如何正确选择通风柜VAV设备?

发布日期:2020-08-04 来源:软旗科技 分类: 技术文章

 
前言

最近,人们对可变风量(VAV)通风柜控制系统越来越感兴趣【1】。本文将在最基本的意义上定义此类系统。然后将详细说明受通风橱VAV影响的HVAC系统的范围。最后,我将就指定此类系统的最佳方法提出建议,以从所有相关的建筑供应商那里获得最佳的整体成品。

 

图片 典型的VAV系统

(https://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2013-10/)

 

 

 
VAV系统定义和阐释

VAV化学通风柜改变了排出的室内空气量,同时将面风速保持在设定的水平,直至最低的拉门开口。不同的VAV通风柜使用不同的方法改变排气量。排气风门可以根据拉门位置打开或关闭,或者变频风机可以改变风机的RPM来满足风量的要求。减小通风柜排风量(取决于拉门位置)的目的是使实验室设计人员有机会排放较少的经过处理的空气,同时保持适当的工作面风速,节省能源费用并促进可持续性。

 

ASHRAE 110-2016在B3.9节中以以下方式解决了VAV通风柜的问题【2】:

 

“虽然大多数实验室通风柜都安装在CAV系统上,但越来越多的实验室使用VAV供气和排气系统。这些VAV系统可以减少从实验室排出的空气量。确保正确设计,校准和维护VAV系统非常重要。VAV系统与HVAC系统的所有其他组件一样,必须正确运行以确保通风柜的性能不会受到损害。”

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VAV通风柜通过电子方式连接到实验室建筑物的供暖,通风和空调系统(HVAC),因此通风柜的排风量和室内供气量保持平衡。在多个通风柜的房间中,如果无法实现流量平衡,实验室可能会处于正压或负压状态。

 

“不平衡实验室”的场景是指排气和空气供应明显不同的。处于较大正压的实验室区域可能具有潜在的危险,尤其是在该正压实验室中发生事故并且化学挥发物被“吹出”实验室并吹入其他关键空间时。大多数新型VAV通风柜都具有监视器和/或警报器,警告操作人员可能导致不安全污染物控制条件的积极情况【2】。实验室不可接受的正压力的边界水平通常设置为0.1“w.g.(大约每平方英寸0.00036磅[PSI])【3】。虽然可以测量,但是这个数字对于准确测量是一个挑战,并且不知道该值将使实验室人员没有任何警报提醒。

 

实验室压差只是为什么必须准确测量VAV系统中流量的一个示例。下面的实验室示意图中显示的元素,必须进行准确的测量和调整,以确保安全且功能强大的VAV通风柜排气系统【4】:

 

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图1实验室通风柜典型VAV组成部分

(http://ateam.bl.gov/Design-Guide/DGHtm/vavsystems.htm)

 

图1中的四个方框突出显示了任何VAV系统的四个关键要素:

1)红色框显示了通风柜及其VAV阀门。

2)蓝色框显示房间排气VAV阀门。在某些情况下,不包括此阀门,因为室内的排气是由通风橱产生的。

3)绿色框是房间补充空气阀门,房间压差传感器和供应管道。

4)紫色框(圆角)是控制模块。

5)应该补充的是,所示系统使用阀门而不是VFD(可变频驱动)的多RPM排气/供应风扇。VFD设计的使用频率较低,因为它们的响应时间通常无法跟上快速且不可预测的拉门运动的速度。

 

假设方框中的1-3的设计正确,排气响应时间在1-2秒范围内,那么紫色框部分将成为真正的挑战。该压力控制模块必须改变排气量并供应空气,以向通风柜提供设计面风速,同时增加或减少室内补充空气,以使室内静压差略为负。切勿在实验室正压力下错误地将实验室内部大量意外的有毒物质排放而渗入邻近的实验室。

 

在过去的30年中,VAV技术的应用不断增加,通风柜VAV系统已经记录了各种操作问题,类似于图1所示:

1)VAV系统中的元件必须调整传感器/阀门的滞后时间,以使系统不会退化到实验室在高压和低压之间循环的状态。

2)为了实现稳定性,每个元件的响应时间必须足够快,以确保拉门位置的变化将迅速产生稳定,平衡的系统,且通风橱的面风速可接受。

3)鉴于任何VAV系统的定义控制要素是在某个拉门位置达到的实际通风柜面风速,因此面风速测量技术在没有证据表明这种推论在实验室条件下有效的情况下,不应推论地测量。对VAV的最合理的批评是对操作员安全和排气/送气稳定性至关重要的一些相关变量是不经常地被直接测量。这些变量可能包括:

a)通风柜的面风速

b)通风柜的排气CFM

c)总房间排气

d)房间总数

e)房间静压差

 

尽管存在以上讨论的问题,VAV通风柜已经是一种事实,并且日益成为21世纪实验室设计中的一种方式【5,6】。因此,所有制造通风柜的公司都必须提供高效的VAV通风柜,并准备在公开市场上竞争以出售它们,并将其有效地安装到由他人提供给现场的HVAC系统中。

 

从我们的产品(通风柜)的角度来看,这种市场现实需要在指定,购买和划分VAV系统元素之前就已经建立了明确的性能规格和分包商职责。建筑师,机械工程师和HVAC承包商应负责说明每个分包商在实现功能性,稳定和安全的通风柜排气系统方面的职责。该系统必须远远超出独立自主测试的组件的集合。在这样的系统中,至少三个关键要素必须协同工作:

 

1)高效通风柜,密封性强,面风速可控【7】。

2)新风和排风位置正确,以确保室内气流的稳定性。

3)一个自动控制系统,可将每个实验室维持在适当的负压下,而不管通风柜拉门的位置如何。

 

建筑师,机械工程师和HVAC承包商应负责说明每个分包商在实现功能性,稳定和安全的通风柜排气系统方面的职责。

 

 
 
特定VAV排气系统的实际要求

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 系统调试和校准对于安全使用VAV通风柜至关重要

 

研究人员针对指定通风柜VAV系统提出以下建议。这些步骤适用于所有分包商,这些分包商共同负责提供有效的实验室通风系统:

 

1)任何通风柜VAV系统的首要任务必须是安全。在过去的30年中,作者使用定期更新的ASHRAE 110标准参与了通风柜污染物控制标准的制定。该通风柜污染物控制标准的最新版本为ASHRAE 110-2016【8】。该标准特别规定了评估应遵循的VAV系统的方法(第6.2和6.3节)。尽管ASHRAE测试没有通过/失败标准,但ANSI / AIHA Z 9.5-2012使用ASHRAE 110程序将通过/未通过AM(制造测试)测试标准设置为0.05 PPM【9】。

 

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这种未通过的限值引起了一些争议。实验室规划师Jerry Konigsberg认为通过失败的数字太大,而顾问和实验室设计师Gregory Muth认为这太小了。Muth先生指出,通风柜密封的许多应用不应要求0.05 PPM的控制水平标准,而应“更高”【10】。

 

使特定的污染物控制级别更高是有问题的。首先,如果通风柜应用决定污染物控制水平的设置,那么当通风柜应用发生更改时会发生什么?其次,由于降低了设计面风速,因此没有通风柜能从较低的控制值平稳过渡到较高的控制值。相反,污染物控制级别在某些时候突然失效,并产生了数千倍大的新性能等级。像混凝土桥支架一样,如果我们将可接受的测试级别设置为仅高于故障点,我们也会冒险。

 

2)虽然通风柜被认为是传统参数格式中的“家具”,但在现代VAV参数中,必须将其性能作为更大的实验室通风画面的一部分进行评估。为了评估通风柜的防护性能,必须建立适当的空气流通环境,然后使用ASHRAE 110污染物控制测试对通风柜进行验证。VAV系统的许多设计不当或未校准的组件可能会在现场调试测试中引起严重的系统污染物控制问题。这通常意味着通风柜由于排气系统中其他部位的原因而无法工作,并且需要使用其他方法来确定和纠正性能不佳的原因。

 

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▲ASHRAE 110-2016 通风柜污染物控制测试ICT2测试实验室

 

例如,如果排气扇不运转,则通风柜将无法工作。如果传感器不能正确测量流量参数,则通风柜可能无法正常工作。在评估污染物控制性能之前,必须将每个VAV组件与所有其他VAV污染物控制系统输入参数正确地同步。

 

3)最后,整个HVAC合同应包括确保系统稳定性和通风柜污染物控制所需的工作。系统调试是一项团队运动。任何团队都需要领导者。暖通空调难题的所有部分均应正常运行。一位没有考虑过HVAC总体结构的差劲实验室设计人员可能不了解它应该如何工作,并且在建筑物调试中发现新的性能问题时,将无法监督和确定修复方案。

 

图片 ▲实验室交付前的调试,ICT2位于印度的调试项目

 

这种稳定性评估应从本地控制箱开始,并逐步进入系统的每个角落。了解系统动力学至关重要。

 

总而言之,实验室VAV通风柜必须与通风柜排气系统的其他重要组成部分配合使用。阀门,排气扇,传感器,恒温控制和BMS控制实验室压力对于生产安全的实验室排气系统都是至关重要的。

 

如果“让系统运行”不是单方的合同责任,则HVAC系统在实验室项目结束时会轻松产生“偏头痛”。

 

引用
 
 

1. R&D Magazine, 10/21/2009, The Great Fume Hood Debate, Paul Livingstone

2. Dale T. Hitchings, PE, CIH, Laboratory Space Pressurization Control Systems, 2001, http://www.safelab.com/FACT_SHEETS/Pressure.pdf

3. ANSI/ASHRAE Standard 110-2016, Methods of Testing Performance of Laboratory Fume Hoods, March 31, 2016,

4. Wikipedia, Fume Hood, Variable Air Volume.

5. http://ateam.lbl.gov/Design-Guide/DGHtm/vavsystems.htm

6. Greg Muth, Laboratory Design News, Sustainable Lab, 10/12/2015, https://www.labdesignnews.com/article/2015/10/fume-hoods-lab-design

7. Gordon Sharp and Others, R&D Magazine, 2010, Airing Out Laboratory HVAC, pp1-3, http://www.aircuity.com/wp-content/uploads/RD-Magazine_Airing-Our-Lab-HVAC_2010_08_Eprint.pdf

8. ASHRAE 110-2016 and ANSI/AIHA Z9.5 together establish testable minimum safety standards.

9. ANSI-AIHA Z 9.5, Section2.4.1, explanation column.

10. R&D Magazine, 10/12/2015, Fume Hoods in Lab Design, Hock, Lindsay, p 1 of 7, https://www.rdmag.com/article/2015/10/fume-hoods-lab-design

本文作者:Robert K. Haugen

本文翻译:ICT2-林和虎

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