CN110542189A - 一种实验室通风换气系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验室设备技术领域，具体涉及一种功能性更全面的实验室通风换气系统及其方法。本发明包括一氧化碳探测传感器、PM探测传感器、氮氧化物探测传感器、温度探测传感器、风速风向探测传感器，控制器，射流风机、变频器和软启动器。本发明给出了通风换气系统的基本结构和基本设计，然后建立了通风换气系统的相关数学模型，给出了稀释各污染物的需风量的计算公式，为后面的通风模糊控制系统的设计提供了理论依据和数据支持。
Description
技术领域
本发明属于实验室设备技术领域，具体涉及一种功能性更全面的实验室通风换气系统及其方法。
背景技术
通风换气系统是实验室中必不可少的一种设备。在实验室中起到排风和换气的功效。实验室通风换气系统的功能中最主要的是排气功能，在化学实验室中，实验操作时产生各种有害气体、臭气、湿气以及易燃、易爆、腐蚀性物质，为了保护使用者的安全，防止实验中的污染物质向实验室扩散，需要使用通风换气系统，以往通风换气系统结构简单，只在特别有害且危险的气体及产生大量热的实验中使用。有的系统只担负实验台的辅助功能。考虑到改善实验环境，将实验室整体纳入通风换气系统，这就要求在整体系统里里要有最适于设备使用的功能。特别是大多新建的实验室都要求有空调，因此在建筑的初步设计阶段就要将换气系统的使用台数纳入空调系统的计划。由于通风换气系统在生化实验室中占有非常重要的位置，从改善实验室环境、改善劳动卫生条件，提高工作效率等方面考虑，系统的使用效率飞跃地增加。随之而来的是通风管道，配管、配线、排风等都成为实验室建设的重要课题。
使用通风换气系统的最大目的是排出实验中产生的有害气体，保护实验人员的健康，也就是说要有高度的安全性和优越的操作性，这就要求通风换气系统应具有如下功能：
(1)释放功能：应具备将实验室内部产生的有害气体用吸收柜外气体的方式，使其稀释后排除室外的机构。
(2)不倒流功能：应具有在通风换气系统内部由排风机产生的气流将有害气体从通风柜内部不反向流进室内的功能。为确保这一功能的实现，一台通风机用单一管道连接是最好的方法，不能用单一管道连接的，也只限于同层同一房间的可并连，通风机尽可能安装在管道的末端(或层顶处)。
(3)隔离功能：在通风换气系统前面应具有不滑动的玻璃视窗将通风系统内外进行分隔。
(4)补充功能：应具有在排出有害气体时，从室外吸入空气的通道或替代装置。
(5)控制风速功能：为防止通风系统内有害气体逸出，需要有一定的吸入速度。决定通风系统进风的吸入速度的要素有：实验内容产生的热量及与换气次数的关系。其中主要的是实验内容和有害物的性质。通常规定，一般无毒的污染物为0.25―0.38m/s，有毒或有危险的有害物为0.4―0.5m/s，剧毒或有少量放射性为0.5―0.6m/s，气状物为0.5m/s，粒状物为1m/s。为了确保这样的风速，排风机应有必要的静压，即空气通过通风管道时的摩擦阻力。确定风速时还必须注意噪音问题，通过空气在管道内流动时以7―10m为限，超过10m将产生噪音，通常实验室的(室内背景噪声级)噪声限制值为70dBA，增加管道裁面积会降低风速，也就降低噪音，考虑到管道的经费和施工问题，必须慎重选择管道及排风机的功率。
(6)耐热及耐酸碱腐蚀功能，通风系统内有的要安置电炉，有的实验产生大量酸碱等有毒有害气体具有极强的腐蚀性。通风系统的主题选用的水咀、气咀等都应具有防腐功能。在半导体行业或腐蚀性实验中使用硫酸、硝酸、氢氟酸等强酸的场合还要求通风柜的整体材料必须防酸碱，须采用不锈钢或PVC材料制造。
实验室通常具有长距离、区域化的特点。因此，实验室采用区域控制的方法，以5-10米为单位设置一个控制分区，由区域控制器控制该分区的通风设备。由于实验室有一些通风口与大气相通，下列几种原因均会导致实验室内部的环境参数发生变化：
1、人员和微生物的活动影响会造成实验室内空气中含氧量降低；
2、实验室含有有毒、有害危险气体渗入；
3、实验室内敷设的各种管线，如污水管线、天燃气管线的阀门安装处容易产生硫化氢和
甲烷气体；高压电力缆线和热力管线工作时会产生大量的热量，影响实验室内部温度。
上述这些原因都会造成实验室内的环境参数发生变化，影响实验室的正常运行。为此，实验室内部需要安装相应的环境检测设备，对实验室内的环境参数进行实时监控，一旦环境参数超标，及时开启相应控制区域的风机动作，以保障实验室人员的安全。
环境监测有如下规定：
1、氧气、温度、湿度是实验室监测的基本参数，这些参数直接影响实验室人员安全，故在每一防火分区均应设置氧气、温度监测设备；
2、敷设热力管线的实验室，应安装分布式光纤温度探测器；
3、对容纳污水管线的实验室，在每一通风区间均应设置硫化氢和甲烷探测器；
4、由于人员和微生物活动及废气的淤积会产生一氧化碳气体，因此在每一通风区间应设置一氧化碳探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制性能更强、通风量更大通风率更高的实验室通风换气系统。
本发明的目的还在于提供一种实验室通风换气方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种实验室通风换气系统，一氧化碳探测传感器、PM探测传感器、氮氧化物探测传感器、温度探测传感器、风速风向探测传感器，控制器，射流风机、变频器和软启动器，其特征在于：所述一氧化碳探测传感器检测出的第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜、所述PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜、所述氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜、所述温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜、所述风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令，根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制所述射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下。
在本发明一个实施例中，获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先按一定的时间间隔计算实验室内一氧化碳排放通量；
其中，Fco为一氧化碳排放通量，C为所述实验室的高度，为实验室一氧化碳浓度变化速率，ρco为标准大气下的一氧化碳的密度，T为实验室内的温度，P为实验室的气压，P0为标准大气压强，然后用内插值法计算为检测时的一氧化碳排放通量，然后将实验开始时到结束时的一氧化碳排放通量累加得到一氧化碳排放总量FZco；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Pco为实验室稀释一氧化碳需风量；ST为排气孔的横切面积，SS为实验室面积，VT为排气孔排风速度。
在本发明的一个实施例中，获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放通量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，FPM为烟雾颗粒排放通量，为实验室烟雾颗粒浓度变化速率，ρPM为标准大气下的烟雾颗粒的密度，然后用内插值法计算为检测时的烟雾颗粒排放通量，然后将实验开始时到结束时的烟雾颗粒排放通量累加得到烟雾颗粒排放总量FZPM；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，PPM实验室内稀释烟雾的需风量。
在本发明的一个实施例中，获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放通量；
其中，FNO为氮氧化物排放通量，为实验室氮氧化物浓度变化速率，ρNO为标准大气下的氮氧化物的密度，然后用内插值法计算为检测时的氮氧化物排放通量，然后将实验开始时到结束时的氮氧化物排放通量累加得到氮氧化物排放总量FZNO
然后计算实验室稀释内氮氧化物的需风量；
其中，PNO实验室内稀释氮氧化物的需风量。
在本发明的一个实施例中，获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Q为设备产生的热量；Ki为第i个设备的用电量；φi第i个设备的预设使用系数，预设值一般为0.2到0.5之间，m为设备数量，系数860功热转化量，即1kw电能全部转化为热能所能产生的热量；
计算实验室内换热的需风量：
pQ为实验室内换热的需风量；Q为设备产生的热量；SC是空气比热容，Tt为室外温度，λ预设利用效率。
在本发明的一个实施例中，获取所述第五实验室环境数据的步骤为，首先利用第五控制器计算通风时排气孔阻碍大小；
其中，ΔAm为排气孔阻碍大小；θ排气孔材质的摩擦系数，ρ为空气密度，Ca为排气孔长度，Cb为排气孔处于潮湿部位的长度；
然后计算通风换气系统受到的通风力：
其中，h为通风力；k1为预设压强调整系数，P1为排气孔进口处的压强，P2为排气孔出口处的压强，ρ1为排气孔进口处风流密度，ρ2为排气孔出口处风流密度，V1为排气孔进口处风速，V2为排气孔出口处风速，Z1为排气孔进口处海拔高度，Z2为排气孔出口处海拔高度，g为重力加速度；
最后计算所述射流风机的通风量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Ps为通风总量。
在本发明的一个实施例中，所述第五控制器根据所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器自动调整所述排气孔进口处风速；
判断所述通风换气系统是否满足下列条件：
Ps≥Pco+PPM+PNO
则所述第五控制器不做改变，否则所述第五控制器将增大排气孔进口处风速从而提高通风总量。
在本发明的一个实施例中，获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先计算实验室内一氧化碳排放量；
其中，QCO为实验室排放一氧化碳总量；qco为实验室一氧化碳排放的基准量；na为一氧化碳的扩散系数；nd为产生一氧化碳设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；niv为一氧化碳的生产速率系统；pc为产生一氧化碳设备的类型系数；L为实验室整体长度；Nm为一氧化碳的设计设备量；nm为考虑一氧化碳排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Qrco为实验室稀释一氧化碳需风量；P0为标准大气压；p为实验室内设计气压；δ为一氧化碳的设计浓度；T为实验室设计气温；T0为标准气压。
在本发明的一个实施例中，获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，QPM为实验室排放烟雾总量；qPM为实验室烟雾排放的基准量；nPMa为烟雾的扩散系数；nPMd为产生烟雾设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；nPMiv为烟雾的生产速率系统；PMpc为产生烟雾设备的类型系数；NPMm为烟雾的设计设备量；nPMm为考虑烟雾排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，QrPM实验室内稀释烟雾的需风量；QPM为实验室排放烟雾总量；K为烟雾设计浓度。
在本发明的一个实施例中，获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放量；
其中，QNO为实验室排放氮氧化物总量；qNO为实验室氮氧化物排放的基准量；nNOa为氮氧化物的扩散系数；nNOd为产生氮氧化物设备的密度系数；nNOiv为氮氧化物的生产速率系统；NOpc为产生氮氧化物设备的类型系数；NNOm为氮氧化物的设计设备量；nNOm为考虑氮氧化物排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释氮氧化物的需风量；
其中，QrNO为实验室内稀释氮氧化物的需风量，QNO为实验室排放氮氧化物总量，Ki为氮氧化物设计浓度。
在本发明的一个实施例中，获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Qi为设备产生的热量；Ri为第i个设备的启动功率；Ni为设备数量；Ti为第i个设备的工作时间；
计算实验室内换热的需风量：
Qri为实验室内换热的需风量；Qi为设备产生的热量；Ki2是温度设计系数。
在本发明的一个实施例中，获取所述第五实验室环境数据的步骤为，所述第五控制器首先计算通风风阻；
其中，Δpm为通风风阻；v为自然条件下的风速；α为出风口的损失系数；β为通风换气系统管道的壁面磨阻损失系数；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；
然后计算通风换气系统整体通风力：
其中，Δpt为整体通风力；n+为实验室内排气孔出风量；n-为实验室内排气孔进风量；Am为实验室内设备等效阻抗面积；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；vr为实验室的设计风速；vt(+)为与实验室设计风速同向风的风速；vt(-)为与实验室设计风速逆向风的风速；
最后计算所述射流风机的通风总量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Δpj为通风总量，ρ为空气密度，γ为实验室横截面面积，vr为实验室的设计风速，vj为射流风机出口风速，Aj为射流风机出口面积，为射流风机位置摩阻损失折减系数。
在本发明的一个实施例中，所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器，均通过所述变频器和所述软启动器控制所述射流风机的工作；
所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器的表达式均为：
其中，u(t)为系统控制量，e(t)为系统偏差，pk为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；
控制器传递函数
其中，kp为谐振系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
本发明另一个实施例提供了一种实验室通风换气方法，包括：
一氧化碳探测传感器检测出第一实验室环境数据，并将所述第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜；
PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜；
氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜；
温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜；
风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令；
根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下。
本发明的有益效果在于：
本发明给出了通风换气系统的基本结构和基本设计，然后建立了通风换气系统的相关数学模型，给出了稀释各污染物的需风量的计算公式，为后面的通风模糊控制系统的设计提供了理论依据和数据支持。
附图说明
图1为本发明的实验室通风换气系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
通风系统的检测和控制是一个非线性、时变性并且具有时滞性的复杂系统，并且实验室通风运营能耗大，当前常规的通风方法难以同时兼顾安全与节能，针对这种现象，本发明在对常规实验室通风设计的基础上增加了模糊控制方法，并对系统进行设计，得到了有效可行的实验室通风方案。本发明所做的主要工作如下：给出了通风换气系统的基本结构和基本设计，然后建立了通风换气系统的相关数学模型，给出了稀释各污染物的需风量的计算公式，为后面的通风模糊控制系统的设计提供了理论依据和数据支持。
实验室是一种集现代化、智慧化、集约化、生态化为一体的设施，在解决实验室反复装修问题，美化，优化利用资源、延长管线的使用寿命等方面，本发明具有强大的优势。实验室各种设备的工作状况、人员和微生物活动影响以及环境变化等因素，都会导致实验室内的环境参数发生变化，影响着内部人员的生命安全，因此，研究设计一种安全、可靠、智能的通风换气系统对实验室的高效、稳定运行具有重要的应用价值。本发明针对实验室通风系统具有时变、滞后和非线性等特点展开研究，然后结合模糊控制的优点，利用模糊控制技术实现了对实验室控制系统的设计。通过对比仿真实验，结果表明基于模糊控制的实验室通风换气调节系统具有满意的控制效果，能够满足实验室通风的实际控制要求。
具体包括：
一种实验室通风换气系统，一氧化碳探测传感器、PM探测传感器、氮氧化物探测传感器、温度探测传感器、风速风向探测传感器，控制器，射流风机、变频器和软启动器，其特征在于：所述一氧化碳探测传感器检测出的第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜、所述PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜、所述氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜、所述温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜、所述风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令，根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制所述射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下。
在本发明一个实施例中，获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先按一定的时间间隔计算实验室内一氧化碳排放通量；
其中，Fco为一氧化碳排放通量，C为所述实验室的高度，为实验室一氧化碳浓度变化速率，ρco为标准大气下的一氧化碳的密度，T为实验室内的温度，P为实验室的气压，P0为标准大气压强，然后用内插值法计算为检测时的一氧化碳排放通量，然后将实验开始时到结束时的一氧化碳排放通量累加得到一氧化碳排放总量FZco；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Pco为实验室稀释一氧化碳需风量；ST为排气孔的横切面积，SS为实验室面积，VT为排气孔排风速度。
在一个具体的实施例中，获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放通量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，FPM为烟雾颗粒排放通量，为实验室烟雾颗粒浓度变化速率，ρPM为标准大气下的烟雾颗粒的密度，然后用内插值法计算为检测时的烟雾颗粒排放通量，然后将实验开始时到结束时的烟雾颗粒排放通量累加得到烟雾颗粒排放总量FZPM；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，PPM实验室内稀释烟雾的需风量。
在一个具体的实施例中，获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放通量；
其中，FNO为氮氧化物排放通量，为实验室氮氧化物浓度变化速率，ρNO为标准大气下的氮氧化物的密度，然后用内插值法计算为检测时的氮氧化物排放通量，然后将实验开始时到结束时的氮氧化物排放通量累加得到氮氧化物排放总量FZNO
然后计算实验室稀释内氮氧化物的需风量；
其中，PNO实验室内稀释氮氧化物的需风量。
在一个具体的实施例中，获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Q为设备产生的热量；Ki为第i个设备的用电量；φi第i个设备的预设使用系数，预设值一般为0.2到0.5之间，m为设备数量，系数860功热转化量，即1kw电能全部转化为热能所能产生的热量；
计算实验室内换热的需风量：
pQ为实验室内换热的需风量；Q为设备产生的热量；SC是空气比热容，Tt为室外温度，λ预设利用效率。
在一个具体的实施例中，获取所述第五实验室环境数据的步骤为，首先利用第五控制器计算通风时排气孔阻碍大小；
其中，ΔAm为排气孔阻碍大小；θ排气孔材质的摩擦系数，ρ为空气密度，Ca为排气孔长度，Cb为排气孔处于潮湿部位的长度；
然后计算通风换气系统受到的通风力：
其中，h为通风力；k1为预设压强调整系数，P1为排气孔进口处的压强，P2为排气孔出口处的压强，ρ1为排气孔进口处风流密度，ρ2为排气孔出口处风流密度，V1为排气孔进口处风速，V2为排气孔出口处风速，Z1为排气孔进口处海拔高度，Z2为排气孔出口处海拔高度，g为重力加速度；
最后计算所述射流风机的通风量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Ps为通风总量。
在一个具体的实施例中，所述第五控制器根据所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器自动调整所述排气孔进口处风速；
判断所述通风换气系统是否满足下列条件：
Ps≥Pco+PPM+PNO
则所述第五控制器不做改变，否则所述第五控制器将增大排气孔进口处风速从而提高通风总量。
利用上述技术，可以智能的得到所述实验室对通风的总需求量，以及所述实验室所产生的通风总量，从而将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下；
同时，在计算一氧化碳排放量、PMxx的排放量、氮氧化物排放量时，通过先利用简单易得的数据快速得到一氧化碳排放通量、PMxx的排放通量、氮氧化物排放通量然后利用内插值法得到相应的排放量，并根据排放量准确得到所需的通风量。
在上述技术中心，在考虑通风量时，不仅考虑排除污染物所需通风量，还考虑了所述实验室中设备降温所需的风排放量，从而控制所述实验室温度，更好的保护所述设备。
在一个具体的实施方式中，获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先计算实验室内一氧化碳排放量；
其中，QCO为实验室排放一氧化碳总量；qco为实验室一氧化碳排放的基准量；na为一氧化碳的扩散系数；nd为产生一氧化碳设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；niv为一氧化碳的生产速率系统；pc为产生一氧化碳设备的类型系数；L为实验室整体长度；Nm为一氧化碳的设计设备量；nm为考虑一氧化碳排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Qrco为实验室稀释一氧化碳需风量；P0为标准大气压；p为实验室内设计气压；δ为一氧化碳的设计浓度；T为实验室设计气温；T0为标准气压。
在一个具体的实施方式中，获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，QPM为实验室排放烟雾总量；qPM为实验室烟雾排放的基准量；nPMa为烟雾的扩散系数；nPMd为产生烟雾设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；nPMiv为烟雾的生产速率系统；PMpc为产生烟雾设备的类型系数；NPMm为烟雾的设计设备量；nPMm为考虑烟雾排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，QrPM实验室内稀释烟雾的需风量；QPM为实验室排放烟雾总量；K为烟雾设计浓度。
在一个具体的实施方式中，获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放量；
其中，QNO为实验室排放氮氧化物总量；qNO为实验室氮氧化物排放的基准量；nNOa为氮氧化物的扩散系数；nNOd为产生氮氧化物设备的密度系数；nNOiv为氮氧化物的生产速率系统；NOpc为产生氮氧化物设备的类型系数；NNOm为氮氧化物的设计设备量；nNOm为考虑氮氧化物排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释氮氧化物的需风量；
其中，QrNO为实验室内稀释氮氧化物的需风量，QNO为实验室排放氮氧化物总量，Ki为氮氧化物设计浓度。
在一个具体的实施方式中，获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Qi为设备产生的热量；Ri为第i个设备的启动功率；Ni为设备数量；Ti为第i个设备的工作时间；
计算实验室内换热的需风量：
Qri为实验室内换热的需风量；Qi为设备产生的热量；Ki2是温度设计系数。
在一个具体的实施方式中，获取所述第五实验室环境数据的步骤为，所述第五控制器首先计算通风风阻；
其中，Δpm为通风风阻；v为自然条件下的风速；α为出风口的损失系数；β为通风换气系统管道的壁面磨阻损失系数；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；
然后计算通风换气系统整体通风力：
其中，Δpt为整体通风力；n+为实验室内排气孔出风量；n-为实验室内排气孔进风量；Am为实验室内设备等效阻抗面积；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；vr为实验室的设计风速；vt(+)为与实验室设计风速同向风的风速；vt(-)为与实验室设计风速逆向风的风速；
最后计算所述射流风机的通风总量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Δpj为通风总量，ρ为空气密度，γ为实验室横截面面积，vr为实验室的设计风速，vj为射流风机出口风速，Aj为射流风机出口面积，为射流风机位置摩阻损失折减系数。
在一个具体的实施方式中，所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器，均通过所述变频器和所述软启动器控制所述射流风机的工作；
所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器的表达式均为：
其中，u(t)为系统控制量，e(t)为系统偏差，pk为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；
控制器传递函数
其中，kp为谐振系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
本发明在上述实施例的基础上提供了一种实验室通风换气方法，包括一氧化碳探测传感器、PM探测传感器、氮氧化物探测传感器、温度探测传感器、风速风向探测传感器，控制器，射流风机、变频器和软启动器；
所述一氧化碳探测传感器检测出的第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜、所述PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜、所述氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜、所述温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜、所述风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令，根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制所述射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下；
其中，获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先计算实验室内一氧化碳排放量；
其中，QCO为实验室排放一氧化碳总量；qco为实验室一氧化碳排放的基准量；na为一氧化碳的扩散系数；nd为产生一氧化碳设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；niv为一氧化碳的生产速率系统；pc为产生一氧化碳设备的类型系数；L为实验室整体长度；Nm为一氧化碳的设计设备量；nm为考虑一氧化碳排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Qrco为实验室稀释一氧化碳需风量；P0为标准大气压；p为实验室内设计气压；T为实验室设计气温；T0为标准气压。
获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，QPM为实验室排放烟雾总量；qPM为实验室烟雾排放的基准量；nPMa为烟雾的扩散系数；nPMd为产生烟雾设备的密度系数；nh为实验室环境的气压系数；nPMiv为烟雾的生产速率系统；PMpc为产生烟雾设备的类型系数；NPMm为烟雾的设计设备量；nPMm为考虑烟雾排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，QrPM实验室内稀释烟雾的需风量；QPM为实验室排放烟雾总量；K为烟雾设计浓度。
获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放量；
其中，QNO为实验室排放氮氧化物总量；qNO为实验室氮氧化物排放的基准量；nNOa为氮氧化物的扩散系数；nNOd为产生氮氧化物设备的密度系数；nNOiv为氮氧化物的生产速率系统；NOpc为产生氮氧化物设备的类型系数；NNOm为氮氧化物的设计设备量；nNOm为考虑氮氧化物排放的设备型号系数；
然后计算实验室内稀释氮氧化物的需风量；
其中，QrNO为实验室内稀释氮氧化物的需风量，QNO为实验室排放氮氧化物总量，Ki为氮氧化物设计浓度。
获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Qi为设备产生的热量；Ri为设备启动功率；Ni为设备数量；Ti为设备工作时间；
计算实验室内换热的需风量：
Qri为实验室内换热的需风量；Qi为设备产生的热量；Ki2是温度设计系数。
获取所述第五实验室环境数据的步骤为，所述第五控制器首先计算通风风阻；
其中，Δpm为通风风阻；v为自然条件下的风速；α为出风口的损失系数；β为通风换气系统管道的壁面磨阻损失系数；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；
然后计算通风换气系统整体通风力：
其中，Δpt为整体通风力；n+为实验室内排气孔出风量；n-为实验室内排气孔进风量；Am为实验室内设备等效阻抗面积；ρ为空气密度；γ为实验室横截面面积；vr为实验室的设计风速；vt(+)为与实验室设计风速同向风的风速；vt(-)为与实验室设计风速逆向风的风速；
最后计算所述射流风机的通风总量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Δpj为通风总量，ρ为空气密度，γ为实验室横截面面积，vr为实验室的设计风速，vj为射流风机出口风速，Aj为射流风机出口面积，为射流风机位置摩阻损失折减系数。
所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器，均通过所述变频器和所述软启动器控制所述射流风机的工作；
所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器、所述第五控制器的表达式均为：
其中，u(t)为系统控制量，e(t)为系统偏差，pk为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；
控制器传递函数
其中，kp为谐振系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种实验室通风换气系统，包括一氧化碳探测传感器、PM探测传感器、氮氧化物探测传感器、温度探测传感器、风速风向探测传感器，控制器，射流风机、变频器和软启动器，其特征在于：所述一氧化碳探测传感器检测出的第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜、所述PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜、所述氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜、所述温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜、所述风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令，根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制所述射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下。
2.根据权利要求1所述的实验室通风换气系统，其特征在于：获取所述第一实验室环境数据的步骤为，所述第一控制器首先按一定的时间间隔计算实验室内一氧化碳排放通量；
其中，Fco为一氧化碳排放通量，C为所述实验室的高度，为实验室一氧化碳浓度变化速率，ρco为标准大气下的一氧化碳的密度，T为实验室内的温度，P为实验室的气压，P0为标准大气压强，然后用内插值法计算为检测时的一氧化碳排放通量，然后将实验开始时到结束时的一氧化碳排放通量累加得到一氧化碳排放总量FZco；
然后计算实验室内稀释一氧化碳的需风量；
其中，Pco为实验室稀释一氧化碳需风量；ST为排气孔的横切面积，SS为实验室面积，VT为排气孔排风速度。
3.根据权利要求1所述的实验室通风换气系统，其特征在于：获取所述第二实验室环境数据的步骤为，所述第二控制器首先计算PMxx的排放通量，其中xx代表烟雾颗粒的指标，如PM2.5或PM10；
其中，FPM为烟雾颗粒排放通量，为实验室烟雾颗粒浓度变化速率，ρPM为标准大气下的烟雾颗粒的密度，然后用内插值法计算为检测时的烟雾颗粒排放通量，然后将实验开始时到结束时的烟雾颗粒排放通量累加得到烟雾颗粒排放总量FZPM；
然后计算实验室内稀释烟雾的需风量；
其中，PPM实验室内稀释烟雾的需风量。
4.根据权利要求1所述实验室通风换气系统，其特征在于：获取所述第三实验室环境数据的步骤为，所述第三控制器首先计算氮氧化物的排放通量；
其中，FNO为氮氧化物排放通量，为实验室氮氧化物浓度变化速率，ρNO为标准大气下的氮氧化物的密度，然后用内插值法计算为检测时的氮氧化物排放通量，然后将实验开始时到结束时的氮氧化物排放通量累加得到氮氧化物排放总量FZNO
然后计算实验室稀释内氮氧化物的需风量；
其中，PNO实验室内稀释氮氧化物的需风量。
5.根据权利要求1所述实验室通风换气系统，其特征在于：获取所述第四实验室环境数据的步骤为，所述第四控制器计算设备产热量，根据设备产热量设定需风量；
其中，Q为设备产生的热量；Ki为第i个设备的用电量；φi第i个设备的预设使用系数，预设值一般为0.2到0.5之间，m为设备数量，系数860功热转化量，即1kw电能全部转化为热能所能产生的热量；
计算实验室内换热的需风量：
pQ为实验室内换热的需风量；Q为设备产生的热量；SC是空气比热容，Tt为室外温度，λ预设利用效率。
6.根据权利要求1所述的实验室通风换气系统，其特征在于：获取所述第五实验室环境数据的步骤为，首先利用第五控制器计算通风时排气孔阻碍大小；
其中，△Am为排气孔阻碍大小；θ排气孔材质的摩擦系数，ρ为空气密度，Ca为排气孔长度，Cb为排气孔处于潮湿部位的长度；
然后计算通风换气系统受到的通风力：
其中，h为通风力；k1为预设压强调整系数，P1为排气孔进口处的压强，P2为排气孔出口处的压强，ρ1为排气孔进口处风流密度，ρ2为排气孔出口处风流密度，V1为排气孔进口处风速，V2为排气孔出口处风速，Z1为排气孔进口处海拔高度，Z2为排气孔出口处海拔高度，g为重力加速度；
最后计算所述射流风机的通风量，向所述射流风机发送的控制信号：
其中，Ps为通风总量。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的实验室通风换气系统，其特征在于：所述第五控制器根据所述第一控制器、所述第二控制器、所述第三控制器、所述第四控制器自动调整所述排气孔进口处风速；
判断所述通风换气系统是否满足下列条件：
Ps≥Pco+PPM+PNO
则所述第五控制器不做改变，否则所述第五控制器将增大排气孔进口处风速从而提高通风总量。
8.一种实验室通风换气方法，其特征在于，包括：
一氧化碳探测传感器检测出第一实验室环境数据，并将所述第一实验室环境数据送给分布在实验室内的第一控制柜；
PM探测传感器检测出的第二实验室环境数据送给分布在实验室内的第二控制柜；
氮氧化物探测传感器探测的第三实验室环境数据送给分布在实验室内的第三控制柜；
温度探测传感器检测出的第四实验室环境数据送给分布在实验室内的第四控制柜；
风速风向探测传感器检测出的第五实验室环境数据送给分布在实验室内的第五控制柜；
第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器通过环网连接，将所述第一实验室环境数据、所述第二实验室环境数据、所述第三实验室环境数据、所述第四实验室环境数据和所述第五实验室环境数据传送到控制中心，在经过所述控制中心的运算和判断之后得出指令；
根据所述指令通过所述第一控制柜内的第一控制器、所述第二控制柜内的第二控制器、所述第三控制柜内的第三控制器、所述第四控制柜内的第四控制器和所述第五控制柜内的第五控制器控制射流风机的启停和正反转动作，将实验室内的污染物浓度保持在目标值以下。
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2019
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