一种节能通风净化系统设计

李俊良 陈俊杰

一种节能通风净化系统设计

李俊良1陈俊杰2

（1.广东省计量科学研究院 2.绿康环境技术发展（广东）有限公司）

针对容易产生高浓度有毒有害气体的实验室空气净化处理问题，设计一种节能通风净化系统，提出在空气净化过程中实现节能减排的硬件组建和控制原理。由于不同工作状态，不同区域产生的有毒有害气体浓度不同，根据实验室各区域的工作状态和污染气体浓度，实时调节各区域的送风量、空气净化处理模块功率、排风量和排风过程有害气体的处理强度等，低耗高效地净化室内有害气体，使净化指标达标的同时，减少实验室能源消耗。

节能减排；空气净化；中央空调；分区控制

0 引言

随着我国社会经济的发展和医疗水平的提升，医院越来越重视医疗人员的工作环境，通风空调系统得到广泛应用[1]。通风空调系统的运行能耗较大，尤其采用全新风工作模式时，通风空调的设计额定功率约占整个实验室电气设计总功率的70%[2]。控制此类场所的空气污染值和降低通风空调的能耗，是目前急需解决的问题[3]。

在通风空调净化行业，常规的节能方式是通过增强室内循环或变频技术，加上过滤网来净化排风。但医院某些实验室易产生含有病毒、细菌或其他有毒有害成分的污染气体，为避免室内发生二次污染，室内的冷（暖）气不允许内循环，只能选择全新风工作模式（全送、全排）[4-5]。这种模式会将室内大量的冷（暖）气排到室外，使空调运行能耗大幅度增加；同时室内有毒有害气体未经有效处理就排到室外，极易造成室外周边环境的污染。为此，本文设计一套节能通风净化系统。该系统采用变频+通风设备变风量控制技术，加入空气净化模块与废气处理模块，有效引导废气流向，防止有毒有害气体在室内扩散污染，降低通风空调的工作耗能、减少有毒有害气体外排到大气中。

1 系统概述

节能通风净化系统将一个较大的实验室分为若干个独立控制的小区域；通过各区域内的气体检测仪确定其污染程度；计算该区域合适的换气次数，自动调整送排风风量和净化强度。在确保室内净化达标的基础上，降低总风机工作频率，减少室内冷（暖）气损耗，同时对外排前的有毒有害废气进行过滤、分解等净化处理，有效降低系统运行耗能和实验废气对大气的污染。节能通风净化系统控制结构图如图1所示。

图1 节能通风净化系统控制结构图

2 系统组成

节能通风净化系统由5部分组成，包括中央集成控制系统、气体监测单元、变风量调节模块、通风离子净化模块和智能废气处理模块。

2.1 中央集成控制系统

中央集成控制系统是整个系统的控制单元，用于监视和控制整个系统的运行，并可将系统的运行数据上传到云端，用户可通过手机APP监控系统的运行数据。气体监测单元将监测到的数据反馈回中央集成控制系统，系统迅速计算各独立区域的空气质量与污染等级，进而调节各执行模块的工作强度，使室内空气净化、废气达标的同时，降低风机、空调和净化设备的运行功率。

2.2 气体监测单元

气体监测单元将实时监测的各有害气体的浓度反馈给控制单元，使系统根据实时数据及时调整其他模块的工作强度。根据各区域的污染源选择专用的气体监测仪和风速检测仪，并在总管道上加装挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOC）检测仪，系统才能精确计算需要处理的污染气体浓度及各区域需要的换气次数，确保系统运行效果。

2.3 变风量调节模块

变风量调节模块包括室内通风设备，比例积分阀等。室内通风设备根据自身的工作状态自动调节本设备的排风比例阀，使其进风截面的风速保持在设定的范围内。比例积分阀调节室内的排风量和送风量，让室内整体的送风量保持在排风量的70%左右，室内形成明显的负压和风向导流，防止有害气体在室内扩散污染。

2.4 通风离子净化模块

通风离子净化模块是系统的重要执行单元，包括送排风机、变频器和离子发生装置等。送排风机采用变频启动，避免启动时产生冲击电流引起电网不稳定，同时有效保护电机、延长电机的使用寿命。变频器对风机可进行无极调速，精准调节系统的送排风量。离子发生装置产生大量的正负离子，净化室内的空气。

2.5 智能废气处理模块

智能废气处理模块采用被动过滤与主动杀菌技术相结合的方法，同时采用光化学和高压脉冲电晕放电的等离子体净化空气技术，具备过滤模块、光电离模块、高能离子模块及传感与控制一体的闭环控制系统，能有效去除废气中的细菌、病毒、真菌、霉菌和霉毒等，同时清除废气中的有害化学气体和有害微生物等，从而达到绿色实验室废气排放标准。

3 系统控制

3.1 硬件设计

3.1.1 整体布局

节能通风净化系统主要单元布局如图2所示。在系统总送风段安装新风多效净化装置，每个独立区域的送排风管道上安装比例风阀和风速检测仪，在总排风管上安装VOC检测仪、末端安装多效有害气体处理装置。

图2 节能通风净化系统主要单元布局图

将污染源隔离和风向合理导流，是室内空气净化的一个重要环节。区域内的主要污染源（实验试剂或设备）放置在通风设备内，通过风向导流将有害气体直接导进排风管道，避免在室内扩散；室内有害气体排到室外前先经过多效有害气体处理装置净化处理，达标后再进行排放。

3.1.2 控制电路设计与硬件选型

风量控制电路图如图3所示，由断路器QF、变频器、控制器PLC、气体检测仪、风速检测仪、通风设备和比例积分阀等组成。PLC作为控制单元，采集气体监测单元信号，并实时监控该区域通风设备的运行情况，计算各分区所需风量，调整各分区的比例风阀和送排风机频率，进而调整各区域的通风量。控制器PLC与各模块通过RS-485接口连接，通过Modbus RTU协议进行通讯，控制单元实时监控各模块的工作情况，并根据系统状态实时调整各模块的工作强度。

图3 风量控制电路图

风机和空调是整个系统的重要执行单元，选型十分重要。系统运行过程中，送排风量会实时发生变化，为达到更节能和更有效的空气净化效果，送排风量的调节范围会较大，所以需要选择变频风机。常规的直膨式空调对风量要求比较高，风量调节的范围小，故选择冷冻水空调或变频空调。

3.2 控制设计

节能通风净化系统将实验室分成多个区域进行控制，每个区域的工作时间和使用频率皆不相同。根据气体监测单元采集的模拟量信号和各通风设备的工作状态，计算各独立分区所需风量和系统总风量。当总风量在一定范围内，分区通风量与该区域风阀打开比例有粗略的比例关系，每个风阀调节时，其他区域的风量都会受影响。比例阀调节较大时，总风管风阻、风量也有变化。因此，比例阀调节是整个系统控制的难点。

3.2.1 风量粗调

当各区域通风设备的工作状态或有害气体浓度发生变化时，该区域所需的通风量也跟着变化。当通风量变化较大时，PLC通过DA模块迅速调节风机频率，改变整体送排风风速，同时按一定比例调大各分区的风阀角度，使送排风量迅速满足各区域需要。

图4 分区风量粗调原理图

3.2.2 风量精调

各分区的风速检测仪将采集到的信号反馈给PLC，PLC计算各区域的实际风量，并以计算的风量为设定值，通过闭环控制，对分区风阀比例进行精调。精调时，因为风管中的风速有波动，宜取2 s内的平均速度来计算实际风量。控制输出时间根据风阀与风速检测仪的距离适当调整（10 s左右）。风阀每次调整的幅度不宜过大，当各区域风量差值在允许误差范围内时，系统分区风量精调步骤初步完成。

精调初步完成后，系统根据每个风阀的开度情况，适度降低送排风风机频率，再进行风阀精调。变频器频率调节的幅度取决于各分区风阀的开度情况及最大的打开比例，且变频器每次调节的幅度不大于5 Hz。经3~5次调节后，有部分分区风阀完全打开，各分区实际通风量稳定且接近计算风量，系统风量精调完成。

3.2.3 净化强度调节

中央集成控制系统根据室内的污染情况和实际运行的风量，计算通风离子净化模块和智能废气处理模块需要的工作强度，并通过Modbus RTU通讯协议将数据下发给这2个模块，使其自动调节净化强度，保证室内空气及外排废气的空气质量达标。

3.3 应用案例

为方便计算，假设喷嘴处的空气湿度为55%，设定室内的温度为25℃，室内气压为0.1 Mpa，式(1)可简化为

其中1.2为空气比容的倒数即空气密度。

空调的能效比为

以某医院病理科PCR实验室为例进行系统验证。该实验室共有4个区域：试剂准备室、样品准备室、扩增检测室和产物分析室，实验人员从左往右依次做准备、实验，各房间使用基本不交叉。原空气净化系统设计为全新风的常规系统，空调主要参数：额定输入功率= 15.7 kW，额定冷量= 51.0 kW，计算得出能效比= 2.74，焓差为40（J/kg）。

若将该系统设计改为分区控制的节能通风净化系统，正常实验时该区域换气次数为15次以上，其他区域以值机模式或最小换气次数运行。该节能通风净化系统用电量与原系统的耗电量对比如表1所示。

表1 控制系统空调耗电量对比表

续表

由表1数据可知，这个面积为150 m²的实验室应用节能通风净化系统的分区控制技术，可将实际运行风量从原来的4500 m³降到2500 m³，需要冷能直接减少17 kW，一年的用电量可少2.1万度。

4 结语

本文针对易产生高浓度有毒有害气体实验室的空气净化问题，设计了一种节能通风净化系统。该系统根据实验室布局划分若干独立控制区域，通过各区域内的气体检测仪确定污染程度，反馈给中央集成控制系统，并对送排风量、净化强度及废气处理进行调节。研究结果表明：根据房间功能及其污染程度，合理划分控制区域，实现分区域控制的节能通风净化系统，在保证实验室净化需求的同时可以有效减少能源消耗。实际运用中每年可节约用电21000 kWh，理论节约用电费用2.52万元。本研究设计的节能通风净化系统可以高效低耗地净化室内有害气体，为通风空调净化行业提供了一种新的节能净化减排方法。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50346—2011 生物安全实验室建筑技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 50019—2015 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2016.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 35972—2018 供暖与空调系统节能调试方法[S].北京:中国标准出版社,2018.

[4] 黄家声,谭锦春.实验室设计与建设指南[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[5] 王贺礼,熊继海,严玉平.节能减排与清洁发展机制[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，软件工程硕士，高级工程师，主要研究方向：自动化控制、信息化系统、软件测试。E-mail：17532640@qq.com

陈俊杰，男，1991年生，大专，主要研究方向：通风空气净化、自动化控制、软件设计。