浅谈变风量阀门在实验室中的应用

随着国家科研领域的逐步深入发展，对于现代化实验室的建设提出了更高的标准和更全面的要求。实验室既属于风险环境，又是科研人员重要的工作场所，实验过程中会产生大量的污染物和有毒有害气体，通风系统应能快速而有效地排除危害健康的污染物，所以说通风控制系统的建设是保证风险环境安全最重要的一环。过去的几十年里，实验室通风控制系统及高精度变风量阀门都处于一个进口产品垄断的状态，为了实现设计要求，建设出更高标准的风险环境，国内实验室都会大量地采用进口的控制系统及产品。但是，随着我国工业企业技术进步及配套产业链的成熟，中国制造已经在慢慢超越进口产品，足够为风险环境的建设提供更好的系统、产品及服务。近年来，我国科研建筑的建设总量已远超欧美发达国家，因此亟需寻找进口产品的国产替代。埃松自主研发的流量反馈型变风量蝶阀与变风量文丘里阀保留了进口产品的优势，并从设计、生产工艺及材料工艺上深入研究，保证其实际应用的一致性与可靠性。

2.1  阀门原理

流量反馈型变风量蝶阀采用文丘里原理设计，如图1所示，在普通蝶阀的基础上增加风量测量段，形成闭环式压力无关，当管道内压力发生变化，阀门实测管道内风量进行实时反馈，通过自我调节后稳定在设定风量值，实现阀门的压力无关，保证末端的风量稳定。

         

         

           

           

图1  流量反馈型变风量蝶阀

         

         

2.2  阀门特性

（1）阀门采用“文丘里”原理取压方式，风量控制精度±5%，调节比最高可达10：1；

（2）蝶阀通过不间断运行100万次疲劳测试，保证安全无忧使用；

（3）气流阻力小，工作压力范围30Pa～1000Pa；

（4）阀门标配开放式通讯协议，便于接入楼宇自控系统。

2.3  阀门优势

（1）阀门采用模压一体成型，与排风接触的部件均采用高强耐腐蚀改性PP材质制作，可耐酸碱及有机溶剂腐蚀；

（2）阀门及控制盒满足GB 50016-2014《建筑设计防火规范》防火要求，达到难燃级别，并通过UL94-V0，国标V0及GB 8624-B1防火等级认证；

（3）出厂时均标配法兰，便于安装，易于维护；

（4）阀体有加强边框，保证使用多年绝不变形；

（5）阀门出厂前完成所有部件与变风量阀门间的接管与接线，并进行风量测试和标定，便于现场安装调试；

（6）可以直接水平安装或垂直安装，无需返厂重新校准标定。

3.1  阀门原理

文丘里阀是一种压力无关性、高调节比、快速响应型、高精度风量控制阀门，如图2所示，文丘里阀采用文丘里原理制作，外部推杆式执行器带动内部阀杆直线运动，内部椎体结构随阀杆运动改变阀门开口面积。文丘里阀具备机械式压力无关性，椎体结构内的弹簧可以根据管道内的压力变化进行自动调节，保证阀门风量稳定不变。

3.2  阀门特性

（1）阀体采用文丘里效应作为控制原理，风量值在工厂标定（48点）；

（2）铝制阀体，不锈钢抛光阀杆，环氧树脂粉末、酚醛树脂、特氟龙喷涂可选；

（3）阀在150Pa～750Pa工作压力范围内风量与压力无关，同一系统中相邻文丘里阀间的压力无关；

（4）风量控制精确到气流控制信号±5%；

（5）对命令信号变化的响应时间小于1秒；

（6）对风管静压变化的响应时间小于1秒；

（7）阀门标配开放式通讯协议，便于接入楼宇自控系统。

3.3  阀门优势

（1）文丘里阀可将气流控制扩展至最高水平，阀门调节比最大可达20：1；

（2）阀门自带风量线性输出模块，无毕托管式风量测量孔，不易被灰尘或动物毛发堵塞；

（3）阀门含锥体组件，该组件能随时根据系统压力实时调整文丘里阀的打开截面积，使空气流量一直都保持在设定值；

（4）出厂时均标配法兰，便于安装，易于维护；

（5）阀门安装前后无需直管段，对出入口条件无要求。

埃松流量反馈型蝶阀和文丘里阀目前已广泛应用于所有对风量要求高精度的场所，如理化实验室、生物安全实验室、动物实验室、医院和洁净室的送、排风系统，以及实验室排风柜、试剂柜和排风罩的排风系统中。

4.1  变风量排风柜

排风柜是化学实验室重要的排风设备，排风柜操作过程中，需要保持其移门下的开口平均面风速稳定在0.5m/s，因此需要测量移门位置，通过控制器计算得到排风柜的风量，控制相应变风量阀门满足其实时的风量要求。

埃松流量反馈型蝶阀与位移传感器、数显面板组成变风量排风柜控制“三件套”，如图3所示，其原理是“开环+闭环”的变风量控制方式，开环指的是位移传感器直接测量排风柜的门高，通过计算得出所需的排风量，并调节流量反馈型蝶阀的过程，闭环则指的是蝶阀在调节过程中其流量反馈模块可以持续测量管道内实际风量，实际风量与设定值不符时进行反馈调节的过程，这样就可以保证阀门做到反馈型压力无关，与文丘里阀的机械式压力无关所达到的效果一致。

埃松文丘里阀与位移传感器、数显面板的“三件套”控制组合，如图4所示，其原理是“开环”的变风量控制方式，由于文丘里阀的风量出厂标定，因此，当位移传感器测得排风柜移门位置发生变化时，文丘里阀立即响应，进行风量调节，其响应速度更快，调节精度更高。

4.2  理化实验室

理化类实验室需要时刻保持微负压的状态，送风阀门需要实时快速地跟随排风阀门的变化而变化，保证实验室压力的稳定及气流的单向性。理化实验室的压力控制一般有两种方式，第一种为直接压差控制，如图5所示，直接压差控制是通过压差传感器测量实验室内和实验室相邻区域的压差，与设定的压差进行比较后，控制器根据压力偏差，控制变风量送风阀门或变风量全室排风阀门来达到要求的压差值。

第二种控制方式为余风量控制，如图6所示，其原理是保持排风量与送风量之间的差值不变，这个差值称为余风量，从而保证实验室内外产生一定的压差，控制器实时追踪排风量与送风量，保证变风量送风阀门和变风量排风阀门连锁变化，维持余风量的不变。

4.3  生物安全实验室

生物安全实验室是是开展传染病防治、生物防范和应用生物安全研究必备的实验场所，可为实验人员免受病原微生物感染并防止病原微生物泄漏到外环境提供重要的安全平台。因此，生物安全实验室的气流防护至关重要，在实验室环境安全控制上严格做到实验室独立区域设计，功能分区明确，保证实验室洁净环境，人流物流严格分流，设计合理的压力梯度，形成有序的气流组织方向，切实做到避免交叉污染。

以PCR实验室为例，在暖通系统上PCR实验室需设置独立的一套全新风空调系统，不同房间的排风宜设置止回装置，标本制备区的全排生物安全柜需要设置一台专用排风机，压力梯度与通风控制如图7所示，送风设置定风量阀门，排风设置变风量阀门，维持实验室压力梯度的稳定。

4.4  负压隔离病房

自从去年的新冠疫情的爆发到现在的反复出现，以火神山、雷神山为典型的负压隔离病房的建设，让人们充分意识到了负压隔离病房在保护医护人员不受感染、保护患者之间不发生交叉感染以及保护室外环境不受污染的起到的关键性作用。负压隔离病房是采用负压控制对患者和医护人员进行隔离的屏障房间，送排风之间的风量控制与联动是保证负压环境的关键，如图8所示，采用定送变排的控制方式，保证病房、缓冲间及卫生间之间的压力梯度不变。

4.5  动物房

实验动物房是指适宜于饲养、繁育实验动物的建筑物。这类建筑应具有特定的环境要求和实验手段，实验动物房环境的稳定不仅可以保证实验动物的正常繁育和品质，更为重要的是提高实验研究的准确与可靠性，保证更好的科研成果的产出。

以SPF级动物（鼠）的屏障环境为例，采用全新风直流系统的空调方案，如图9所示，为有主机型IVC空调净化系统示意，采用的是定送变排的控制方式。如图10所示，为无主机型IVC空调净化系统示意，工作人员所处的“大环境”采用的是定送变排的控制方式，实验动物所处的“小环境”则是采用的定送定排的控制方式。

4.6  洁净室

GMP要求制药、食品等生产企业应具备良好的生产设备，合理的生产过程，完善的质量管理和严格的检测系统，确保最终产品质量（包括食品安全卫生）符合法规要求。洁净室根据不同的生产工艺流程和其洁净要求，气流组织、压力梯度均需要严格按照规范要求进行设计及建设，保证能够满足生产要求。如图11所示，洁净室暖通系统一般采用一次回风系统，定送变回的控制方式，如有排风设备，则单独设置排风机进行排风。

从排风柜、到实验室和负压隔离病房，均属于风险空间或风险环境，这些风险空间保证安全的关键点在于通风系统的建设，而通风系统的稳定性则在于定、变风量阀门的稳定性，保证排风设备的风量稳定、维持房间的压力梯度稳定都需要阀门发挥出自身的作用与优势，从小小的阀门出发，每一步都选择最合适的产品配置，才能帮助我们设计建设出更加安全、舒适、节能、智能的实验室。