Phoenix 在理化实验室控制方案说明.doc

目 录PHOENIX CONTROLS公司简介1第一部分 实验室气流控制系统特点2第二部分 PHOENIX CONTROLS3实验室气流控制系统相关产品介绍3第三部分 实验室内气流控制介绍7第四部分 理化类实验室气流控制设计综述10第五部分 理化类化学实验室方案12第六部分 实验室HVAC系统投资分析18第七部分 PHOENIX客户调查19附录22Phoenix控制公司是美国设计和生产精确风量控制系统的著名领导者，以实验室通风中的变风量控制最为著名。公司于1985年成立至今，一直专注于为可能产生危险气体的室内环境提供最安全、最可靠、最节能的气流控制解决方案，并公认为是全球该领域最佳系统供应商。客户从研发中心、政府的研究机构、制药业的大公司、大学、医院，直至制造业。通过革命性的变风量控制技术，向客户提供最安全和最节能控制方案。其系统在化学、生物实验室、动物饲养设施、医院的隔离病房、手术室、制药厂的生产区域、洁净室以及生物危险领域得到了广泛应用，实实在在地为客户降低前期投入成本，减少运行、维护费用，受到用户的一致好评，并多次获得实验室年度大奖，美国国家制冷空调学会等奖项。作为全球第一家专注于风险环境控制的公司，Phoenix控制公司始终锐意进取，不断推出独创性的全球最尖端的控制系统。经过20年的发展，已经在全世界完成超过15,000个工程，安装文丘里阀超过480,000个，全球市场份额达到42。 第一部分 实验室气流控制系统特点11实验室的安全性安全因素包括保障实验室内操作人员安全，以及保障实验室周边环境安全两个部分。各国对于实验室安全都有较为详细的规范，包括通风柜的面风速控制及实验室的换气和压力控制等部分，安全是实验室最为重要的目标之一。为了保障实验室内操作人员安全，我们需要对各种实验设备的气流进行精确、快速的控制，保证实验当中产生的有毒、有害气体不会溢出而危及人员安全。通过实验室压力控制保证周围环境的安全。12 实验室气流控制系统的节能在能源问题越发紧张的今天,节能已经成了实验室管理者非常关心的问题。通常的商用建筑物， 新风比为15，而对于实验室，为了保证系统的安全性通常采用100全新风，且为保证实验条件，通风系统24小时连续运行，能耗巨大（通风空调系统的能耗通常为普通商用建筑的10100倍）。因此，必须在保障安全的前提下，尽量降低能耗。13 实验室的运行维护要保证实验室控制系统的稳定，控制系统必须简单可靠。过于复杂的系统，往往需要定期维护，维护程序复杂，并且费用高。Phoenix气流控制系统，工作原理简单可靠、产品性能稳定，不需定期维护。为了便于日后的管理和维护，实验室控制系统应能方便的与楼控系统集成，有开放的网络平台，具有监控能源使用状况、报警、安全分析等功能。14 系统的灵活性良好的控制系统的设计应该尽量考虑日后用户对使用功能的可更新功能。改造和扩建中通风柜等设备的增减、移位，以及实验室压力极性的变换，Phoenix控制系统都可以方便的进行调整，系统的扩容性良好。15 实验环境的健康、舒适保证实验室合适并且稳定的温、湿度，气流稳定无异味，为实验室的工作人员提供一个健康、舒适的工作环境，以提高工作效率。第二部分 Phoenix Controls实验室气流控制系统相关产品介绍21文丘里风量控制部件Phoenix文丘里风量控制阀为实验室提供性能最好、最安全的气流控制。Accel®型风阀将机械的、压力无关的调节器与告诉定位控制器结合在一起，满足实验室气流控制的独特要求。响应速度小于1秒高度可靠性精确控制且可重复功能可调比大，节约能量低噪音安装简易，调试方便图21 变风量送风文丘里阀文丘里风量控制阀工作原理压力无关性所有的Phoenix控制公司的文丘里阀都根据静压的变化调节以维持固定的空气流量。每个阀门都有一个文丘里阀体和一个锥体组件组成，锥体内置一个不锈钢弹簧，如下图所示。这一组件随时根据系统压力的变化，调整文丘里阀的打开面积，使空气流量一直都保持在设定值。文丘里阀锥体上的静压低时静压低时(如左图a)，施加在锥体上的力较小，锥体中的弹簧压缩程度小，锥体与阀体的开口面积较大。低压力与较大的打开面积保持了恒定的设定流量。文丘里阀锥体上的静压高时当阀体两端压差增大时（如左图b），施加在锥体上的力增大，弹簧压缩并且在压力的作用下，向阀内移动。锥体与开面积减小；较高压力与较小开口面积的组合保持了恒定的设定风量。（a）(b)图22 文丘里阀内部结构图22通风柜控制系统通风柜控制系统包括：调节窗位移传感器（垂直型VSS），通风柜面风速监视器（Fume Hood Monitor），文丘里排风阀（带防腐涂层），以及区域状态传感器（Zone Presence Sensor，可选配）组成。位移传感器（VSS）安装于通风柜调节门上，感应通风柜的调节窗位置，计算通风柜的开度，将电位计信号输入通风柜监控器，通风柜监控器计算排风量（如选用ZPS，可计算无人状态排风量)，输出010V电信号，控制排风柜排风阀动作，文丘里阀小于1秒的响应速度，精确控制通风柜的排风量，从而保证通风柜恒定的面风速。自适应控制（UBC）：Phoenix控制公司设计的这种系统可在减小建筑机械设备容量的同时显著降低风险。系统通过安装在通风柜上方的区域状态传感器（Zone Presence Sensor）检测出通风柜前的监测区域人员的出现情况。当没有人时，系统将通风柜面风速设定为安全的待机状态（0.3m/s）；当有人出现在监测区时，系统立即（1秒内）将面风速增加到面风速的安全值（0.5m/s）。这意味着只有在通风柜被占用时才使用较高的排风流量 即仅用于有人存在的时候。当操作人员离开时，流量就被减小，以降低能耗。即使操作员一天都让通风柜调节窗开着，(根据国外的实际使用状况统计，典型的通风柜占用时间1小时),。因此在一天的多数时间里通风柜都在待机的模式下工作，此种模式下面风速为0.3m/s,而不是0.5m/s,这减少了40的排风量。23实验室气流控制系统设备介绍调节窗传感器 调节窗传感器是感应通风柜的调节窗位置，进而计算其开度的传感器。与通风柜监控器、风量控制阀共同使用，控制通风柜保持恒定的进口风速。 通风柜监控器 通风柜监控器是通风柜排气系统使用的数字指示调节装置。通过测量调节窗的开度，计算安全的排气风量，向风量控制阀（Accel II）输出维持风量控制信号。并且，通ZPS检测通风柜前是否有人，进行风量的切换。监控器面板具有:状态显示(标准/待机状态)面风速显示（限FHM630型）报警功能 （压差报警、风量报警、断电报警）FHU430型 FHU630型文丘里风量控制阀（Accel II） 通过反应速度小于1秒的高速控制，精确控制风量，防止有害气体的扩散。 不受管道内的静压变化的影响 不需要直管道，可根据需要水平/垂直安装低噪音设计在工厂定制并进行风量精确标定安装、调试方便，免维护路由器·中继器模块 路由器和中继器模块优化Celeris II系统的LonTalk*1通讯。*1：LonTalk是美国Echelon公司的注册商标。 路由器：房间级别的网络连接的Celeris II阀（节点）作为组（子网），与大楼级别的网络分离。 中继器：大楼级别的网络的通讯距离超过130m时，需要延长时使用。中继器的台数没有限制。 区域状态传感器（Zone Presence Sensor） 可选部件区域状态传感器（ZPS），用于检测通风柜前是否有人进行操作。有人时，ZPS使系统处于通常状态，维持通风柜进口风速为0.5m/s。没有人时，迅速切换到待机状态，降低进口风速到0.3m/s。 第三部分 实验室内气流控制介绍31 实验室气流控制方式简介实验室的气流控制经过将近四十年的发展由最初的定风量系统，经历了双稳态、变风量，直至今日发展为自适应控制系统， 从实验室的安全性、节能以及系统控制的稳定性都得到了全面的发展。311 定风量控制（CV）CV出现于上世纪40年代，无论通风柜调节窗开度如何，风量始终保持一定。系统特性：控制简单，但进口风速会随着调节窗位置而不断变化，安全性能差，而且能耗惊人。 312双稳态控制（Two-State）当人们逐渐意识到定风量系统在安全性和能耗性上的缺陷之后，双稳态控制也就应运而生了。此种控制系统只有高风量与低风量两种状态，其典型的应用为，在夜间或者实验室内没有操作人员时，将系统以低风量运行。可以在一定程度上降低能耗，同定风量系统一样，其抵抗外扰的能力仍然较差，同时在工况转换时室内压力波动大。 313变风量控制（VAV）随着控制技术的不断发展，出现了变风量控制系统。变风量控制是通过实验室内通风柜开度的变化调节系统的送、排风量，从而保障无论调节窗开度如何，始终可以精确控制通风柜进口风速为0.5m/s。系统安全性提高，适应性强，可以在充分保障安全的前提下降低能耗，但是对阀门的控制精度和反应速度的要求高。314自适应控制（UBC）在二十世纪末，出现的自适应控制系统（Usage Based Control）,是在VAV系统的基础上，通过在通风柜和生物安全柜上安装探测器，以监测通风柜或者生物安全柜前是否有人活动，当有人操作时，保持进口风速恒定为0.5m/s，以此保障操作者的安全，而如果通风柜前无人进行操作时，则将进口风速降低为0.3m/s。采用此种控制方式，可以在使用VAV系统的基础上，再次大幅降低能耗。 32 通风柜气流控制Phoenix的通风柜气流控制采用位移传感精确风量控制阀的控制系统，通过测量通风柜的开口面积，计算出通风柜的排风量，通过高速执行器控制阀体动作；Phoenix变风量阀在出厂前经过精确标定，保证设定风量的准确率在5以内。V（W×H）×vV排风量W通风柜宽度H开口高度v通风柜设定的面分速（0.5m/s；UBC系统在无人时设定0.3m/s）第四部分 实验室气流控制设计综述41 设计依据系统设计遵循美国标准，主要有：ANSI/ASHRAE 110-1995: Method of Testing Performance of Laboratory Fume Hood.ANSI/AIHA Z9.5: “American National Standards for Laboratory Ventilation”ASHRAE 1995 Handbook HVAC Application (Inch-Pound Edition). NFPA45-2000: Standard on Fire Protection for Laboratories Using Chemical. “Occupational Exposure to Hazardous Chemicals in Laboratories” CFR 29, Part 1910, 1450, 1988.SEFA 1-2002, “laboratory Fume Hoods Recommended Practices”42 实验室的气流控制的独特要求·确保通风柜对实验中有害物质的防护安全的面风速控制·确保房间压力可靠的气流流向控制·最小通风量适当的换气量控制·非占用情况下保证通风量在最小安全值降低能耗的方案·保证实验室工作环境的满足一定的舒适性要求。43 实验室的控制性能要求根据以上要求，实验室气流控制系统必须达到的控制性能：通风柜调节门处于任何位置都要保证通风柜调节门开口面风速为0.5m/s，以保证实验工作人员的安全；没有操作人员使用通风柜时，面风速自动降低为0.3m/s（UBC系统，选用）；送、排风系统响应时间快。保证通风柜调节门移动过程中，面风速不会超出控制范围。排风量变化时，送风量迅速响应，以保证实验室内的压力稳定；风量控制阀精度足够高，以保证控制的准确、可靠；系统设计要考虑到建筑空间有限，管道密集安装和维护的方便性，系统设计尽量简单，维护量小。44 对风量控制部件要求风量控制阀响应速度快（小于1秒）；与压力无关的风量控制阀门；通风柜面风速控制应根据调节门开度，直接将阀门控制排风量，系统前馈控制，稳定可靠；出厂标定控制风量和反馈风量，减少现场调试工作量。同时确保风量控制信号和风量反馈信号一致，以实现控制风量与设计风量的一致；风量控制精度应满足一定要求（5以内）；阀门风量控制范围应足够大，阀门最大控制风量与最小控制风量之比应达16:1以上；阀门安装和控制应无直管段长度要求；无测压传感装置，不需要定期清洗、校验。第五部分 理化类化学实验室方案Phoenix为化学实验室提出如下气流控制解决方案：5.1基本设计方案选用反应速度快（响应时间<1秒），控制精度高（±5）的文丘里风量变风量阀控制通风柜的排风，保证通风柜的面风速恒定；对化学通用实验室的气流控制系统进行合理划分，合理考虑系统的参差性，减少设备容量，降低初投资；对实验室内的气流组织进行优化 合理布置实验室内送、排风设备安装位置，更好的保证通风柜使用者的安全和环境的安全。5.2通风柜控制原理 图51 通风柜控制原理图将通风柜调节门的位置信号和ZPS监测到的运行状态（有人/无人）信号接入通风柜面风速监视器（FHM具有面风速显示，运行状态显示，报警等功能），经FHM计算通风柜排风量后，输出一定的电位计信号至排风控制阀，实验室内的多台排风柜数字排风阀串联，计算总排风量从而实现送、排风阀的联动（详见下图）。5.3实验室的控制思路注：将实验室合理划分为不同系统，。通风柜控制如5.1.2所述，各通风柜排风阀信号连接，计算得出实验室送风风量，控制送风阀风量，保持恒定的设定余风量值，保证实验室内外压差。房间级控制器（阀的控制信号、温湿度传感器信号等）通过路由器连到通讯干网上，使系统集成和访问易于实现。LonTalk网络上的设备给网络上其它节点发送信息，并且接收来自于这些网络节点的信息。通过网关将各房间级控制信号连接到BAS。方便系统的管理和维护。5.4 可实现的控制标5.4.1安全性通过位移传感器和Phoenix文丘里阀体小于1秒的迅速响应，保证通风柜面风速的恒定（0.5m/s）,保证实验过程中通风柜内产生的有毒、有害气体迅速排出，不会产生柜内气体的外逸的现象。保证实验室工作人员的安全，特别对于长期从事实验工作的人员生命、健康起到保护作用。响应时间长会严重影响实验室安全，控制系统响应时间大于3秒无法保证通风柜调节窗位置变化时，通风柜的安全性。响应速度<1秒 调节窗位置改变， 柜内气体无外溢，安全操作响应速度>3秒调节窗位置改变，柜内气体外溢，危及操作者安全 5.4.2节能性有效保证了实验室的安全的基础上，使用Phoenix公司独特的区域状态传感器，自动在柜前有人和无人状态下切换排风柜面风速，（有人使用0.5m/s，无人使用0.3m/s），从而减少系统的送、排风量，大幅降低能耗。5.4.3降低初投资利用Phoenix文丘里阀体压力无关的特性，将1824台通风柜排风并入同一排风系统，利用参差性的设计理念，缩小系统设备的容量，提高设备的利用率，将送、排风机组、空气处理设备及其他辅助设备降低为11套，降低了设备的初投资。5.4.4运行费用实验室通风空调系统的运行能耗巨大，运行能耗的费用约占整个实验室使用生命周期成本60。采用VAV控制系统，降低了实验室通风空调系统的能耗。若采用UBC系统，更可大幅降低能耗。UBC运行成本可以比传统VAV系统节省30左右。通风柜前有人操作时，保证通风柜面风速0.5m/s(100fpm) 通风柜前无人操作时，通风柜面风速自动降低至0.3m/s(60fpm) *通风柜前无人进行操作时，面风速0.3m/s即可以保证安全。UBC系统可以充分保障实验室安全；并大幅降低成本，包括初期一次性投资和运行成本，运行成本可以比传统VAV系统节省30左右。5.4.5稳定性、免维护Phoenix的通风控制系统，控制原理简单，产品性能稳定，安装简便，无需定期维护校验，大大的降低了运行维护成本。阀体、控制系统工作原理简单，产品性能可靠，维护工作量少。送风集中处理便于过滤器更换、风机等设备的维护，系统运行稳定可靠。第六部分 实验室HVAC系统投资分析选择Phoenix实验室气流控制系统，不但提高了通风柜使用的安全性，更可以减少系统设备的容量，减少初投资，降低日后的运行能耗，以及运行维护费用。实验室整个使用生命周期内的成本，不仅包括了初投资，还包括了运行能耗的巨大费用以及必要的设备维护费。图61 实验室使用生命周期内成本分析说明：实验室通风控制系统包括空调设备及控制系统，使用寿命在1015年，上述计算结果取通风空调系统使用寿命12年。因此，从实验室的使用生命周期计算，使用Phoenix的VAV通风控制系统降低了运行能耗以及运行维护费用。因此，设备初投资部分增加的费用大约在23年可以收回。从实验室整个使用周期，UBC系统的整体投资将更优于VAV系统。从以上数据分析，实验室采用Phoenix VAV系统不但可以保证操作人员的安全（小于1s的反应速度，迅速排出实验中产生的有害气体），更可以降低使用能耗。第七部分 Phoenix客户调查Phoenix公司在美国、欧洲、亚洲等地区为各类大学的实验中心提供整体实验室气流控制系统解决方案，除了安全方面有很大的好处以外，采用菲尼克思的通风控制系统还能大大地降低总体成本。这就是世界数以前几的用户得出的结论。这也是为什么菲尼克斯拥有实验室通风业界中最大客户群的原因。不论是新建或改建的工程， Phoenix都能针对不同用户的实际需求确定最合理的解决方案，提供最安全、节能的系统，用户对实际的使用效果也十分满意。以下是一些典型的实验室设计、应用中存在一些无法解决的问题，Phoenix控制系统成功的解决了一系列问题，得到用户认可的案例。Brighan Young 大学项目特点：旧楼改造工程。以前采用的是定风量系统，通风柜的数量不能满足实际使用的需要，但吊顶空间不足，原有通风系统不能满足增加实验室通风柜的需要，因此Phoenix提出采用采用UBC系统，利用参差系数大大降低了系统设备的容量，可以充分利用原有设备，很好的解决了问题。Cliff Riley， BYU设备管理者 “The system has required very little maintenance, and we have a lot of confidence in its performance.”Phoenix 的系统几乎不需要维护，我们对其产品非常有信心。Dr. Francis Nordmeyer, 化学学院主任，“It has met all our expectations and effectively controls the environment around the reactions.”Phoenix的系统完全达到了我们的预期希望值，它能有效的控制（实验的化学）反应过程中周围的环境。David Coon Facilities Director 设备管理主任“I would never go back to using a constant volume system.”我再也不愿意回到过去的定风量系统了。Richmond UniversityJulian Morgan, University of Richmonds Control ManagerRichmond 大学控制主管“ Since it installation three years ago, it has not required any rebalancing. For sixty fume hoods, this amounts to a savings of about $10,000.”自从3年前我们安装了Phoenix系统，该系统从来不需要重新调平衡。对于60台通风柜，这意味着大约节省了1万美金。Vertex PharmaceuticalsKoji Kubota, Vertex Pharmaceuticals 设备主管“I would like the (Phoenix Controls) system just for the safety and technology. But I think the energy savings is great as well. It will go in my next facility. 我喜欢Phoenix控制系统，因为它的安全和技术。但我想使用中我觉得它能节省能耗这一点也非常重要。在以后的设备选择上我将继续选用它（Phoenix Controls）。MillikenSteven Brown高级开发工程师“ To add so many hoods without this type of control, would have resulted in walls caving in.”如果没用这样的控制方式（Phoenix的参差性设计），我们将对增加如此多的通风柜束手无策。附录中国大陆Phoenix控制公司客户名单（部分）通用电气（中国）研发中心杜邦公司（上海）霍尼维尔（中国）特殊材料研发中心上海BASF聚氨酯有限公司研发中心3M中国有限公司帝斯曼中国研发中心无锡阿斯特拉制药有限公司苏州惠氏-百宫制药有限公司诺华制药有限公司强生制药罗氏制药欧莱雅上海研发中心中科院上海有机所中关村生命科学园北京生命科学研究所复旦大学实验动物房南京大学国家重点实验室上海实验动物平台上海雅培制药厂可口可乐（松江）上海市进出口检验检疫局北京市进出口检验检疫局深圳药检所广东省进出口检验检疫局中国疾病预防控制中心传染病预防控制所P3建筑群中国疾病预防控制中心性病艾滋病研究所P3建筑群中国疾病预防控制中心病毒研究所P3建筑群国家动物疫病诊断液制备中心（血清库）中国医学科学院血液学研究所江西省疾病控制中心（CDC）福建三明市疾病控制中心（CDC）广州市疾病控制中心（CDC）上海市疾病控制中心（CDC）广东省中山市疾病控制中心（CDC）成都市疾病控制中心（CDC）天津疾病控制中心（CDC）江苏省疾病预防中心（CDC）云南省疾病控制中心（CDC）伊藤生命科技（上海）有限公司Huntsman联合异氰酸酯化工项目安利公司（广州）深圳海王药业神州药业上海协和氨基酸有限公司北京天坛生物制药股份有限公司海南新大洲一洋药业有限公司厦门北大生物园军事医学科学院实验大楼军事医学科学院实验动物中心上海中医药创新园北京垂杨柳医院山东肿瘤医院广州市检验检疫局中石化集团100万吨乙烯 宁波台塑乙烯宁波中石油集团 新疆内蒙古自治区兽医工作总站北京大学南京大学国家重点实验室神威药业扬子江药业药物研究院浙江中烟工业公司技术中心杭州赛诺菲药业有限公司中国科技大学动物科学学院宁波药品检验所