淨化空調（diào）係統的（de）室內（nèi）壓差控（kòng）製

1 、概（gài）述（shù）
壓（yā）差控製在淨化空調係統中是一個非常重要的環（huán）節。隻有通過對淨化區域（yù）的壓（yā）差（chà）進行控製（zhì），保證合（hé）理的氣流組織，才能達到淨化和工藝的（de）要求。例如潔淨廠房必（bì）須保持一定的（de）正壓使外界未經淨（jìng）化的空（kōng）氣不會進人淨化區（qū）域，保證潔淨級別;並且通過對各淨化區域的不同的壓差控製，達到淨化分區的作用，在GMP中就要求不同淨化級（jí）別（bié）區域的壓差應得到控製不小於+5Pa。在（zài）生物（wù）安全潔淨室中，壓差控製更是保證安全防護屏障的關鍵指標，在《生物安（ān）全實驗室建築技術規（guī）範》中指出必須使實驗室的負壓梯度得到穩定可靠（kào）的控製。因此對於淨化空調係統來說，壓差控製是非常重要的（de）。壓差（chà）控製在實現（xiàn）中（zhōng）是比較困難（nán），特別是在生物安全實驗室中，要得到（dào）並保持、穩定的壓差對於控製工程師而言是一件具有挑戰性（xìng）的任務。因此在設計壓差控製係統時，必須要根據（jù）實（shí）際情況從以下幾個方麵進行分析和確定：①風險分析評估；②定（dìng）風量係統和變風量係統選擇；③壓差控製和餘風量控製方法；④控製（zhì）信號與噪聲的影響；⑤製穩定性（xìng）及響（xiǎng）應速度；⑥建築（zhù）結構對（duì）壓差控製的影響；風管泄漏對壓力控製的影響。首先，必須對壓（yā）差控製的風險進行分析，例如對（duì）於高等級的生物安全實驗室而（ér）言，因為它有生物汙染的高風險，各種（zhǒng）相關的（de）標準都對其有保持穩（wěn）定負壓梯度防止汙染泄漏的嚴格要求，因此（cǐ）控製係統（tǒng）就必須能夠穩定可（kě）靠的實現這（zhè）樣的控製目標。
2、壓差控製方法
對於壓（yā）差控製係統來說，其所達到的結果實質上是對滲人或滲（shèn）出空氣的控製，就其（qí）控製策（cè）略而言可分為被動式和主（zhǔ）動式控製。定風量（liàng）（CAV）是一種被動式的控製方法，它使用手動風量調節閥，通過（guò）簡單的（de）送風和排風平衡，送風（fēng）比排風少（或多）一定的量（餘風量），來達（dá）到所（suǒ）期（qī）望的壓差。在（zài）選（xuǎn）擇定風量這樣的控製策略時必（bì）須認真的考（kǎo）慮（lǜ），因為定風（fēng）量（liàng）係統有突出的局限性。主要有（yǒu）以下幾點：
（1）所有時間，設備必須保持（chí）恒定的送風量和排風量。
（2）不能有任何排風設備（如生物安全（quán）櫃等）增加或減少，靈活性（xìng）差。未來的擴展（zhǎn）會由於係統容量限製而受限。
（3）必須按全負荷設計，要有較大的餘量來彌（mí）補（bǔ）由於過（guò）濾器等造成的送風和排風（fēng）係統（tǒng）性（xìng）能的下降，連續的全負荷運行使能耗極大，因此運行成本非常高。
（4）由於風機係統、過（guò）濾器係（xì）統等（děng）性能下降或（huò）風閥位置改變等情況下，係統經常要重（chóng）新進行風平衡調試，需要大量的維護。
（5）由於在（zài）所有時間都是大風量運行，噪音會過高。因此如果不能接受以上的局限性時，就不應選取這樣的控製策略。 目前 ，通過在（zài）送（sòng）風管和（hé）排（pái）風管上采用壓力無（wú）關型的定風量控製裝置（如文丘裏閥）的定風量係統，在一定程（chéng）度上可以（yǐ）主動的、動態的調節流量（liàng），消除係統靜壓波動造成的對流量的影響，從而保證流量的恒定和控製（zhì）的穩（wěn）定。變（biàn）風量係統（VAV）是（shì）一種主動式的壓力控製策略，它通過電動風量調節（jiē）閥連續不斷的對送風量或排風量進行調節，以保持希望（wàng）的壓力。
2.1 、純（chún）壓差控製（zhì）方法：純壓（yā）差控製方法相對（duì）而（ér）言（yán）簡單明了。其控製原理為：壓差傳感器測量室內與參照區域的壓差（OP），與設（shè）定點（diǎn）（即（jí）期望的（de）壓差）比較後，控製器根據偏差按PID調節算法對送風量（或排風量）進行控製，從而達到要求的壓（yā）差。可（kě）以看出，送風量（或排風量（liàng））是壓差（Δp）、設定點（diǎn）以及PID常數（α，β）的（de）函數。另（lìng）外一種相（xiàng）似的壓差控（kòng）製方法則是根據伯努利原理，利用一個裝在小管內的風（fēng）速探頭，將小管置於潔淨室與參照區之間的開孔中，由於潔淨室內與（yǔ）參照區的壓力差將使空氣從此小管中流過，管中的風速探頭就可傳感潔淨室內與參照區之間的空氣流速，從而根（gēn）據伯努利原（yuán）理利用風速計（jì）算 出潔淨室與（yǔ）參照區的壓差，根據此壓差信號，按照上述的方法（fǎ），控製器對潔淨室的送風或排風（fēng）量進行控製，達到所期望的（de）壓差值，這樣的方法稱為“偽壓差”控製方法。
2.2 、餘風量（氣流追蹤）控製方法：潔淨室的送風量與排風量之間保持一定的風量差（稱為餘風量），必然（rán）會導（dǎo）致潔淨室產（chǎn）生（shēng）一定（dìng）的（de）壓差。餘風（fēng）量（氣流（liú）追蹤）控製即控製係統實時測量風量（送風和排風量）變化，通（tōng）過調節送風量或排風量，動態的達到相應的風量平衡，使送風量和排風量之間（jiān）保持恒定的風量差，從而（ér）維持恒定的壓差。
控製係（xì）統利用氣流測量裝置實時測量送風量和排風量，排風量可以在排風主管上測量，或如圖中在各個單獨的排風上（shàng）進行測量並求和，控製器據此調節送風量，使其追蹤排風量的變化，保持一定的餘風量，從而達到所希望的壓差值。可（kě）以看出餘風量控製是一個開環控製係統。在這裏，餘（yú）風量就是達到（dào）所希（xī）望壓差時滲人或滲出潔淨（jìng）室的空氣流量（單位為CFM ）。負的餘風量即總排風量大於總送風量，它將導致負壓的產生，而正的餘（yú）風量（liàng）則是總送（sòng）風量大於總排風量，它將導致正壓產生。在圖2中的風量等式中，餘風量是定值。但在實際情況下，它是變（biàn）化的，例如當流量傳感器發生偏移時，實際的（de）餘風量也將發生變化。因此，應該考慮（lǜ）選擇足夠大的餘風量來彌補由於圍護結（jié）構氣密程度、風（fēng）管泄漏以及流量測量裝置精度誤差等造成的影響。上述的（de）兩種壓差控製方法，在實際運用（yòng）中都必須按照預定的頻率進行驗證（zhèng）。例如對餘風量控製，每半年就應該進行對設定（dìng）的餘風量進行（háng）校（xiào）正。
2.3 、混合控製係統：由於生物安（ān）全等級（jí）3或4級（jí）的生物安全實驗室的研究和實驗對象非常危險，實驗室（shì）的壓差控製以（yǐ）及氣流方向控製更加重要，必須確保壓差和（hé）氣流（liú）方（fāng）向得到穩定可（kě）靠的控（kòng）製。對於這樣壓差（chà）控製非常關鍵的地方，采用純（chún）壓差控製和餘風量控製兩種方法，混合的控（kòng）製係統是很好的選擇，它可以確保對實驗室壓差穩定可靠（kào）的控製。通（tōng）常的做法是采用（yòng）餘風量控製作為基本控（kòng）製方法，同時加人壓（yā）差傳感器和控製器對餘風量控製係統的餘風量進行設定。當房間特性發生變（biàn）化時，如風管的泄漏以及圍護結構的氣（qì）密性（xìng）等發生變（biàn）化，餘風量也會發（fā）生變化（通常是變大），此時壓差控製係統可以動態的 計算 出一個（gè）合（hé）適的餘風量，以保持穩（wěn）定的（de）壓差控製。同時，一旦餘（yú）風量增加到一個預定值時，係統將發出報警，此時可（kě）能需要對流量測（cè）量裝置進行校正，或（huò）者對風管和圍護結（jié）構的（de）泄漏進行處理，使係統狀態回（huí）到正常範圍內。因此這樣的係統可（kě）以（yǐ）通過對餘風量的監視實現對整個實驗（yàn）室的控製係統、風管係統、圍護結構完整性的監視。
3、穩定性與響應速度
一般（bān）建築技術構成的房間，它（tā）能夠達到的控製壓差約為2. 5Pa，對於測量來說這是一個非常小的壓（yā）差（信號），同樣對於測量傳感器的校正來（lái）說也是非常困難的。由（yóu）於門的開關、生物安全櫃（guì）調節門的移動、人員的（de）運動（dòng）等很多因素造成的擾動（dòng）（噪聲）約可達到25Pa。因此對於純壓差控製而言，其（qí）測量信號與噪聲之比（bǐ）為1:10。這（zhè）樣的情形就如同測（cè）量一個湖泊的（de）液位，要求精度在1厘米，而（ér）湖泊的（de）波浪卻有10厘（lí）米高，如果希望得到的測量值，就（jiù）需要很長（zhǎng）的時間來平（píng）均波峰和波穀。在這樣的情（qíng）況（kuàng）下，如果希望快速的響應就不可能保證精度，精度與速度（或（huò）響（xiǎng）應時間）是矛盾的。對於純壓差控製（zhì）係統，響應時間一般要求在數分鍾以內。因此，很多這樣的控製係統都（dōu）是犧牲穩（wěn）定性來達到響應時間的要求，它在達到穩定控製之前需要（yào）在設定（dìng）點附近波動相（xiàng）當長的時間。不幸的是，係統達到穩定控製的時間往（wǎng）往比擾動發生的（de）頻率長，因此係統可能整天都在波動，直到（dào）人（rén）員下（xià）班、工作結束，不再有擾動發生，係統才能夠（gòu）達到穩定狀態。對於“偽壓差”控（kòng）製係統，其測量對象是空氣流速，它相對（duì）於純壓差控製更（gèng）穩定、更快速（sù）一些，因為（wéi）流速信號和噪音信號是與動壓（yā）的（de）開平方成比例關係，它大約能夠把信（xìn）號與噪聲比（bǐ）提（tí）高（gāo）到1:3。可以看出，測量（liàng）對象的簡（jiǎn）單改變就可以大大改善係統的J性能（néng）。然而，即便如此，噪音依然達到了信號的3倍，當擾動發（fā）生後，控製係統仍需要超過60秒以上的（de）時間達（dá）到穩定輸（shū）出。需要注意的（de）是，由於測量（liàng）氣流速度需要在房間與參照區域（yù）開（kāi）孔，因此這（zhè）樣的控製係統對於很多場合的應用 是（shì）不允許的，例如對潔淨度有較（jiào）高要（yào）求的場合，或高等級的生物（wù）安全實驗室也不應使用。對於壓差和“偽壓差”係（xì）統來說，在（zài）某些條件（jiàn）下會造成嚴重的壓力 問題 ，如在（zài）進行負壓控製時，當潔淨室門打開時，所有的測量信號如壓差和流速都會消失。雖（suī）然一些（xiē）控製（zhì）器（qì）有按照預定時間鎖定輸出的功能來彌（mí）補這樣的問題。然而，當門長時間打開時，壓力控製（zhì）係統就會關閉送風，以便使房間（jiān）回到負壓的設定點。此時，空氣將會從過道（或相（xiàng）鄰區域）被吸人打開的房間，過道（或相鄰區域）的壓力必然下降。而如果其他潔淨室也是（shì）使用過道（或相（xiàng）鄰區域）作為壓差參照點，那麽其他潔（jié）淨室（shì）的壓差控製器也將關閉送風，由此發生連鎖反應，更多的空氣被從過道（或相鄰區域）吸入潔淨室排走，測量壓差值一直不能達到設定，而實際壓力卻（què）在不斷下降。同樣對於正壓控製也會產生類似的問題。可以（yǐ）想像，這將會造成整個潔淨室嚴（yán）重（chóng）的壓力問題。當（dāng）然，對（duì）於那些不要求嚴格房間壓差控製，或風（fēng）險評估對（duì）穩定時間（jiān）以及穩定性沒有較高要求的設施，並在HVAC係統設計（jì）中采取了措施（如采用雙（shuāng）門（mén）互鎖的緩（huǎn）衝間進行隔離）能（néng）夠避免如上述問題發生的情（qíng）況下，采用純壓差控製也（yě）是（shì）可行的。相對而言，餘風量（或流量追蹤）控製係（xì）統的信（xìn）號測量是采用流量測量裝置對送風（fēng）量和排風量進行測量。而送風量和排風（fēng）量通常都是比較大的測（cè）量值，在這樣的情況下，例如信號測量為（wéi）1000CFM，而噪（zào）聲（各種擾動）約能達到1000FM，信號噪（zào）聲（shēng）比可以高達10 : 1。因此，在這樣的情況下，係統可以（yǐ）達到很高的（de）精度、很高的穩定性以及非常迅速（sù）的響應。因（yīn）此在對壓差控製有較高要求的運用中，通常都推薦或（huò）要求使用這樣的控製方法。對（duì）於餘風量控製係統來說，流量測量裝置（zhì）是影響 係統性能（néng）的關鍵裝置。一般常用的流量測量（liàng）裝置（zhì）為風速傳（chuán）感器陣列和（hé）畢托管陣列。這樣的流量測（cè）量裝置有很高的精度.然而一（yī）旦有顆粒附著（zhe）或堵塞在（zài）傳感器上，或傳感器受到（dào）腐蝕的影響（xiǎng）時，其測量就會發生很（hěn）大的偏差。對於畢托管陣列，還必須（xū）注意其在低風速時有很大的測（cè）量誤差，所以應考慮其應用（yòng）範圍。流（liú）量測量裝置的安裝位置同樣（yàng）也需要嚴格（gé）按照（zhào）其技術規（guī）格（gé）的說明進行選（xuǎn）擇，否則同樣會造成測量的誤差。另外，在（zài）目前 有一類流量控製裝（zhuāng）置出現在很多（duō）運用中。它是一種線性的、壓力無關的風量調節閥，能（néng）夠根據閥門位置提供相應流量反饋信號（hào）（例如文丘裏閥），其標定和校正在出廠時（shí）已經由專業供貨（huò）商（shāng）完成。相對於單純的流量測量裝置，這種裝置功能更加的集成（chéng），它在進行（háng）流量控製的同時能夠進行流量（liàng）測量。在實際使用時，這種壓力無關裝置的流（liú）量反饋精度，一般采用備（bèi）份的流量測量裝置進行驗證。當前這樣（yàng）的壓力（lì）無關型風（fēng）量調節閥，已經在（zài）很多要求較高壓差控製（zhì）中取得了成功的應用（yòng）。
4、影響壓差控（kòng）製的（de）其他因素
建築技術對壓差控製的性能和效果有很大的影響，不密閉的圍護結構很難建立起穩定（dìng）的（de）壓力梯度（dù）。它需要有很大的餘風量才能彌補很多的泄漏（lòu），當使用很大的餘風（fēng）量時，將（jiāng）向相鄰空間中抽取（qǔ）（或排出）大量（liàng）的二（èr）次（cì）空氣，因此可能會造成溫度、濕度控製的問題。因此必須使潔淨室有一（yī）個密閉的圍護結構，才能保證相應的壓差和合（hé）理（lǐ）的氣流方向（xiàng）。風管的泄漏也會對餘風量控（kòng）製的精度和性能造成影響。如果在流量測量裝置和潔淨室圍護結構之間，有空氣泄漏出風管或進人風管，將會造成流量測量的誤差從而引起壓力控製（zhì）顯著的偏差。如果是在定壓係統（tǒng）中，這個誤差相對恒（héng）定;但如果（guǒ）係統的靜壓是（shì）波（bō）動的，這個誤差也將會波（bō）動，因此控製係統非常難以采取技（jì）術措施消（xiāo）除這樣的誤（wù）差，從而造成控製性能的惡化。因（yīn）此，必須要求對送（sòng）風和排風管道進行泄漏檢測，允許（xǔ）的zui大泄漏率zui大不應超過0.5。