效果不受別的支風(fēng)管及其末端設(shè)備運行狀況的干擾影響。
接入系統(tǒng)的任一排風(fēng)柜分支風(fēng)量彼此之間互相不受干擾的根本原因,在于其所用變風(fēng)量閥的壓力無關(guān)特性。實踐中應(yīng)用最多的壓力無關(guān)型變風(fēng)量裝置為文丘里變風(fēng)量閥(文氏風(fēng)閥)。變風(fēng)量通風(fēng)柜與文丘里變風(fēng)量閥及卷軸行程傳感器結(jié)合使用的集成模塊見圖6。
圖5中,卷軸行程傳感器2感測到拉窗位置改變后,發(fā)出信號給控制器3(VIC),后者即命令變風(fēng)量閥4的閥位作出相應(yīng)的變化,以達(dá)到所需的風(fēng)量(風(fēng)速);同時,風(fēng)量數(shù)據(jù)信號也由變風(fēng)量閥4傳輸給風(fēng)量疊加計算給定器5(DI)??傦L(fēng)量顯示控制器6(FIC-101)在獲得其計算結(jié)果數(shù)據(jù)信號后,控制變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)7的運行轉(zhuǎn)速,以滿足總風(fēng)量要求。顯然,這是一個開環(huán)控制,如要實現(xiàn)閉環(huán)控制,補(bǔ)充一個總風(fēng)量反饋信號即可。
3.2?壓力無關(guān)型文丘里變風(fēng)量閥的構(gòu)造和工作原理
文丘里變風(fēng)量閥消除了排風(fēng)系統(tǒng)(或空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng))中各支管或末端之間水力工況的相關(guān)性,可以說是變風(fēng)量通風(fēng)與空調(diào)技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵性設(shè)備。只有了解其結(jié)構(gòu)和工作原理(見圖79),才能洞察它的壓力無關(guān)特性。
如圖7所示,文丘里變風(fēng)量閥的外形是一個文氏管型的筒體1,內(nèi)部有一裝有壓力補(bǔ)償彈簧3的錐形閥芯2。4為安裝于閥體上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收來自風(fēng)量顯示控制器(VIC)的控制信號,通過連桿7牽動錐形閥芯2前后移動,改變環(huán)形流道截面,實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。顯然,這是屬于主動性質(zhì)的控制效應(yīng)。壓力補(bǔ)償彈簧3吸收風(fēng)管系統(tǒng)中壓力在一定范圍內(nèi)的波動,從而賦予文丘里變風(fēng)量閥壓力無關(guān)特性,因此,彈簧3在文丘里變風(fēng)量閥中被稱為定風(fēng)量機(jī)構(gòu)。當(dāng)排風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)管內(nèi)壓力(圖7和圖9a中文丘里變風(fēng)量閥的左側(cè))降低時,或送風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)管內(nèi)(文丘里變風(fēng)量閥右側(cè))壓力升高時,文丘里變風(fēng)量閥前后壓差增大。這一增大的壓差一方面會導(dǎo)致風(fēng)量有增大的趨勢;另一方面也會加大施加于錐體彈簧上的壓力,壓縮彈簧,推動錐形閥芯稍稍向左移動,
使閥內(nèi)環(huán)形流道截面積減小,流動阻力增大,使之呈現(xiàn)風(fēng)量減小的趨勢。這樣,本來因壓差增大而可能導(dǎo)致風(fēng)量增大的趨勢,便在后一因素作用下,獲得補(bǔ)償或平衡,最終得以消除。反之亦然。
圖8中風(fēng)量曲線a,b,c,…,n,與圖7所示的閥位一一對應(yīng)。圖中縱坐標(biāo)顯示的是壓力補(bǔ)償彈簧的正常工作壓力范圍,只要總風(fēng)管內(nèi)壓力波動引起文丘里變風(fēng)量閥前后壓差的變化不超出所示壓力范圍,文丘里變風(fēng)量閥即可完全排除風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)無序的壓力波動干擾,而達(dá)到壓力無關(guān)的控制效果。圖8中的A和B分別表示文丘里變風(fēng)量閥兩個互不相關(guān)操作機(jī)構(gòu)的控制功能:前者根據(jù)自動控制器指令信號,對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié);后者為閥件本身為排除系統(tǒng)壓力波動干擾因素影響的定風(fēng)量作用。
3.3?現(xiàn)代化實驗室通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計的典型模式
1)大型變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)圖10所示的排風(fēng)系統(tǒng)是一個大型變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)。并聯(lián)接入該系統(tǒng)的變風(fēng)量排風(fēng)柜1,僅圖中所示的一個房間就有5臺,另外,圖中未示出的其他房間可能還有很多臺。還有一個與傳統(tǒng)做法明顯不同之處,房間全室通風(fēng)的排風(fēng)管4也與各排風(fēng)柜局部排風(fēng)支管并聯(lián)于一個系統(tǒng)。需要注意的是,系統(tǒng)的每個支管上都裝有壓力無關(guān)型文丘里變風(fēng)量閥2,而且,系統(tǒng)的動力部分采用的是變頻風(fēng)機(jī)3。采用變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)的實驗室和實驗中心,
可能采用的排風(fēng)柜數(shù)量少則幾臺,多則十幾臺、數(shù)十臺。從理論和技術(shù)層面上說,并聯(lián)接入同一系統(tǒng)的排風(fēng)柜或其他設(shè)備數(shù)量可以不受限制,而且,全室排風(fēng)風(fēng)管的并聯(lián)接入也屬正常和必要。更有甚者,同一個排風(fēng)系統(tǒng)還可連接若干個不同實驗室的排風(fēng)。其實,這一切都是由于并聯(lián)各支路的水力工況,以至其風(fēng)量,均被賦予了壓力無關(guān)特性的緣故。另外,借助于智能化的自動控制技術(shù),可確保系統(tǒng)總是以必要的最小排風(fēng)量運行,從而在最大程度上減少通風(fēng)和空調(diào)能耗。
需要補(bǔ)充說明的是,有的實驗室要求恒溫恒濕空調(diào)環(huán)境,甚至是潔凈空調(diào)環(huán)境,但更多的只是要求保持舒適性環(huán)境即可。不同空調(diào)環(huán)境參數(shù)的要求,其系統(tǒng)運行能耗顯然是大相迥異的。
2)大型變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量自動控制原理變風(fēng)量排風(fēng)柜的應(yīng)用和變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)的自動控制技術(shù),對于確保實驗室排風(fēng)柜的排風(fēng)效果,保障整個排風(fēng)系統(tǒng)運行的可靠和穩(wěn)定,改善實驗室研究人員的職業(yè)衛(wèi)生環(huán)境,降低實驗室的通風(fēng)和空調(diào)負(fù)荷、減少能耗都具有很大意義。
圖11所示的是一個跨房間的多室共用系統(tǒng),首先它所連接的排風(fēng)柜及其他設(shè)備的數(shù)量很多(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)習(xí)慣的3~4臺);其次,在符合某些規(guī)定的條件下它容許把作為局部排風(fēng)的排風(fēng)柜、儲存柜、活動風(fēng)口等的排風(fēng)與房間全室排風(fēng)合并成一個系統(tǒng)。
如圖11所示,從風(fēng)量(風(fēng)速)顯示控制器1(VIC-101~105)到變風(fēng)量閥2的控制,等同于圖5。凡是接入同一系統(tǒng),包括來自別的房間的各排風(fēng)末端風(fēng)量控制器的風(fēng)量輸出信號,都各自輸入變風(fēng)量閥2,3,以控制自身所需排風(fēng)量。同時,各路排風(fēng)量數(shù)據(jù)信號經(jīng)由各變風(fēng)量閥2,3輸入風(fēng)量疊加計算給定器4(DI-101)。給定器4的計算結(jié)果數(shù)據(jù)信號即作為總風(fēng)量顯示控制器5(FIC-101)的系統(tǒng)總風(fēng)量給定值,用于控制變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)6的轉(zhuǎn)速??傦L(fēng)量傳感器7測得的總風(fēng)量值是控制動作后的實際風(fēng)量,作為反饋信號再輸入總風(fēng)量顯示控制器5(FIC-101),與之前的計算給定值進(jìn)行比較,構(gòu)成帶反饋的閉環(huán)控制回路,從而可實現(xiàn)變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的精確控制。
3)全室排風(fēng)量的確定及其自動控制原理對于房間的全室排風(fēng)而言,由于它只與該房間的容積相關(guān),理應(yīng)在每一房間(實驗室)層級基礎(chǔ)上考慮問題。實驗室的日常全室排風(fēng)量應(yīng)確保換氣次數(shù)不小于6h-1。由于室內(nèi)的局部排風(fēng)也是來自同一實驗室內(nèi),其實時量值也應(yīng)計入全室排風(fēng)內(nèi),室內(nèi)局部排風(fēng)量是時時變化的,因而,全室排風(fēng)量也需隨之時時改變才行。
圖12所示的只是整個排風(fēng)系統(tǒng)(圖11)中所涉及實驗室的一部分。來自各變風(fēng)量閥2,3的風(fēng)量數(shù)據(jù)信號,輸入風(fēng)量疊加計算給定器4(DI-102),其計算結(jié)果數(shù)據(jù)信號有兩路輸出:一路傳輸給補(bǔ)風(fēng)量差值計算給定器SP-201(見圖13),以供送風(fēng)系統(tǒng)補(bǔ)風(fēng)量控制用;另一路則傳送給全室排風(fēng)量顯示控制器5(FIC-102),與房間按照最小換氣次數(shù)計算的排風(fēng)量給定值進(jìn)行比較。如果前者實時量值與后者給定值相等,則變風(fēng)量閥3開度保持不變;如果前者大于后者,閥3關(guān)小,直到全關(guān);反之,若前者小于后者,則閥3逐步加大開度,直到補(bǔ)全不足部分風(fēng)量為止。
圖12中的給定值可按照實驗室工作班制定時改變,比如白天工作期間,室內(nèi)最小換氣次數(shù)按6h-1計算;夜間最小換氣次數(shù)按2h-1計算。定時改變給定值,即可實現(xiàn)節(jié)能的值班通風(fēng)控制。
4)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的自動控制圖10中S-1系統(tǒng)是一個典型的跨區(qū)域(房間)、多區(qū)域(房間)共用的直流式變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。其單一實驗室和系統(tǒng)總送風(fēng)量的自動控制原理見圖13。
實驗室空調(diào)自動控制有兩個方面須考慮:一是室內(nèi)微負(fù)壓(潔凈室空調(diào)時微正壓)的保持;另一個是室內(nèi)環(huán)境要求的空氣參數(shù)的保持。對于室內(nèi)微負(fù)壓的控制,有兩種方案可供選擇:補(bǔ)風(fēng)量差值控制方案和壓差控制方案。
補(bǔ)風(fēng)量差值控制方案示于圖13左側(cè)。送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量控制大致可分解成兩個層次:由補(bǔ)風(fēng)量差值計算給定器3(SP-201)和風(fēng)量顯示控制器4(FIC-201)構(gòu)成的單一房間層次的控制與由風(fēng)量疊加計算給定器5(DI-203)和總風(fēng)量顯示控制器6(FIC-203)構(gòu)成的整個系統(tǒng)層次的控制。將來自室內(nèi)總排風(fēng)量的數(shù)據(jù)信號(圖12中DI-102的一路輸出信號)輸入補(bǔ)風(fēng)量差值計算給定器3(SP-201),后者可將其乘以0.9(或0.95)所得結(jié)果作為室內(nèi)送風(fēng)量給定值,輸入風(fēng)量顯示控制器4,控制變風(fēng)量閥1的開度,這是房間層次的控制。至于整個送風(fēng)系統(tǒng)層次的控制,則是由來自各房間送風(fēng)支管上變風(fēng)量閥1和2的風(fēng)量數(shù)據(jù)信號輸入風(fēng)量疊加計算給定器5(DI-203)開始,通過總風(fēng)量顯示控制器6(FIC-204)對送風(fēng)機(jī)7的轉(zhuǎn)速實施控制完成。
方案B壓差控制方案比較簡單,由安裝于室內(nèi)的壓差傳感器8感測室內(nèi)側(cè)壓力與室外側(cè)(走廊)壓力之間的實時壓差信號,輸入壓差顯示控制器9(PIC-201),與預(yù)先確定的壓差給定值進(jìn)行比較,控制器9根據(jù)偏差信號的大小,調(diào)節(jié)變風(fēng)量閥的開度。同時,來自變風(fēng)量閥1的送風(fēng)量信號傳輸給風(fēng)量疊加計算給定器5(DI-203),參與對整個系統(tǒng)總送風(fēng)量的控制。
室內(nèi)環(huán)境空氣參數(shù)的控制也有兩種手段:一種是常規(guī)的空氣處理過程中的參數(shù)控制,另一種是對送風(fēng)量的控制。前者實施比較簡便、節(jié)能;后者實施起來勢必又會反過來波及并牽動室內(nèi)負(fù)壓,以至排風(fēng)量的控制。顯然,在既要滿足負(fù)壓控制要求,又要滿足室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)要求的情況下,便不得不額外加大送風(fēng)量和排風(fēng)量,導(dǎo)致運行能耗增大,所以,筆者認(rèn)為,后一種手段不值得推廣應(yīng)用。
4?研發(fā)中心實驗室通風(fēng)空調(diào)工程設(shè)計及其完工驗收面臨的評價和審查
我國各級地方政府下屬的相應(yīng)職能監(jiān)督機(jī)構(gòu),比如各級疾病預(yù)防控制中心、衛(wèi)生監(jiān)督所、勞動安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)等,受權(quán)對研發(fā)中心實驗室通風(fēng)、空調(diào)工程的各個階段實施監(jiān)督和審查。這類監(jiān)督和審查隨著實施過程的進(jìn)展越來越嚴(yán)格和規(guī)范化?,F(xiàn)在可以確定的是,除了工程設(shè)計前期針對室外環(huán)境的環(huán)境影響評價之外,對于室內(nèi)環(huán)境至少得通過兩步評估和審查:
初步設(shè)計階段的預(yù)評估審查和完工后的效果實測驗收審查。僅就這一制度實施以來筆者所經(jīng)歷的情況而言,碰到的問題不少。這些問題大致有:
1)新老系統(tǒng)不同設(shè)計理念的質(zhì)疑。
①在一個排風(fēng)系統(tǒng)中連接排風(fēng)柜數(shù)量超過4臺有違常規(guī),難以正常、可靠、有效地運行。
②把作為全室通風(fēng)的排風(fēng)與作為局部通風(fēng)的排風(fēng)柜排風(fēng)合并接入同一系統(tǒng),難以認(rèn)可。
③偌大一個排風(fēng)系統(tǒng)連接的支風(fēng)管多多,能否防止氣流的倒灌?
④由于對作為新技術(shù)應(yīng)用之關(guān)鍵性裝置———壓力無關(guān)型文丘里變風(fēng)量閥的構(gòu)造、工作原理、性能的不了解,產(chǎn)生各種疑慮,導(dǎo)致對新型系統(tǒng)運行可靠性和安全性的懷疑。
上述4個方面的問題是初始階段最常受到評審專家們質(zhì)疑的話題。不過,
通過對新老系統(tǒng)不同設(shè)計理念的解說,評審專家們最終能接受新的思維和技術(shù)理念。
2)某公司實驗中心的建設(shè)和通風(fēng)工程設(shè)計,考慮到生產(chǎn)工藝未來可能的多變,借鑒其國外已有的成功先例,采用模塊化的手法,在每一單元模塊承重頂板上預(yù)留若干標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管孔,用以適應(yīng)日后設(shè)備位置的可能變動。對于這種本來屬于增進(jìn)工藝靈活性的新的設(shè)計思想,基于它對室內(nèi)環(huán)境控制并無實質(zhì)性影響,不但不應(yīng)遭到質(zhì)疑,反而應(yīng)該得到肯定和支持。
3)某公司實驗中心的建設(shè)方和設(shè)計方,為了追求建筑立面的美觀,整個外墻自上而下全部采用玻璃幕墻。鑒于新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量很大,只能利用建筑物周邊頂部的幕墻留出條縫作為新風(fēng)口,并通過適當(dāng)?shù)膰?,?gòu)成寬廣的新風(fēng)通道,與安裝于屋面的新風(fēng)機(jī)房相連通。對于這樣的做法和安排,質(zhì)疑之聲不斷。理由是在衛(wèi)生部和地方衛(wèi)生部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中確有條文明確要求:“空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)應(yīng)直接取自室外”,而不是靠機(jī)房的負(fù)壓吸入。其實,該條文的目的只是在于限制當(dāng)新風(fēng)機(jī)房周邊有其他房間,在新風(fēng)機(jī)房負(fù)壓作用下,有可能吸入非室外空氣的情況。然而,在該工程情況下,一方面由于進(jìn)風(fēng)量很大,利用風(fēng)管集風(fēng),幾無可能;另一方面,新風(fēng)機(jī)房周邊并無別的房間連通,新風(fēng)機(jī)房吸入的只是室外空氣。情況解釋清楚之余,質(zhì)疑之聲也就戛然而止。
4)某工程的建設(shè)單位和設(shè)計單位提供的設(shè)計方案,對實驗室空調(diào)提出采用風(fēng)機(jī)盤管方式,這一設(shè)計方案終不為評審專家們所認(rèn)可。理由是,風(fēng)機(jī)盤管自身賴以工作的空氣循環(huán)處理方式,有違實驗室空調(diào)系統(tǒng)關(guān)于回風(fēng)利用問題的基本原則。
5)某公司的設(shè)計團(tuán)隊在其實驗中心通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計方案中提出了一種新的方法。主要思想有兩點:
一是辦公區(qū)的空調(diào)采用直流式的全空氣系統(tǒng);二是除衛(wèi)生間的排風(fēng)直接排出外,辦公區(qū)的全部排風(fēng)作為實驗區(qū)空調(diào)的進(jìn)風(fēng)。應(yīng)該說,這一設(shè)計思想體現(xiàn)了對節(jié)能減排的追求,可是要想得到公共衛(wèi)生專家們的認(rèn)可,不費一番口舌,也是難以通過的。不過,以筆者觀點看,只要辦公區(qū)能夠嚴(yán)格執(zhí)行控?zé)熤贫?,增大新風(fēng)換氣次數(shù)后的排風(fēng)空氣質(zhì)量滿足實驗區(qū)的空調(diào)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),是不會有問題的。這種空氣的梯級利用,是值得充分肯定的。這種做法的實際效果還可在工程實施后,通過實測予以驗證。
6)比較常見和頻發(fā)的問題是對實驗中心的通風(fēng)排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的不當(dāng)處理和安排。相應(yīng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中對兩者的最小水平安裝距離和垂直安裝距離都有明確和嚴(yán)格規(guī)定。但是,建設(shè)單位往往考慮建筑物的美觀,不希望把排風(fēng)管做得足夠高,以致污染氣流得不到有效擴(kuò)散。在這種情況下,采用提高出口風(fēng)壓,加大氣流射流高程的辦法,盡管可以使問題得到部分改善或緩解,但重要的是還需通過氣流擴(kuò)散模擬計算加以論證,并在工程竣工投產(chǎn)后,對氣流擴(kuò)散效果進(jìn)行實測驗證。
7)筆者對某公司已建成實驗大樓建設(shè)現(xiàn)場進(jìn)行的實地考察發(fā)現(xiàn),該實驗大樓4層屋面上布滿了新風(fēng)空氣處理機(jī)組和排風(fēng)凈化處理機(jī)組以及各種管道。盡管新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口和廢氣排風(fēng)口分別位于建筑物寬度方向的兩側(cè),水平距離可達(dá)25m以上,而且兩者風(fēng)口朝向相反,但是,其排風(fēng)口高度很低,甚至低于僅靠著的女兒墻高度。這顯然存在兩個問題,一是排風(fēng)氣流受到女兒墻的阻擋,嚴(yán)重影響污染氣流的擴(kuò)散;二是排風(fēng)口高度和新風(fēng)口與排風(fēng)口的垂直距離不符合規(guī)范要求。雖然實驗室周圍看不到高高矗立的排氣筒,大樓美觀的立面得以保全,但是,污染氣流擴(kuò)散不良,導(dǎo)致周邊環(huán)境污染和新風(fēng)進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量的降低,這樣的代價是不容許的。
5?結(jié)語
現(xiàn)代化、智能化的研發(fā)中心實驗室可說是完全建立在先進(jìn)的變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上的。而變風(fēng)量通風(fēng)與空調(diào)技術(shù)卻絲毫離不開自動控制手段的保障。筆者在文中就此方面的詮釋,也僅僅是基于和限于個人對所涉問題的理解,特別是對自動控制原理的圖示,重點在于對控制邏輯的表達(dá),力求通俗、簡約、直觀,讓通風(fēng)空調(diào)設(shè)計者和工程審查者易于接受。