1研究概况高效液相色谱(HPLC)是实验室常用的定性和定量分离分析仪器。HPLC在有机化学、生化、医学、药物临床、化工、食品卫生、环保监测、商检和法检等领域的用途广泛，在生物和高分子试样的分离和分析中发挥重要作用[1]。HPLC主要分为反相色谱、正相色谱、凝胶渗透色谱等。反相色谱的流动相通常使用甲醇和乙腈，相对安全；正相色谱或凝胶渗透色谱中的溶剂使用四氢呋喃、二氯甲烷、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺，需要加强安全和环境管理[2]。HPLC流动相使用试剂均具有一定的挥发性，需要制定针对性地捕集和排除方案，目前最常用的方法是采用万向排气罩对流动相进行局部排风。HPLC属于精密仪器，造价相对较高，对实验室温湿度环境的要求也相对较高，室内温度控制在20~30 ℃，温度波动范围2~3 ℃，相对湿度在60%以下。HPLC实验室中，每台HPLC需配置1个专用的万向排气罩，万向排气罩排风量不大，通常为120~150 m3/h，但其数量较多。万向排气罩技术参数如图1所示。HPLC实验室通风和空调系统具有较高的能耗，必须采取有效的措施帮助通风和空调系统实现节能减排。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.F001图1万向排气罩技术参数2设计案例及应对策略2.1实验室概况以浙江省台州市某制药公司研发中心HPLC实验室为例，实验室面积为285.5 m2，层高4.7 m。实验室采用彩钢板作为隔墙和吊顶，吊顶高度3.0 m。HPLC实验室平面布置如图2所示。其中，实验室配置60台HPLC，每台HPLC配置1个专用万向排气罩。实验室专门配置1套排风系统和1套新风系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.F002图2HPLC实验室平面布置2.2换气次数及风量平衡计算依据《化工实验室化验室供暖通风与空气调节设计规范》（HG/T 20711—2019），处于工作状态的有污染物产生的实验室、化验室，最小换气次数不应低于6次/h，处于非工作状态的实验室、化验室，最小换气次数不宜低于4次/h[3]。HPLC实验室的换气次数要求及风量如表1所示。HPLC实验室万象排气罩运行参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.T001表1HPLC实验室的换气次数要求及排风量实验室状态换气次数/(次/h)排风量/(m³/h)工作状态6.05 139.0非工作状态4.03 426.010.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.T002表2HPLC实验室万向排气罩运行参数项目数值排风量/(m³/h)150数量/个60同时使用率/%16.7~100.0运行风量/(m³/h)1 500~9 000（1）万向排气罩以最低同时使用率16.7%开启运行。HPLC实验室处于工作状态运行时，不满足6次/h的换气次数要求，实验室需设置全面排风，全面排风量为3 639.0 m3/h，余风量取最大运行风量的10%(900.0 m3/h)，则HPLC实验室送风风量为4 239 m3/h。HPLC实验室处于非工作状态运行时，不满足4次/h的换气次数要求，实验室需设置全面排风，全面排风量为1 926.0 m3/h，余风量取900.0 m3/h，则HPLC实验室送风风量为2 526。（2）万向排气罩以最高同时使用率100.0%开启运行。HPLC实验室满足6次/h的换气次数要求，实验室无需设置全面排风，余风量取运行风量的10%(900.0 m3/h)，则此时实验室送风风量为8 100.0 m3/h。2.3控制策略及能耗对比（1）定风量及多段速控制。采用定风量系统控制时，系统的设计和运行均参考最大同时使用率，送、排风的风量分别为8 100 m3/h和9 000 m3/h。采用定风量系统无法满足不断变化的实验需求。局部或小范围HPLC工作时，定风量系统无法对送、排风的风量进行有效控制，造成能源浪费。结合PLC与变频器，通过变频器参数设定和PLC程序设计完成交流电机多段速[4]控制。以1组实验台设置的10个万向排气罩的排风量为1个风量单元，每个风量单元的风量为1 500 m³/h，每个风量单元均由1个起开启和关断作用的电动蝶阀和1个起定风量控制的CAV定风量阀组成。HPLC实验室共有6个风量单元，通过PLC、变频器和HMI人机交互协同及现场调试、测试，送排风系统均以6段速进行变频控制。排风单元开启数量不大于4组时，实验室无法满足6次/h的换气次数要求，需设置全面排风。多段度控制时，系统无法对风量单元位置进行识别，仅对开启数量进行识别并依据开启数量进行变频调节。全面排风的风量单元需按照万向排气罩风量单元相近或相同的风量进行设计并控制。多段速控制在节能方面具有一定的作用，但仍不能满足精确和灵活控制的目标。（2）变风量控制。以1组实验台设置的10个万向排气罩的排风量为1个风量单元，每个风量单元均由1个带风量测量与控制型变风量蝶阀控制，风量控制为0~1 500.0 m³/h。实验室需满足工作模式6次/h和非工作模式4次/h的换气次数要求，实验室需设置全面排风，风量控制为0~3 639.0 m³/h。实验室内所有排风变风量阀和送风变风量阀通过RS485总线Modbus RTU通信协议组网，HPLC实验室控制流程如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.F003图3HPLC实验室控制流程由10个万向排气罩组成的风量单元中有万向排气罩需关闭时，可以通过实验室配置的7寸触摸屏对每一个风量单元的风量进行下发控制，实现风量精确控制。万向排气罩排风单元与实验室全面排风共同保证实验室换气次数不小于6次/h，实验室非工作状态时换气次数不小于4次/h。文中HPLC实验室虽采用彩钢板作为隔墙和吊顶围护结构，具有较好的密封性，但实验室面积较大且实验室门数量较多,，难以建立压力梯度。实验室采用余风量控制方式，通过维持实验室总排风量与总送风量的差值L余风量=900 m3/h，实现HPLC实验室微负压控制目标。L余风量=∑L排风量-∑L送风量 (1)排风机和新风空调箱变频控制采用变静压控制方式[5-6]，万向排气罩风量单元的变风量阀和新风送风变风量阀均具有实时风量和阀位反馈功能，通过RS485总线Modbus RTU通信协议与变静压控制器进行通信，提供实时的风量和阀位信号反馈，实现排风机和新风空调箱变频控制。定、变风量控制系统能耗对比如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.024.F004图4定、变风量控制系统能耗对比对项目实验室进行为期7 d的调查，工作模式下实验室万向排气罩同时使用率不大于50%，非工作模式下实验室万向排气罩同时使用率不大于35%。采用变风量控制系统，工作模式下实验室万向排气罩使用率不大于50%时，实验室排风量比CAV系统节约42.9%，送风量比CAV系统节约47.7%；非工作模式下实验室万向排气罩使用率不大于35%时，实验室排风量比CAV系统节约61.9%，送风量比CAV系统节约68.8%。采用变风量控制系统的HPLC实验室节能效果显著。3结语对高效液相色谱实验室的通风系统进行优化设计，优化后的实验室通风系统控制更加灵活且更具针对性，有效提高了系统利用率并降低了系统运行能耗。分析定、变风量控制方式下HPLC实验室送、排风风量数据，采用变风量控制方式可以解决万向排气罩风量单元排风量精确控制问题，具有显著的节能减排效果。