CN117139318A - 一种实验室变风量主动式通风系统 - Google Patents

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CN117139318A CN202311070905.1A CN202311070905A CN117139318A CN 117139318 A CN117139318 A CN 117139318A CN 202311070905 A CN202311070905 A CN 202311070905A CN 117139318 A CN117139318 A CN 117139318A
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卢国华
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Abstract

本发明涉及一种实验室通风系统，尤其为一种实验室变风量主动式通风系统，包括：主动式通风柜：动静压转换风仓；变频排风机；排风管道；变风量送风机组；送风管道；房间控制器和变风量监控系统。本发明提出的通风系统在局部排风装置处设置对应的排风动力装置，精确控制通风柜排风量，且经过排风动压和静压之间的相互转换，有效防止因排风动压引起的系统风压失衡情况，通过余风量或室内外压差控制方法控制实验室内正负压环境，使得整个通风系统排风气流更合理、更可控。同时，本发明配置有变风量送风机组系统，与实验室主动式排风系统相结合，有效的补充房间内空气，保证主动式排风具有良好的效果。

Description

一种实验室变风量主动式通风系统
技术领域
本发明涉及一种实验室通风系统，尤其是一种实验室变风量主动式通风系统。
背景技术
实验室通风系统是实验室安全、良好运行的重要保障措施，对实验室各个环节的操作环境和操作人员健康起着重要作用。设计合理的通风系统可以有效控制实验室内污染物质，形成良好的气流组织，防止污染物扩散。针对实验室，应优先采用局部通风方式，不能有效排除污染物时，采用全面通风方式进行辅助。
现有技术的局部通风装置常采用通风柜等，通风柜接至整个楼栋变风量排风系统中，通常一套变风量排风系统连接有几十个通风柜，而整个变风量系统仅在屋面设置一套排风风机动力装置，风机运行时调节能力有限，不利于节能，也无法精确地控制每个通风柜排风量，从而造成各通风柜之间因风量风压难以平衡，出现部分通风柜不能有效排除实验室污染物，甚至出现污染物从通风柜外溢至实验室内部的情况。
现有技术的变风量排风系统，依靠设置在变风量通风柜上面的变风量阀门，调节各自通风柜的排风量，因变风量阀门自身只有调节作用，不能为通风柜的排风提供动力，只能被动的进行局部排风，且现有技术的整个变风量系统风量风压难以平衡，造成部分变风量阀门处没有足够的资用压力，即使变风量阀门开到最大，也无法有效的排除污染性气体。
故本发明提出一种新型的实验室通风系统，从主动的排除实验污染气体入手，保证每个通风柜能够主动的调节自身排风量、控制风压，使通风柜内部的污染气体有效畅通排除，同时补充实验室排出的气体。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种实验室变风量主动式通风系统，以解决上述背景技术中提出的缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
提供一种实验室变风量主动式通风系统，包括：
主动式通风柜：
动静压转换风仓；
变频排风机；
排风管道；
变风量送风机组；
送风管道；
房间控制器；
变风量监控系统；
所述主动式通风柜在所述主动式通风柜控制器上连接设置有风机，所述风机根据所述主动式通风柜柜门开启的高低，调节风机的转速，控制通风柜吸入口面风速恒定；
所述动静压转换风仓将主动式通风柜风机出口的动压转换为静压装置；
所述变频排风机安装于实验室屋面及室外，经排风管道与各主动式通风柜连接，根据系统中所有主动式通风柜排风量之和的大小或定静压控制方式调节自身转速；
所述排风管道安装于实验室吊顶空间内，所述排风管道内部始终保持负压状态，根据压差将所述主动式通风柜的污染物引入；
所述变风量送风机组与所述送风管道为系统补充新风；
所述房间控制器控制实验室送风量和排风量大小，控制实验室内正负压环境；
所述变风量监控系统用于监测实验室送排风系统运行工况和室内外压差，并实时联动所述变频排风机和变频送风机，调整系统风压平衡。
作为本发明的一种优选技术方案：所述风机还与所述主动式通风柜上设置的柜门位移传感器、红外探测传感器、面风速传感器联动。
作为本发明的一种优选技术方案：所述动静压转换风仓内还设置有活性炭吸附装置或相同级别的过滤器。
作为本发明的一种优选技术方案：设置于屋面的排风管道的总出口处设置相应的集中废气处理装置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述变风量送风机组中设置初效、中效过滤装置，所述送风管道末端设置高效过滤器。
作为本发明的一种优选技术方案：所述房间控制器通过余风量或室内外压差控制方法保持实验室内部为正压或者负压工况，所述房间控制器还与所述主动式通风柜控制器连锁调节进行实验室的送风、排风控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述余风量控制方法具体如下：
室内余风量为总送风量与总排风量之差Q，即：
Q＝Q2-Q1
其中，Q1为总送风量，Q2为总排风量；
实验室需求总送风量Q1具体计算如下：
Q1＝MAX(R1×S×H，R2×P，Q3，Q4)
其中，R1为洁净室等房间通风换气次数(次/小时)，S为实验室面积，H为实验室吊顶高度，R2为人均新风需求量，P为实验室内人员数量；Q3为满足热、湿负荷计算确定的送风量；Q4满足补偿排风所需的送风量；
实验室总排风量Q2，根据室内通风柜等局部排风设备和房间要求换气次数综合确定；
实验室总送风量与总排风量满足如下的约束关系：
Q2>Q1
由PID控制算法进行室内余风量的平衡控制，并通过改进萤火虫算法进行PID控制算法的比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数三个参数寻优，保持实验室内部为正压或者负压工况。
作为本发明的一种优选技术方案：所述改进萤火虫算法具体如下：
将所述PID控制算法的三个参数进行组合运算整定得到控制量，将萤火虫算法的位置矢量对应一组由参数整定得到的控制量，设萤火虫数量为M，则形成M×3的萤火虫寻优矩阵，设定误差积分指标为适应度函数；
获得M只萤火虫个体的初始位置，并按照如下的规则进行更新：
其中，xi,d(t)、xi,d(t+1)分别为萤火虫i在d维第t次迭代和第t+1次迭代的位置，x′i,d(t+1)为第t+1次迭代萤火虫i的位置，f(xi,d(t))和f(xi,d(t+1))分别为xi,d(t)和xi,d(t+1)对应的个体适应度值；
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t+1次迭代d维位置更新公式为：
其中，xi+1(t+1)为萤火虫i第t+1次迭代更新的位置，xj(t)为萤火虫j第t次迭代更新的位置，xi(t)为萤火虫i第t次迭代更新的位置，β0为萤火虫自身吸引力，I0为最亮萤火虫亮度，rij为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，g为正相关系数，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α是为步长参数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述变风量监控系统在各个动静压转换风仓的出口处设置有压差传感器，监测所述主动式通风柜出口处的压力是否为正压，当监测所述主动式通风柜出口出现负压时，实时联动变频排风机，调整系统风压平衡。
作为本发明的一种优选技术方案：还配置主动式送风装置，即在每个实验室房间上部的送风口处，设置可调节风量的送风机，送风机通过房间控制器与主动式排风柜的排风风机联动。
本发明提供的实验室变风量主动式通风系统，与现有技术相比，其有益效果有：
本发明提出的通风系统在局部排风装置处设置对应的排风动力装置，精确控制通风柜排风量，且经过排风动压和静压之间的相互转换，有效防止因排风动压引起的系统风压失衡情况，通过余风量或室内外压差控制方法控制实验室内正负压环境，使得整个通风系统排风气流更合理、更可控。同时，本发明配置有变风量送风机组系统，与实验室主动式排风系统相结合，有效的补充房间内空气，保证主动式排风具有良好的效果。
附图说明
图1为本发明优选实施例的系统结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明优选实施例提供了一种实验室变风量主动式通风系统，包括：
主动式通风柜：
动静压转换风仓；
变频排风机；
排风管道；
变风量送风机组；
送风管道；
房间控制器；
变风量监控系统；
所述主动式通风柜在所述主动式通风柜控制器上连接设置有风机，所述风机根据所述主动式通风柜柜门开启的高低，调节风机的转速，控制通风柜吸入口面风速恒定；
所述动静压转换风仓将主动式通风柜风机出口的动压转换为静压装置；
所述变频排风机安装于实验室屋面及室外，经排风管道与各主动式通风柜连接，根据系统中所有主动式通风柜排风量之和的大小或定静压控制方式调节自身转速；
所述排风管道安装于实验室吊顶空间内，所述排风管道内部始终保持负压状态，根据压差将所述主动式通风柜的污染物引入；
所述变风量送风机组与所述送风管道为系统补充新风；
所述房间控制器控制实验室送风量和排风量大小，控制实验室内正负压环境；
所述变风量监控系统用于监测实验室送排风系统运行工况和室内外压差，并实时联动所述变频排风机和变频送风机，调整系统风压平衡。
所述风机还与所述主动式通风柜上设置的柜门位移传感器、红外探测传感器、面风速传感器联动。
所述动静压转换风仓内还设置有活性炭吸附装置或相同级别的过滤器。
设置于屋面的排风管道的总出口处设置相应的集中废气处理装置。
所述变风量送风机组中设置初效、中效过滤装置，所述送风管道末端设置高效过滤器。
所述房间控制器通过余风量控制方法保持实验室内部为正压或者负压工况，所述房间控制器还与所述主动式通风柜控制器连锁调节进行实验室的送风、排风控制。
所述余风量控制方法具体如下：
室内余风量为总送风量与总排风量之差Q，即：
Q＝Q2-Q1
其中，Q1为总送风量，Q2为总排风量；
实验室需求总送风量Q1具体计算如下：
Q1＝MAX(R1×S×H，R2×P，Q3，Q4)
其中，R1为洁净室等房间通风换气次数(次/小时)，S为实验室面积，H为实验室吊顶高度，R2为人均新风需求量，P为实验室内人员数量；Q3为满足热、湿负荷计算确定的送风量；Q4满足补偿排风所需的送风量；
实验室总排风量Q2，根据室内通风柜等局部排风设备和房间要求换气次数综合确定；
实验室总送风量与总排风量满足如下的约束关系：
Q2>Q1
由PID控制算法进行室内余风量的平衡控制，并通过改进萤火虫算法进行PID控制算法的比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数三个参数寻优，保持实验室内部为正压或者负压工况。
所述改进萤火虫算法具体如下：
将所述PID控制算法的三个参数进行组合运算整定得到控制量，将萤火虫算法的位置矢量对应一组由参数整定得到的控制量，设萤火虫数量为M，则形成M×3的萤火虫寻优矩阵，设定误差积分指标为适应度函数；
获得M只萤火虫个体的初始位置，并按照如下的规则进行更新：
其中，xi,d(t)、xi,d(t+1)分别为萤火虫i在d维第t次迭代和第t+1次迭代的位置，x′i,d(t+1)为第t+1次迭代萤火虫i的位置，f(xi,d(t))和f(xi,d(t+1))分别为xi,d(t)和xi,d(t+1)对应的个体适应度值；
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t+1次迭代d维位置更新公式为：
其中，xi+1(t+1)为萤火虫i第t+1次迭代更新的位置，xj(t)为萤火虫j第t次迭代更新的位置，xi(t)为萤火虫i第t次迭代更新的位置，β0为萤火虫自身吸引力，I0为最亮萤火虫亮度，rij为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，g为正相关系数，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α是为步长参数。
所述变风量监控系统在各个动静压转换风仓的出口处设置有压差传感器，监测所述主动式通风柜出口处的压力是否为正压，当监测所述主动式通风柜出口出现负压时，实时联动变频排风机，调整系统风压平衡。
还配置主动式送风装置，即在每个实验室房间上部的送风口处，设置可调节风量的送风机，送风机通过房间控制器与主动式排风柜的排风风机联动。
本实施例中，主动式通风柜设置有与之相对应的风机，该风机具有优良的变频调节能力(EC风机)，与通风柜控制器连接，与通风柜柜门位移传感器、红外探测传感器、面风速传感器联动，可以根据通风柜柜门开启的高低，调节风机的转速，进而调节风机排风量，控制通风柜吸入口面风速恒定。相较于无排风动力装置的变风量阀门，在产生污染物源头配备风机，可以更好的控制排风稳定性。还可采用带排风动力装置的通风柜，也可将常规变风量阀门改造升级为主动式通风柜，并将通风柜控制装置、房间控制装置和变风量系统变频排风机控制装置整合，设置与之相对应的通风控制策略，保证实验室整个通风系统的可靠、稳定运行。
动静压转换风仓是将主动式通风柜风机出口的动压转换为静压装置，在一些有害气体需要就地处理和净化的情形下，也可在动静压转换风仓内部设置有活性炭吸附装置或者相应级别的过滤器，在减小排风风机动压的同时实现污染物气体处理。通风柜对应风机的出口动压较大，接入变风量排风系统的通风柜数量较多时，不利于整个变风量排风系统的风量风压平衡，设置动静压转换风仓可有效降低风机出口动压的影响，保证通风柜排风口为微正压，在有效排出污染物的同时，不对其他排风装置的排风产生影响，使变风量系统运行更稳定。
变频排风机为楼栋变风量排风系统的风机，一般安装于实验室屋面，经排风管道与各主动式通风柜连接，根据系统中所有主动式通风柜排风量之和的大小，来调节自身转速，从而调节整个系统排风量大小，保证与之相连的排风主管道为恒定的负压状态。
排风管道为实验室通风柜等排风装置的主管道，安装于实验室吊顶空间内，该排风管道内部始终保持负压状态，根据压差有效将主动式通风柜的污染物引入。该排风管道的阻力为沿程阻力和局部阻力之和，根据流体力学公式
排风管道的阻力与流速的平方成正比，安装完成后，风管阻力系数不变，当系统各通风柜逐步开启时，总排风量增大、风速随之增加，排风管道阻力增加，变频排风机调节提供更大的排风风压，反之亦然。始终保持排风管道内为负压状态。根据使用情形，在屋面排风管道总体的出口处设置相应的集中废气处理装置。
变风量送风机组、送风管道系统为主动式排风系统补充空气，根据实验室使用需求，变风量送风机组可以设置初中效过滤装置、送风管道末端设置高效过滤器，可为实验室补充经过滤的净化气体，变为净化型实验室操作环境。
房间控制器是实验室送风量和排风量大小的控制装置，根据实验室需求，可通过余风量控制方法，保持实验室内部为正压或者负压工况，房间控制器与主动式通风柜控制器连锁调节，可以就地根据主动式排风的风量，更灵敏的调节送风量，使得整个实验室送排风控制的灵活性、可靠性更强。
室内余风量为总送风量与总排风量之差，即：
Q＝Δ(Q1，Q2)
其中，Q1为总送风量，Q2为总排风量；室内余风量根据对应的室内外压差要求，采用门窗缝隙法计算或换气次数法估算确定。
实验室总排风量Q2，根据室内通风柜等局部排风设备和房间要求换气次数综合确定。
实验室需求总送风量Q1，需满足空气洁净度等级要求的送风量，满足热、湿负荷计算确定的送风量，满足室内供给的新鲜空气量，满足补偿排风所需的送风量等，计算如下：
Q1＝MAX(R1×S×H，R2×P，Q3，Q4)
其中，R1为洁净室等房间通风换气次数(次/小时)，S为实验室面积，H为实验室吊顶高度，R2为人均新风需求量，P为实验室内人员数量；Q3为满足热、湿负荷计算确定的送风量；Q4满足补偿排风所需的送风量；
总送风量与总排风量根据实验室具体实际使用情况确定，常规实验室通常控制为负压环境，即排风量大于送风量，满足如下的约束关系：
Q2>Q1
室内余风量满足：
Q＝Q2-Q1
反之亦然。
由PID控制算法进行室内余风量的平衡控制，并通过改进萤火虫算法进行PID控制算法的比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数三个参数寻优，保持实验室内部为正压或者负压工况。
将所述PID控制算法的三个参数进行组合运算整定得到控制量，将萤火虫算法的位置矢量对应一组由参数整定得到的控制量，设萤火虫数量为100，则形成100×3的萤火虫寻优矩阵，设定误差积分指标为适应度函数.
获得100只萤火虫个体的初始位置，并按照如下的规则进行更新：
其中，xi,d(8)、xi,d(9)分别为萤火虫i在d维第8次迭代和第9迭代的位置，x′i,d(9)为第9次迭代萤火虫i的位置，f(xi,d(8))和f(xi,d(9))分别为xi,d(8)和xi,d(9)对应的个体适应度值；
当满足f(xi,d(8))≤f(xi,d(9))时，按照下式更新萤火虫位置：当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第9次迭代d维位置更新公式为：
其中，xi+1(9)为萤火虫i第9次迭代更新的位置，xj(8)为萤火虫j第8次迭代更新的位置，xi(8)为萤火虫i第8次迭代更新的位置，β0为萤火虫自身吸引力，I0为最亮萤火虫亮度，rij为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，g为正相关系数，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α是为步长参数。
变风量监控系统在各个动静压转换风仓的出口处设置有压差传感器(可设置压力为定值)，始终监测主动式通风柜出口处的压力为正压，当个别通风柜出口出现负压时，实时联动变风量系统的变频排风机，调整整个通风系统风压平衡。该监控系统可保证实验室变风量主动式通风系统动态运行，在保证排风效果良好的同时，最大限度的实现节能。同时联动变风量送风系统，使整个实验室在运行时保持有较高的通风换气量，在不做实验室时降低通风换气量，更有利于降低能耗，改善实验室运行能耗大的情况。
根据使用情形，还可配置主动式送风装置，即在每个实验室房间上部的送风口处，设置可调节风量的送风机，送风机通过房间控制器与主动式排风柜的排风风机联动，以每个实验室房间为单元，更好的实验室房间气流组织良好。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：包括：
主动式通风柜：
动静压转换风仓；
变频排风机；
排风管道；
变风量送风机组；
送风管道；
房间控制器；
变风量监控系统；
所述主动式通风柜在所述主动式通风柜控制器上连接设置有风机，所述风机根据所述主动式通风柜柜门开启的高低，调节风机的转速，控制通风柜吸入口面风速恒定；
所述动静压转换风仓将主动式通风柜风机出口的动压转换为静压装置；
所述变频排风机安装于实验室屋面及室外，经排风管道与各主动式通风柜连接，根据系统中所有主动式通风柜排风量之和的大小或定静压控制方式调节自身转速；
所述排风管道安装于实验室吊顶空间内，所述排风管道内部始终保持负压状态，根据压差将所述主动式通风柜的污染物引入；
所述变风量送风机组与所述送风管道为系统补充新风；
所述房间控制器控制实验室送风量和排风量大小，控制实验室内正负压环境；
所述变风量监控系统用于监测实验室送排风系统运行工况和室内外压差，并实时联动所述变频排风机和变频送风机，调整系统风压平衡。
2.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述风机还与所述主动式通风柜上设置的柜门位移传感器、红外探测传感器、面风速传感器联动。
3.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述动静压转换风仓内还设置有活性炭吸附装置或相同级别的过滤器。
4.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：设置于屋面的排风管道的总出口处设置相应的集中废气处理装置。
5.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述变风量送风机组中设置初效、中效过滤装置，所述送风管道末端设置高效过滤器。
6.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述房间控制器通过余风量或室内外压差控制方法保持实验室内部为正压或者负压工况，所述房间控制器还与所述主动式通风柜控制器连锁调节进行实验室的送风、排风控制。
7.根据权利要求6所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述余风量控制方法具体如下：
室内余风量为总送风量与总排风量之差Q，即：
Q＝Q2-Q1
其中，Q1为总送风量，Q2为总排风量；
实验室需求总送风量Q1具体计算如下：
Q1＝MAX(R1×S×H，R2×P，Q3，Q4)
其中，R1为洁净室等房间通风换气次数，S为实验室面积，H为实验室吊顶高度，R2为人均新风需求量，P为实验室内人员数量；Q3为满足热、湿负荷计算确定的送风量；Q4满足补偿排风所需的送风量；
实验室总排风量Q2，根据室内通风柜等局部排风设备和房间要求换气次数综合确定；
实验室总送风量与总排风量满足如下的约束关系：
Q2>Q1
由PID控制算法进行室内余风量的平衡控制，并通过改进萤火虫算法进行PID控制算法的比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数三个参数寻优，保持实验室内部为正压或者负压工况。
8.根据权利要求7所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述改进萤火虫算法具体如下：
将所述PID控制算法的三个参数进行组合运算整定得到控制量，将萤火虫算法的位置矢量对应一组由参数整定得到的控制量，设萤火虫数量为M，则形成M×3的萤火虫寻优矩阵，设定误差积分指标为适应度函数；
获得M只萤火虫个体的初始位置，并按照如下的规则进行更新：
其中，xi,d(t)、xi,d(t+1)分别为萤火虫i在d维第t次迭代和第t+1次迭代的位置，xi′,d(t+1)为第t+1次迭代萤火虫i的位置，f(xi,d(t))和f(xi,d(t+1))分别为xi,d(t)和xi,d(t+1)对应的个体适应度值；
当萤火虫i比萤火虫j更亮时，萤火虫i向j移动，第t+1次迭代d维位置更新公式为：
其中，xi+1(t+1)为萤火虫i第t+1次迭代更新的位置，xj(t)为萤火虫j第t次迭代更新的位置，xi(t)为萤火虫i第t次迭代更新的位置，β0为萤火虫自身吸引力，I0为最亮萤火虫亮度，rij为萤火虫i和萤火虫j的距离，γ为吸引力因子，e为数学常量，g为正相关系数，r为均匀分布在[0,1]的随机数，α是为步长参数。
9.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：所述变风量监控系统在各个动静压转换风仓的出口处设置有压差传感器，监测所述主动式通风柜出口处的压力是否为正压，当监测所述主动式通风柜出口出现负压时，实时联动变频排风机，调整系统风压平衡。
10.根据权利要求1所述的实验室变风量主动式通风系统，其特征在于：还配置主动式送风装置，即在每个实验室房间上部的送风口处，设置可调节风量的送风机，送风机通过房间控制器与主动式排风柜的排风风机联动。
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