淨化空調係統（tǒng）的室內壓差控製

1 、概（gài）述
壓（yā）差控製在淨化空調係統中是一個非常重要的環節。隻有通過對（duì）淨化區域的壓差進行控製，保證合理的（de）氣流（liú）組織，才能達到（dào）淨化和工藝的要（yào）求。例如潔淨廠房（fáng）必須保（bǎo）持（chí）一定的正壓使外（wài）界未（wèi）經（jīng）淨化的空氣不會進人淨化區域，保證潔淨級別;並且通過對各淨化區域的不同（tóng）的壓差控製，達到淨化分區的作用，在GMP中就要求（qiú）不（bú）同（tóng）淨化級（jí）別區域的（de）壓差應得到控（kòng）製不小於+5Pa。在生物安全潔（jié）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（wù）安全（quán）實驗室建築技術規範（fàn）》中指出必須使實驗室的負壓（yā）梯度得到穩定可靠的控製。因此對於淨化空調係統來說，壓差控製是非常重要的。壓差（chà）控製在實（shí）現中是比（bǐ）較困難，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（shī）而言是一（yī）件具有挑戰（zhàn）性的任務。因此在設計壓差控製係統時，必須要根據實際情況從以下幾個方（fāng）麵進行分析和確定：①風險分析評估（gū）；②定風量係統和變風量係統選擇；③壓差控製和（hé）餘風量控（kòng）製方（fāng）法；④控製信號（hào）與噪聲的影響；⑤製穩定性及響應速度；⑥建築結構對壓差控製的影響；風管泄漏對壓力控（kòng）製的影響。首先，必須對壓差控製（zhì）的風險進行分析，例如對於高等級的生物安全實驗（yàn）室而言，因為（wéi）它（tā）有生物汙（wū）染的高（gāo）風（fēng）險，各種相（xiàng）關的標（biāo）準都對其有保持穩定負壓梯度防止汙染泄漏的嚴（yán）格要（yào）求，因此控製係統就必須能夠穩定可靠的（de）實現這樣的控製目標。
2、壓差（chà）控製方法
對於壓差控製係統來（lái）說，其（qí）所（suǒ）達（dá）到的結果實質上是對滲人或滲出空氣的控製，就其控製（zhì）策略而言可分為被動（dòng）式和主動式控製。定風量（CAV）是一種被動式的控製方法，它使用手（shǒu）動風量調節閥，通過簡單的送風和排風平衡（héng），送（sòng）風比排風少（或多）一定的量（liàng）（餘風量），來達到所期望的壓差。在選擇定風量這樣的控製策略時必須認真的考慮，因為定風量係（xì）統有突出的局限性。主要有以下（xià）幾點（diǎn）：
（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（néng）有（yǒu）任何排風設備（如生物安全櫃等）增加或減少，靈活性（xìng）差。未來的擴展會由於係統容（róng）量限製而受限。
（3）必須按（àn）全負荷設計，要有較大的餘量來彌補由於過濾器等（děng）造成的（de）送風和排風係統性能的下降，連續的全負荷運行使能耗極大，因此運行（háng）成本非常高。
（4）由於（yú）風機係統、過濾器（qì）係統等性能下降或風閥位置（zhì）改變等情況下，係統經常要重新進行風平衡調試，需要大量的維護。
（5）由於在所有時間都（dōu）是大風量運行，噪音會過高。因此（cǐ）如（rú）果不（bú）能接受以上的局限性時，就不應（yīng）選取這樣的控製策略。 目（mù）前 ，通過在送（sòng）風管和排風管上采用壓力無關型的定（dìng）風量（liàng）控製裝置（zhì）（如文（wén）丘（qiū）裏閥）的定風量係統，在一（yī）定程度上可（kě）以主動的、動態的調節流量，消除係統（tǒng）靜壓波（bō）動（dòng）造成的對流量的影響，從而保證流量的恒定和控製的穩定。變風量係統（tǒng）（VAV）是一（yī）種主（zhǔ）動式的壓力控製策略，它通過電動風量（liàng）調節閥連續不斷的對（duì）送風量或排風量進行調節，以保持希望的壓力。
2.1 、純壓差控製方（fāng）法：純壓差控（kòng）製方法相對而言簡單明了（le）。其控製原理為：壓差傳感器測（cè）量室（shì）內與參照區（qū）域的壓差（OP），與設定點（即期望的壓（yā）差）比較後，控製器根（gēn）據偏差按PID調節算（suàn）法對送風量（或排風量（liàng））進行控（kòng）製，從而達到要求（qiú）的壓差。可（kě）以看出，送風（fēng）量（或排風量（liàng））是壓差（chà）（Δp）、設定（dìng）點以及（jí）PID常數（α，β）的函數。另外一種相似的壓差控製方法則是根據（jù）伯努利原理，利（lì）用一個裝在小管內的風速探頭，將小管置於潔淨室與（yǔ）參照區之間的開孔中（zhōng），由於（yú）潔淨（jìng）室內與參照區的壓力差將使空氣（qì）從此小（xiǎo）管中流過，管中的風速探頭就可傳（chuán）感潔淨室（shì）內與參照區之間的空氣流速，從（cóng）而根據伯努利原（yuán）理利（lì）用風速計算 出潔淨室與（yǔ）參照（zhào）區的壓差，根據此壓差信號，按照（zhào）上述的方法，控製器對潔淨室的送風或排風量進行控製，達（dá）到所期望的壓差值，這樣的方法稱為“偽壓差”控製方（fāng）法。
2.2 、餘風量（liàng）（氣流追蹤（zōng））控製方法：潔淨室的送風量與（yǔ）排（pái）風量之間保持一定的風量（liàng）差（稱（chēng）為餘風量），必然會導致潔淨室產生（shēng）一定的壓（yā）差。餘風量（氣流追蹤）控製即控製係統（tǒng）實時測量風量（送風（fēng）和排（pái）風量）變化，通過調節送風量（liàng）或（huò）排風量，動態的達到相應的風量平衡，使送風量和排風（fēng）量之（zhī）間保持恒定的風量差，從而維（wéi）持（chí）恒定的壓差（chà）。
控製係統利用氣（qì）流測量裝置實時測量送風量（liàng）和排風量，排風量可以在排（pái）風（fēng）主管上測量，或如圖中在各個單獨的排風上進行測量並（bìng）求和，控製器（qì）據此調節送風（fēng）量，使其追蹤排風量（liàng）的變化，保持一定的餘風（fēng）量，從而達到所希望（wàng）的壓差值。可以看出餘風量控製是一個開環控製（zhì）係統。在這裏，餘風量就是（shì）達到所希望壓差時滲人或滲出（chū）潔淨室的空氣流量（單位為CFM ）。負的餘風（fēng）量即總排風量大於總送風量，它將導致負壓的產生，而正的餘風量則是總（zǒng）送風量大於總排風量，它將導致正壓產生。在圖2中的風量等式（shì）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，實際的餘風量也將發生變化。因此，應該考慮選擇足夠大的餘風量來彌補（bǔ）由於圍護結構氣密程度、風（fēng）管泄漏以及（jí）流量測量裝置精度誤差等造成的（de）影響。上述的兩種壓差控製方法，在實（shí）際運用中都必須按照預定的頻率進行驗證（zhèng）。例如對餘風量控（kòng）製，每半年就應該進行對設定的餘風量進行校正。
2.3 、混合控製係統：由於生物安全等級3或4級（jí）的生（shēng）物安全實驗室的研（yán）究和（hé）實驗對象非常危險，實驗室（shì）的壓（yā）差控製以及氣流方向控（kòng）製更加重要，必須確保壓差和氣流方向得到穩定（dìng）可靠的控製。對於這樣壓差控製非常（cháng）關鍵的地方，采用純壓差控製和餘風量控製兩種方法，混合的控製係統是很好的選擇，它可以確保對（duì）實驗室壓差穩定可靠的控製。通（tōng）常的（de）做法是采用餘風量控製作為基本控製方法，同時加人壓差傳感器（qì）和控製器對餘風（fēng）量控製係統的餘風量進行設（shè）定。當房間特（tè）性發生（shēng）變化時，如風管的泄漏以及圍護結構的氣密（mì）性等發生（shēng）變化（huà），餘風量也會發生變化（通常是變大），此時壓差控製係統可以動態（tài）的（de） 計算 出一個合適的餘風量，以保（bǎo）持穩定的壓（yā）差控製。同時，一旦餘風量增加到一個預定值時，係統將發出報警，此時可能需要對流量測量裝置進行校（xiào）正，或者對風（fēng）管和圍護結構的泄漏進行處理，使（shǐ）係統狀（zhuàng）態回到正常範圍內。因此這樣的係統可以通過對餘（yú）風（fēng）量（liàng）的監視實現對整（zhěng）個實驗室的控製係統（tǒng）、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（gòu）成的房（fáng）間，它能夠達到的控製壓差約為（wéi）2. 5Pa，對於測量來說這是一個非常小的壓差（信號），同樣對（duì）於測量傳感器（qì）的校正（zhèng）來說也是非常困難的。由於門的開（kāi）關、生物安全櫃調節門的移（yí）動、人員的運動等很多因素造成的擾動（噪聲）約可達到25Pa。因此對於純壓差控製而言，其測量信號與噪（zào）聲之比為1:10。這樣的情形（xíng）就如同測量一個（gè）湖泊的液位，要求精度在1厘（lí）米，而（ér）湖泊的波浪卻有10厘米高，如果希望得（dé）到的測量值，就需要很長的時間來平均波峰和波穀。在這樣的情況（kuàng）下，如果希望快速的（de）響應就不可能保證精度，精度（dù）與速度（或響應時間（jiān））是矛盾的。對於純（chún）壓差控製係統，響應時間一般要求在數分鍾（zhōng）以內。因此，很多這樣（yàng）的控製（zhì）係統都是犧牲穩定性來達到響應時間的要求，它（tā）在達到（dào）穩定控製之前需要在設定（dìng）點附近波動相當長的時間。不幸的是，係統達到穩定控製的時間往往比擾動發生的頻率長，因此係統（tǒng）可能整天（tiān）都在波動（dòng），直到人員下（xià）班、工作結束，不再有擾動發生（shēng），係統才能夠達到穩定狀態。對於“偽壓差”控製（zhì）係統，其（qí）測量對（duì）象是空氣流速，它相對於純壓差控製更穩定、更快（kuài）速一些，因為流速信號和（hé）噪音信（xìn）號是與動（dòng）壓的開（kāi）平方成比（bǐ）例關係，它大約能夠把信號與噪聲比提高到1:3。可以（yǐ）看出，測量對象的簡單改變就可以大大改善係統的J性能。然而，即便如此，噪音依（yī）然達到了信號的3倍，當擾動發生後，控製係統仍需要超過60秒以上的時間達到穩（wěn）定輸出。需要注意的是，由（yóu）於測量氣流速度（dù）需要在房間與參照（zhào）區域開（kāi）孔（kǒng），因此這樣（yàng）的控製係統對於很多場合的應用 是不允（yǔn）許（xǔ）的（de），例如對（duì）潔淨度（dù）有較（jiào）高要求的場合（hé），或高等級的生物安全（quán）實驗室也不應使用。對於壓差和“偽（wěi）壓差”係統來說，在某些條（tiáo）件下會造成嚴重的壓力 問題 ，如在（zài）進行（háng）負壓控製時，當（dāng）潔淨室門打開時，所有的測量信號如壓差和流速都（dōu）會消失。雖然一些控製器有按照預定時間鎖定輸出的功能來彌補這樣的問題。然而（ér），當門長時間打開時，壓力控製係統就會關閉送風，以便使房間（jiān）回到負壓的設定點。此（cǐ）時，空（kōng）氣將（jiāng）會（huì）從過道（或相（xiàng）鄰區域）被（bèi）吸（xī）人打開的房間，過道（或相鄰區（qū）域）的壓力必然下降。而如果其他潔淨室也是使用（yòng）過（guò）道（或相鄰區域）作為壓差（chà）參照點，那麽其他潔淨室的壓差（chà）控製器也將關閉送風，由此發生連鎖反（fǎn）應，更多的空氣被（bèi）從過道（或相鄰區域）吸（xī）入潔淨室排走，測量壓差值一直不能達到設定，而實際壓力卻在（zài）不斷下降。同樣對於正壓控製也會產生類似的問題。可以想像，這將會造成整個潔淨室嚴重的壓力問（wèn）題。當然，對於那些不要求嚴格房間壓差控製，或風險評估對穩定時間以及穩定性沒有（yǒu）較高要求的設施，並（bìng）在HVAC係（xì）統設計中采取了措（cuò）施（如采用雙門互鎖（suǒ）的（de）緩衝間進行隔離（lí））能夠避免如上（shàng）述問題發生的情況下，采用純壓差控製也是可（kě）行的。相對而言，餘風量（liàng）（或流量追蹤）控製係統的信號測量（liàng）是采用流量（liàng）測量裝置對送風量和排風量（liàng）進行測量（liàng）。而送風量和排風量通常都是比較大的測量值，在（zài）這樣的情況下，例如信號（hào）測量為1000CFM，而噪聲（各種擾動）約能（néng）達（dá）到1000FM，信號噪聲比可以高達10 : 1。因此，在這樣的（de）情況（kuàng）下，係統可以達到很高的精度、很高的穩（wěn）定性以及非（fēi）常迅速的響應。因此在對壓（yā）差控製有較高要求的運用中，通常都推薦（jiàn）或要求使用這樣的（de）控製方法。對於（yú）餘風量控（kòng）製係統來說，流量測（cè）量裝置是影響 係統性能的關鍵裝置。一般常用的流量測（cè）量裝置為風速傳感器陣列和畢托管陣列。這樣的流量測量裝置有很高的精度（dù）.然而一（yī）旦（dàn）有顆粒（lì）附著或堵塞在傳感器上，或傳感器受到腐蝕（shí）的影響時（shí），其測量就會發（fā）生很大的偏（piān）差（chà）。對於畢托管陣列，還必（bì）須注意其在（zài）低風速時有很大的測量誤差，所以（yǐ）應考慮其應用範圍。流量測量（liàng）裝置的安（ān）裝位置同樣也需要嚴格按照（zhào）其技術規格的說明進（jìn）行（háng）選擇，否則同樣會造成測量的誤差（chà）。另外，在目前 有一類流量控製裝置（zhì）出（chū）現在（zài）很多運用中。它是一種線性的、壓力無關的（de）風量（liàng）調節閥，能夠根據（jù）閥門位置提供相（xiàng）應流量反饋信號（例如文丘裏閥），其標定和校正在出廠時已經由專業供貨（huò）商（shāng）完成。相對於單純的流量測量（liàng）裝置，這種裝置功能更加的集成，它在進行流量控製的同時能夠進行流量測量。在實際使用時，這種壓力無關裝置的流量反饋精度，一般（bān）采用備份的流量測量裝置（zhì）進行驗證。當前這樣的壓力無關型風量調節閥，已經在很多要求較高壓差控製中（zhōng）取得了成功的應用。
4、影響壓差控（kòng）製的其他（tā）因素（sù）
建築技（jì）術對壓差控製（zhì）的性能和（hé）效果有很大的影響，不（bú）密閉（bì）的圍護結構很難建立起穩定的壓力梯度（dù）。它需要有很（hěn）大（dà）的餘風量才能（néng）彌補很多的泄漏，當使用很大的（de）餘風量時（shí），將向相鄰空間中抽取（或排出）大（dà）量（liàng）的二次空氣，因此可能會造成溫度、濕度控製的問題。因此必須使潔（jié）淨室（shì）有一個密閉的圍護（hù）結構，才能（néng）保證相應的壓差和合（hé）理的氣流方向。風管的泄漏也會對餘風量控製的精度和性能造成影響。如果在流（liú）量測量裝（zhuāng）置和潔淨室圍護結構之間（jiān），有空氣泄漏出風管或進人風管，將會造成流量測量的誤（wù）差從而引起壓力控製顯著的偏差。如果（guǒ）是在定壓係統中（zhōng），這個誤差相對恒（héng）定;但（dàn）如果係統的靜壓是波動的，這個誤差也將會波動，因此控製係統非常難以采取（qǔ）技術措施消除（chú）這樣的誤差（chà），從而造成控製性能的惡化。因此，必須要求對送風和排風管道進行泄漏檢測，允許的zui大泄漏率zui大不應超過0.5。