一種節能通風凈化系統設計

李俊良 陳俊杰

一種節能通風凈化系統設計

李俊良1陳俊杰2

（1.廣東省計量科學研究院 2.綠康環境技術發展（廣東）有限公司）

針對容易產生高濃度有毒有害氣體的實驗室空氣凈化處理問題，設計一種節能通風凈化系統，提出在空氣凈化過程中實現節能減排的硬件組建和控制原理。由于不同工作狀態，不同區域產生的有毒有害氣體濃度不同，根據實驗室各區域的工作狀態和污染氣體濃度，實時調節各區域的送風量、空氣凈化處理模塊功率、排風量和排風過程有害氣體的處理強度等，低耗高效地凈化室內有害氣體，使凈化指標達標的同時，減少實驗室能源消耗。

節能減排；空氣凈化；中央空調；分區控制

0 引言

隨著我國社會經濟的發展和醫療水平的提升，醫院越來越重視醫療人員的工作環境，通風空調系統得到廣泛應用[1]。通風空調系統的運行能耗較大，尤其采用全新風工作模式時，通風空調的設計額定功率約占整個實驗室電氣設計總功率的70%[2]。控制此類場所的空氣污染值和降低通風空調的能耗，是目前急需解決的問題[3]。

在通風空調凈化行業，常規的節能方式是通過增強室內循環或變頻技術，加上過濾網來凈化排風。但醫院某些實驗室易產生含有病毒、細菌或其他有毒有害成分的污染氣體，為避免室內發生二次污染，室內的冷（暖）氣不允許內循環，只能選擇全新風工作模式（全送、全排）[4-5]。這種模式會將室內大量的冷（暖）氣排到室外，使空調運行能耗大幅度增加；同時室內有毒有害氣體未經有效處理就排到室外，極易造成室外周邊環境的污染。為此，本文設計一套節能通風凈化系統。該系統采用變頻+通風設備變風量控制技術，加入空氣凈化模塊與廢氣處理模塊，有效引導廢氣流向，防止有毒有害氣體在室內擴散污染，降低通風空調的工作耗能、減少有毒有害氣體外排到大氣中。

1 系統概述

節能通風凈化系統將一個較大的實驗室分為若干個獨立控制的小區域；通過各區域內的氣體檢測儀確定其污染程度；計算該區域合適的換氣次數，自動調整送排風風量和凈化強度。在確保室內凈化達標的基礎上，降低總風機工作頻率，減少室內冷（暖）氣損耗，同時對外排前的有毒有害廢氣進行過濾、分解等凈化處理，有效降低系統運行耗能和實驗廢氣對大氣的污染。節能通風凈化系統控制結構圖如圖1所示。

圖1 節能通風凈化系統控制結構圖

2 系統組成

節能通風凈化系統由5部分組成，包括中央集成控制系統、氣體監測單元、變風量調節模塊、通風離子凈化模塊和智能廢氣處理模塊。

2.1 中央集成控制系統

中央集成控制系統是整個系統的控制單元，用于監視和控制整個系統的運行，并可將系統的運行數據上傳到云端，用戶可通過手機APP監控系統的運行數據。氣體監測單元將監測到的數據反饋回中央集成控制系統，系統迅速計算各獨立區域的空氣質量與污染等級，進而調節各執行模塊的工作強度，使室內空氣凈化、廢氣達標的同時，降低風機、空調和凈化設備的運行功率。

2.2 氣體監測單元

氣體監測單元將實時監測的各有害氣體的濃度反饋給控制單元，使系統根據實時數據及時調整其他模塊的工作強度。根據各區域的污染源選擇專用的氣體監測儀和風速檢測儀，并在總管道上加裝揮發性有機化合物（volatile organic compounds, VOC）檢測儀，系統才能精確計算需要處理的污染氣體濃度及各區域需要的換氣次數，確保系統運行效果。

2.3 變風量調節模塊

變風量調節模塊包括室內通風設備，比例積分閥等。室內通風設備根據自身的工作狀態自動調節本設備的排風比例閥，使其進風截面的風速保持在設定的范圍內。比例積分閥調節室內的排風量和送風量，讓室內整體的送風量保持在排風量的70%左右，室內形成明顯的負壓和風向導流，防止有害氣體在室內擴散污染。

2.4 通風離子凈化模塊

通風離子凈化模塊是系統的重要執行單元，包括送排風機、變頻器和離子發生裝置等。送排風機采用變頻啟動，避免啟動時產生沖擊電流引起電網不穩定，同時有效保護電機、延長電機的使用壽命。變頻器對風機可進行無極調速，精準調節系統的送排風量。離子發生裝置產生大量的正負離子，凈化室內的空氣。

2.5 智能廢氣處理模塊

智能廢氣處理模塊采用被動過濾與主動殺菌技術相結合的方法，同時采用光化學和高壓脈沖電暈放電的等離子體凈化空氣技術，具備過濾模塊、光電離模塊、高能離子模塊及傳感與控制一體的閉環控制系統，能有效去除廢氣中的細菌、病毒、真菌、霉菌和霉毒等，同時清除廢氣中的有害化學氣體和有害微生物等，從而達到綠色實驗室廢氣排放標準。

3 系統控制

3.1 硬件設計

3.1.1 整體布局

節能通風凈化系統主要單元布局如圖2所示。在系統總送風段安裝新風多效凈化裝置，每個獨立區域的送排風管道上安裝比例風閥和風速檢測儀，在總排風管上安裝VOC檢測儀、末端安裝多效有害氣體處理裝置。

圖2 節能通風凈化系統主要單元布局圖

將污染源隔離和風向合理導流，是室內空氣凈化的一個重要環節。區域內的主要污染源（實驗試劑或設備）放置在通風設備內，通過風向導流將有害氣體直接導進排風管道，避免在室內擴散；室內有害氣體排到室外前先經過多效有害氣體處理裝置凈化處理，達標后再進行排放。

3.1.2 控制電路設計與硬件選型

風量控制電路圖如圖3所示，由斷路器QF、變頻器、控制器PLC、氣體檢測儀、風速檢測儀、通風設備和比例積分閥等組成。PLC作為控制單元，采集氣體監測單元信號，并實時監控該區域通風設備的運行情況，計算各分區所需風量，調整各分區的比例風閥和送排風機頻率，進而調整各區域的通風量。控制器PLC與各模塊通過RS-485接口連接，通過Modbus RTU協議進行通訊，控制單元實時監控各模塊的工作情況，并根據系統狀態實時調整各模塊的工作強度。

圖3 風量控制電路圖

風機和空調是整個系統的重要執行單元，選型十分重要。系統運行過程中，送排風量會實時發生變化，為達到更節能和更有效的空氣凈化效果，送排風量的調節范圍會較大，所以需要選擇變頻風機。常規的直膨式空調對風量要求比較高，風量調節的范圍小，故選擇冷凍水空調或變頻空調。

3.2 控制設計

節能通風凈化系統將實驗室分成多個區域進行控制，每個區域的工作時間和使用頻率皆不相同。根據氣體監測單元采集的模擬量信號和各通風設備的工作狀態，計算各獨立分區所需風量和系統總風量。當總風量在一定范圍內，分區通風量與該區域風閥打開比例有粗略的比例關系，每個風閥調節時，其他區域的風量都會受影響。比例閥調節較大時，總風管風阻、風量也有變化。因此，比例閥調節是整個系統控制的難點。

3.2.1 風量粗調

當各區域通風設備的工作狀態或有害氣體濃度發生變化時，該區域所需的通風量也跟著變化。當通風量變化較大時，PLC通過DA模塊迅速調節風機頻率，改變整體送排風風速，同時按一定比例調大各分區的風閥角度，使送排風量迅速滿足各區域需要。

圖4 分區風量粗調原理圖

3.2.2 風量精調

各分區的風速檢測儀將采集到的信號反饋給PLC，PLC計算各區域的實際風量，并以計算的風量為設定值，通過閉環控制，對分區風閥比例進行精調。精調時，因為風管中的風速有波動，宜取2 s內的平均速度來計算實際風量。控制輸出時間根據風閥與風速檢測儀的距離適當調整（10 s左右）。風閥每次調整的幅度不宜過大，當各區域風量差值在允許誤差范圍內時，系統分區風量精調步驟初步完成。

精調初步完成后，系統根據每個風閥的開度情況，適度降低送排風風機頻率，再進行風閥精調。變頻器頻率調節的幅度取決于各分區風閥的開度情況及最大的打開比例，且變頻器每次調節的幅度不大于5 Hz。經3~5次調節后，有部分分區風閥完全打開，各分區實際通風量穩定且接近計算風量，系統風量精調完成。

3.2.3 凈化強度調節

中央集成控制系統根據室內的污染情況和實際運行的風量，計算通風離子凈化模塊和智能廢氣處理模塊需要的工作強度，并通過Modbus RTU通訊協議將數據下發給這2個模塊，使其自動調節凈化強度，保證室內空氣及外排廢氣的空氣質量達標。

3.3 應用案例

為方便計算，假設噴嘴處的空氣濕度為55%，設定室內的溫度為25℃，室內氣壓為0.1 Mpa，式(1)可簡化為

其中1.2為空氣比容的倒數即空氣密度。

空調的能效比為

以某醫院病理科PCR實驗室為例進行系統驗證。該實驗室共有4個區域：試劑準備室、樣品準備室、擴增檢測室和產物分析室，實驗人員從左往右依次做準備、實驗，各房間使用基本不交叉。原空氣凈化系統設計為全新風的常規系統，空調主要參數：額定輸入功率= 15.7 kW，額定冷量= 51.0 kW，計算得出能效比= 2.74，焓差為40（J/kg）。

若將該系統設計改為分區控制的節能通風凈化系統，正常實驗時該區域換氣次數為15次以上，其他區域以值機模式或最小換氣次數運行。該節能通風凈化系統用電量與原系統的耗電量對比如表1所示。

表1 控制系統空調耗電量對比表

續表

由表1數據可知，這個面積為150 m2的實驗室應用節能通風凈化系統的分區控制技術，可將實際運行風量從原來的4500 m3降到2500 m3，需要冷能直接減少17 kW，一年的用電量可少2.1萬度。

4 結語

本文針對易產生高濃度有毒有害氣體實驗室的空氣凈化問題，設計了一種節能通風凈化系統。該系統根據實驗室布局劃分若干獨立控制區域，通過各區域內的氣體檢測儀確定污染程度，反饋給中央集成控制系統，并對送排風量、凈化強度及廢氣處理進行調節。研究結果表明：根據房間功能及其污染程度，合理劃分控制區域，實現分區域控制的節能通風凈化系統，在保證實驗室凈化需求的同時可以有效減少能源消耗。實際運用中每年可節約用電21000 kWh，理論節約用電費用2.52萬元。本研究設計的節能通風凈化系統可以高效低耗地凈化室內有害氣體，為通風空調凈化行業提供了一種新的節能凈化減排方法。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50346—2011 生物安全實驗室建筑技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB 50019—2015 工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2016.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 35972—2018 供暖與空調系統節能調試方法[S].北京:中國標準出版社,2018.

[4] 黃家聲,譚錦春.實驗室設計與建設指南[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[5] 王賀禮,熊繼海,嚴玉平.節能減排與清潔發展機制[J].江西能源,2007(3):18-20.

Design of an Energy-Saving Ventilation and Purification System

Li Junliang1Chen Junjie2

(1.South China National Centre of Metrology 2. Lvkang Environmental Technology Development (Guangdong) Co., Ltd.)

Aiming at the problem of laboratory air purification which is prone to produce high concentration toxic and harmful gases, an energy-saving ventilation and purification system is designed, and the hardware construction and control principle of energy-saving and emission reduction in the process of air purification are put forward. Under different working conditions, the concentration of toxic and harmful gases produced in different areas is different. According to the working conditions and the concentration of polluted gases in different areas of the laboratory, the air supply volume, the power of the air purification treatment module, the exhaust volume and the intensity of the treatment of harmful gases in the exhaust process can be adjusted in real time, so that the indoor harmful gases can be purified with low consumption and high efficiency, and the purification indicators meet the standard while reducing laboratory energy consumption.

Energy Saving and Emission Reduction; Air Purification; Central Air Conditioning; Zoned Control

李俊良，男，1976年生，軟件工程碩士，高級工程師，主要研究方向：自動化控制、信息化系統、軟件測試。E-mail：17532640@qq.com

陳俊杰，男，1991年生，大專，主要研究方向：通風空氣凈化、自動化控制、軟件設計。