淺析實驗室通風與空調控制系統設計

李向群 楊國忠

摘 要：實驗室通風與空調系統是整個實驗室設計和建設過程中，規模最大、影響最廣泛的系統之一，其控制系統更是保證系統良好運行的重要手段。基于此，通過介紹實驗室空調及通風控制系統設計，能為提升實驗室建設提供幫助。

關鍵詞：實驗室；空調；控制；設計

0 引言

實驗室是科學研究的核心場所，它為研究人員提供了進行實驗、觀察和測試的環境，是技術發展和創新的重要基石。

實驗室建設是一個國家或者一個組織發展的標志之一，不僅有助于提高科技創新能力，培養人才，還可以促進經濟發展、提高國際競爭力，只有不斷地提高實驗室的建設水平，才能進一步促進各個領域科技的進步發展。

實驗室空調及通風控制系統是實驗室建設的重要組成部分，通過科學應用空調及通風控制系統，可進一步提供安全、舒適的科研工作實驗環境，使科研人員具有良好的操作條件，保障科研人員的身體健康，降低空調能耗等作用。

1 系統組成

實驗室內的設備通常需要精確的溫度、濕度、壓差控制，以保持其正常運行。實驗室空調及通風控制系統，可以根據實驗室內的溫度、濕度和壓力梯度以及設備需求，自動調節實驗室內的空調溫度、濕度和壓力梯度。根據實驗的時間安排自動控制空調的開關。

實驗室空調及通風控制系統主要由空調系統、排風系統、房間控制系統、通風柜VAV排風系統、中央監控系統等幾部分組成。本文主要對各部分控制系統的原理、控制方法進行分類描述。

2 空調系統

空調控制系統主要包括控制器、送風機、表冷及熱水盤管、溫濕度、壓差、壓力傳感器等組成，其具體控制要求如圖1所示。

空調系統通過設在實驗室門口7寸觸控屏上監控空調機組狀態并設定參數，開關啟停機組，實現空調機組送風溫度濕度、送風機頻率、冷熱水閥、新風閥門等的控制，實現新風溫濕度、送風壓力、初/中效過濾壓差、送風機壓差等的監測。

溫濕度控制分為夏季模式和冬季模式。夏季模式是根據送風管上溫濕度傳感器檢測溫度與設定值比較，調節盤管段回水管上的電動閥開度，控制冷水流量，使溫度達到設定值。夏季濕度優先控制，通表冷降溫除濕，通過熱水加熱閥調節溫度。冬季模式是根據溫濕度傳感器檢測溫度與設定值比較，調節加熱閥開度，控制熱水流量，使溫度達到設定值，根據溫濕度傳感器檢測濕度與設定值比較，調節加濕器加濕量，使濕度達到設定值。

控制系統實時監測表冷冷水流，實時監測室外新風溫度，自動判斷運行季節。監測送風機兩端壓差，以壓差開關信號作為風機故障報警。監測過濾器兩端壓差，以壓差開關信號作為過濾器堵塞報警。送風機采用變頻控制，根據總管靜壓檢測壓力與設定值比較，調節送風機變頻頻率，使送風壓力達到設定值。與房間控制柜通訊，通過房間監控屏可啟停機組，可設定溫濕度值。控制器配置MODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機，可通過上位機進行控制。

3 排風系統

排風控制系統主要包括控制器、排風機、壓差、壓力傳感器等組成，其具體控制要求如圖2所示。

實驗室門口7寸觸控屏上監控排風機組狀態并設定參數，通風柜啟動聯動排風機開機，實現排風機組風機頻率、排風閥門等的控制，實現排風壓力、活性炭過濾器壓差、排風機壓差等的監測。

監測排風機兩端壓差，以壓差開關信號作為風機故障報警，監測活性炭過濾器兩端壓差，以壓差開關信號作為過濾器堵塞報警。

排風變頻控制，根據總管靜壓檢測壓力與設定值比較，調節排風機變頻頻率，使排風壓力達到設定值。控制器配置MODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機，可通過上位機進行控制。

4 房間控制系統

房間控制系統主要包括房間控制器、房間控制屏、溫濕度傳感器、壓差傳感器、送排風變風量閥、通風柜等設備組成，對房間內的溫濕度值、壓差值、房間使用狀態、通風柜運行狀態、溫濕度設定值、送風量、排風量等環境參數進行監控，其具體控制要求如圖3所示。

實驗室每間組成一個獨立控制區域，配置獨立的控制單元及房間監控屏，通過入口的房間監控屏，啟動空調系統與區域送風系統，通過房間監控屏設置空調系統的溫濕度值，可監測房間實時溫濕度及壓差。

實驗室采用余風量控制方式，采集所有排風文丘里閥的實時風量，控制補風文丘里閥的送風量，補風量=房間排風量+通風柜排風量+....-余風量。通風柜配置變風量文丘里的房間，送風配置變風量文丘里閥。

房間最小換氣控制，房間排風文丘里閥始終維持房間最小換氣風量，當房間總排風量大于最小換氣風量時，根據風量關小房間排風文丘里閥風量。房間總排風量=房間排風量+通風柜1排風量+.....通風柜N排風量。

房間緊急排風控制，通過觸摸屏上的緊急排風鍵，切換成房間緊急模式，所有排風閥全開。

聯動機制為：通風柜啟動→聯動排風機開啟→新風機開啟。當所有通風柜關閉后，排風機才允許關閉。通風柜未啟用時，手動開啟送排風系統，通過房間控制屏開關機。

房間控制器配置MODBUS TCP通訊接口，接入樓層交換機，可通過上位機進行監控。

5 通風柜VAV排風系統

通風柜控制系統主要包括通風柜系統控制器、門高傳感器、變風量文丘里閥、通風柜5寸監控觸摸屏等設備組成[1]，其具體控制要求如圖4所示。

通風柜面風速控制系統根據門高傳感器的測量值和設定面風速值，計算出當前通風柜所需要的排風量值，從而控制文丘里閥的風量在1 s內滿足通風柜排風量需求。根據文丘里閥自帶微壓差傳感器，監測壓差是否在文丘里閥工作范圍內（150～750 Pa）。當風壓低于150 Pa，或高于750 Pa時，系統報警提示。通風柜門位過高時有聲音報警。當出現異常情況時，開啟緊急排放模式控制系統將文丘里閥開最大排風量，不受面風速值的控制。配置MODBUS標準接口，與自控系統對接。

通風柜5寸監控觸摸屏采用彩色觸摸屏，可顯示實時面風速、門高、運行模式、運行狀態、排風量等參數。通過觸摸屏可設置面風速，開關通風柜照明燈、操作系統一鍵啟停，具有緊急排風功能，緊急排風時，風閥最大排風量排風，門高超限報警、風速過低報警、低壓報警等功能。

6 中央監控系統

實驗室中央監控系統利用計算機技術、控制技術和網絡通信技術[2]，設計一個監控管理系統的模型，通過對該模型各模塊的設計，實現在無管理員狀態下對實驗室設備使用進行監控記錄，管理員通過這個系統來實現對通風設備的監控與管理。建成網絡化、智能化的實驗室管理平臺，實現設備的遠程監控管理。

實驗室中央監控系統，通過電腦（PC）與各系統控制器聯機來獲取通風設備的運行參數，實時監控管理通風設備的運行狀態，自動顯示及報警。在控制電腦上實時記錄設備運行數據 （詳細記錄各通風柜面風速、房間壓力、溫度、濕度及補風量、各系統總補風量及排風量，各系統運行頻率，設備故障情況等），并自動記錄存檔隨時可以生成各種生產日報表、周報表、月報表等，自動轉換成標準數據庫格式，供其他用戶聯網共享使用，并提供接口與其他系統聯機。

7 結束語

實驗室空調及通風控制系統通過介紹各子系統的設計，滿足整個實驗室的房間壓力、各房間壓差、通風量、溫濕度和各方面的安全控制要求，同時降低能耗，為實驗室工作人員提供最安全舒適的實驗室環境。

參考文獻

[1] 趙俠.實驗室通風柜系統設計應用[J].潔凈與空調技術，2012 （1）：62-65.

[2] T/ASC19-2021.智慧建筑設計標準[S].

收稿日期：2023-10-23

作者簡介：李向群（1979—），男，浙江杭州人，碩士，高級工程師，研究方向：建筑智能化。