實驗室變風量排風柜罩面風速的控制策略

張雁翔

文章編號：2095-6835（2016）13-0103-02

摘 要：不管是專業的科研人員，還是步入理科學堂的學生，實驗室并不是一個陌生的地方，然而，在實驗過程當中可能會出現一些有害的氣體，因此，如何保障我們實驗室內的實驗人員不受到這些有害氣體的傷害，一直是我們排風柜研究人員的首要問題。其根本原理就是對風速進行控制，從而控制空氣當中的污染收集與排放。主要闡述國內常見的幾種類型的排風柜和其工作原理，并提出一些設計優化建議。

關鍵詞：實驗室；變風量排風柜；罩面風速；控制策略

中圖分類號：TU834.6+35 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.103

我們都知道，想要控制污染氣體不侵害實驗人員，就需要控制排風柜罩面的風速。但是在實際中，我們實驗室內存在很多會干擾排風柜罩面風速的干擾氣流，這些氣流產生的原因非常多，最常見的原因有：門窗的開關、人員的走動、室內送風系統等。雖然我們的排風柜目前已經能控制大部分污染氣體，但是因為一些其他干擾原因的存在，其控制效果還是受到制約。那么，如何才能提高排風柜對污染氣體的控制性能？下面將逐一進行分析。

1 控制變風量排風柜罩面風速的意義

我們實驗室的空調系統造價一般是普通建筑空調系統的造價的3～6倍，運營費用也相對高出許多。目前，為了保證實驗有害氣體能收集完全并合理排放，我們一般都采用新風系統。但是，其造價非常高昂，而變風量的排風系統是我們降低空調系統造價與使用費用的一個有效途徑。

以往的定風量空調系統中的排風柜的排風量是定量的，其運行消耗也是定量的，一般其風量統一定為最大排風量，拉門大小改變并不會改變其排風量大小。而變風量排風系統能根據其拉門是改變而改變罩面風速。比如說，其最小風速為0.5 m/s，那么當拉門打開1/4時，其罩面風速就增加到2 m/s。當整個拉門完全打開，其罩面風速能夠立刻增加到10 m/s。但是，過高的罩面風速可能會導致我們試驗臺的上方氣流劇烈變化，然后還是可能會導致污染氣體在柜內某一處聚集，還可能吹滅我們實驗火焰，破壞實驗的效果。但是罩面風速如果不夠，污染氣體不能即使排除，又會導致我們的實驗人員有吸入有害氣體危險。所以，我們排風系統一定要根據試驗臺上的具體實驗進行來調節，考慮試驗臺的實驗實況、室內壓力等情況。隨風柜拉門大小變化而變化罩面風速，并保持在一定范圍能大大地減少我們的實驗室排風系統的能源消耗。變風量的排風系統比定量的排風系統能節能20%左右，比如說需要換氣6～60ACH的一個實驗室。如果采用變風量的通風系統，能節約非常可觀的能源。所以，我們的現代實驗室應該普遍采用變風量的排氣系統。

2 變風量排風柜罩面風速控制原理

根據實驗室的實驗性質來選擇不同規格的排風柜。目前，普遍采用的英國標準（BS7258）中明確規定了不同性質實驗需要的罩面風速標準。常規推薦表如表1所示。

表1 英國標準（BS7258）常規推薦表

罩面風速/（m/s） 排風柜的使用實驗類型

Min0.7 帶有放射性物質的實驗操作

Min0.5 常規實驗操作

Min0.2 化學物品儲存操作

從表1可以看出，化學物品儲存的實驗對于罩面風速要求最低，最小為0.2 m/s。如果罩面風速過大，可能會導致化學物品的性質發生變化，不便于儲存操作。常規的實驗操作的最小罩面風速為0.5 m/s。這個要求定量風柜能完成。帶有放射性物質的實驗操作對于罩面風速的要求比較高，最小達到0.7m/s。以上實驗類型的排風柜都是專門定制出來的。這種定量排風柜使用，造成實驗室的分類過多，實驗室的利用率降低。而使用變量風速控制的排風系統，則能滿足不同性質的實驗操作需求。改變拉門的大小，就可以調節其罩面風速。將排風柜換氣范圍內的有害氣體逃逸可能性降到最低，保證實驗臺上人員的呼吸安全。

3 實驗室內氣流控制介紹

經過了40年的實驗室的氣流控制技術不斷發展和完善，已經從原始的定風量系統轉變成變風量、雙穩態系統，現階段已經不斷完善發展成了自適應性控制系統。這保障了實驗室人員的安全，并且更加節能，系統控制更加穩定性。

3.1 定風量控制（CV）

1940年CV誕生，這個系統的送風量是固定的，不會隨著通風柜窗開度調節而變化。系統特性：控制非常簡單，安全性能很差，適應性不強，且能耗驚人，不能滿足復雜實驗的要求。定風量控制系統結構圖如圖1所示。

3.2 雙穩態控制（Two-State）

定風量控制系統無法滿足實驗的排風需求，其安全性和能耗缺陷受到人們的重視，雙穩態控制也就應運而生了。這個系統相對定風控制有了一定的改進，可以在高風、低風量之間進行選擇，比如一些排風量需求小的實驗，或在實驗室夜間休眠期選擇低風量檔位運行，降低了排風系統的能耗，但是與定風量系統相似，這個系統抗干擾能力差，適應性不強。雙穩態控制系統結構原理圖如圖2所示。

3.3 變風量控制（VAV）

隨著控制技術的不斷發展，出現了變風量控制系統。這種風速控制法一般是在排風柜的排風口設置一個風速檢測儀器（比如熱球風速檢測儀、熱線風速檢測儀）來對風量進行檢測。將檢測出來的罩面風速值傳入排風系統的控制器內，根據要求的風速進行控制排風門的大小或排風馬達的功率。其優點是適應性強、能耗低，缺點是對閥門的控制精度和反應速度的要求高。

3.4 自適應控制（UBC）

通過在拉門上安裝磁鐵距離檢測器或可變電阻器來確定排風柜拉門的高度。排風量根據我們實際拉門高度通過計算得出。排風柜的罩面風速普遍采用下式計算：

v= Q/A= Q/bh. （1）

3.5 通風柜氣流控制

HCS的通風柜氣流控制采用位移傳感+精確風量控制閥的控制系統。只要在排風口邊緣安裝一個罩面風速測量器即可。但是，這個檢測的風速一般是排風口處的風速，有時會出現檢測的罩面風速與試驗臺上的風速不同。所以，采用直接風速測量控制法還是存在一些不足之處，對于風速高標準的實驗室不推薦使用。

4 結束語

隨著人們的實驗安全意識的不斷提高和科技的不斷發展，人們對于一些特殊性質的化學品的深入研究，要求我們現代實驗室對于通風、排風系統的控制性能不斷提高。罩面風速是我們必須重點關注和研究的，因為這直接關系到一個實驗室能否安全進行實驗，并影響整個實驗的經濟支出。以往，我們只通過檢測罩面風速大小來判斷一個排風柜的性能好壞，但這種方法是不科學的，因為不同性質的實驗對于罩面風速的需求也是不同，高風速對于化學品儲存操作就很大的坡滑行。所以，我們需要因地制宜，根據實際需求來調整罩面風速。比如說，我們一個標準的現代實驗室需要先檢測實驗人員的呼吸濃度，從而評判這個排風柜質量的好壞。所以，應該普遍推廣變風量排風柜，并深入研究其性質，使得我們的變風控制技術水平更高，能更好地保護我們實驗室實驗人員的人身安全。

參考文獻

[1]程勇，劉東，王婷婷，等.實驗室排風柜面風速要求與實測分析[J].暖通空調，2012（08）：84-88.

[2]張占蓮，萬建武.實驗室氣流組織對污染物控制的影響[J].制冷與空調，2014（12）：80-84.

〔編輯：胡雪飛〕