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化学实验室通风节能改造案例分析(上)

作者: 发布日期: 2019-12-13 11:26:00
信息摘要:
化学实验室在使用过程中会产生有害(刺激性、传染性、有毒等)气态污染物,处理不当会造成人员身体损害和影响实验室周边环境。因此要求实验室中全新风…
化学实验室在使用过程中会产生有害(刺激性、传染性、有毒等)气态污染物,处理不当会造成人员身体损害和影响实验室周边环境。因此要求实验室中全新风运行、高换气次数、房间内有空气压差(一般是负压)等。因此,化学实验室通风的设计、运行和维护要求较高,且通风和空调能耗也远大于一般建筑。
本项目对某化学实验室的通风系统行进了改造,不但有效的改变了原有的室内刺激性气体弥漫、温度舒适性差等不良状况,而且大幅降低了通风能耗。
一、项目概况
该实验室为某知名第三方检测检验公司,主要进行样品的化学前处理。实验室面积为23.7 m2, 共有2台通风柜,2台排风罩,1台1.5kW排风机和1台0.75kW送风机,1台3.2 kW的挂壁分体空调。实验室的通风按PLC控制方式设计,但实际按定风量(CAV)方式使用。根据全部实验室的年耗电量和总面积,可以估算出该实验室年耗电量约为7600 kWh。

二、通风系统存在的问题

该实验室的理论排风和送风量分别为4000m2/h和2800 m2/h;实际测得的排风和送风量分别为3747 m2/h和448 m2/h,换气次数为53次/h,房间压差为-13Pa。经过观察和测试,该实验室的通风系统在设计、运行方面存在着如下问题: 
1、排风量接近设计值,但送风量严重低于设计值,导致补风量过大,导致房间负压过大,大于要求负5—负10 Pa,出现室内吹风感强、门窗缝隙出现啸叫、开门困难、雨水通过外窗缝隙被吸入室内而形成污染的现象。
2、通风系统采用PLC控制设计,即风量根据通风柜的使用数量手动进行有级调节,但实验人员嫌操作麻烦,经常不关闭空闲通风柜的调节门,也不手动进行风量调节,导致通风柜的操作面风速变化很大,在通风柜调节门开度均为100%时风速为0.3m/s—0.5 m/s比较合理。风速过高容易导致气流紊乱,部分有害气体被乱流带出通风柜进入实验室内部,房间刺激性气味弥漫。
3、由于换气次数较多,排风量很大且实验过程有热量产生,现有空调不能满足室内的制冷采暖要求,导致室内温度过高或过低(夏季经常在30度以上,而冬季则接近外界空气温度),达不到舒适性要求。

4、排风量过大使得通风和空调能耗过大,造成电量的浪费。经计算,该实验室单位面积年电耗为321 kWh/m2。

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三、化学实验室通风要求

对于实验通风设计和运行而言,有以下要求:
1、气流控制良好。良好的气流控制是决定化学实验室通风系统好坏最重要的因素,而实验室通风效果的好坏直接代表了实验室的建设水平。能够安全稳定地对实验室进行排风,使室内气流洁净,从而保障实验人员的安全。具体而言,室内清洁气流应呈稳定恒向层流状态,先流经人体,再流经污染源,最后排出实验室。同时,一般情况下,还应保持一定的房间负压,以保证实验室的气流方向始终由周边区域进入实验室,而不会导致交叉污染。
2、系统反应快、控制精度高。反应速度是实验室气流控制最重要的因素之一,反应速度过慢,往往会导致通风柜内气体外溢或者室内在某些时间内产生正压。控制精度会直接影响控制效果的好坏,控制精度低会使得气流组织出现较大波动。两者达不到要求,均可能导致安全事故。
3、运行维护简单。要保证实验室控制系统的稳定,控制系统的设计和运行必须自动化程度高,简单可靠,以降低实验室操作人员操作和维护人员的维护强度及费用。
4、节能。化学实验室由于有安全性要求,通常采用全新风,换气次数通常为6次/h—10次/h,甚至更高。根据实验室的性质要求,如本实验室产生的有害气体为盐酸、硝酸等,换气次数为62.5次/h;同时为保证实验室正常安全运行,通风系统通常24h连续运行,能耗巨大。因此,必须在保障安全的前提下,尽量降低能耗。
四、改造方案的选择
实验室的气流控制由1960年以来,由最初的定风量(CAV),依次发展为双稳态(TS)、变风量(VAV),直自适应控制(UBC)系统,通风的安全性、节能性以及系统控制的稳定性都得到了全面的提升。
1、CAV控制:无论通风柜调节门开度如何,风机始终按最大风量运行。其特点是控制最简单,但抗外扰能力差(面风速随调节门开度变化),安全性能差,能耗高。
2、TS控制:只有高风量与低风量两种定风量状态。实验室有人(白天)时高风量运行,无人(晚上)时低风量运行。可在一定程度上降低能耗,但抗外扰能力仍较差,而且工况转换时室压波动大。
3、VAV控制:根据实验室内通风柜开度的变化无级调节送、排风量,从而保证始终可精确控制通风柜面风速为合理值。系统自动化程度较高、安全性高、适应性强,可在充分保障安全的前提下降低能耗,但是对阀门的控制精度和反应速度的要求高。PLC控制也属于变风量控制的一种简化方式(风量为有级变化,且面风速不能保持在稳定值)。
4、UBC控制:在VAV控制的基础上,根据检测通风柜前的局部范围内是否有人而设定不同的面风速。有人时保持面风速恒定为最大合理值(0.5m/s),以此保障操作者的安全;无人时则将面风速降低最小合理值(0.3m/s)。可再次大幅降低能耗,尤其是在实验人员进行通风柜操作不规范时。
根据以上分析可知, VAV和UBC方式自动化程度最高,对操作人员的要求最低,舒适度最好,也最节能。同时,考虑到本实验室人员操作不太规范,选择使用VAV+UBC方式进行改造。
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