1概述

　　壓差控制是清潔空調(diào)系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。只有控制凈化區(qū)域的壓差并確保合理的空氣分配，才能滿足凈化和工藝要求。例如，潔凈車間必須保持一定的正壓，以使未凈化的外部空氣不會進入凈化區(qū)域以確保潔凈度;通過對每個凈化區(qū)域的不同壓差控制，可以達到凈化區(qū)的作用。在GMP中，要求將不同凈化水平區(qū)域的壓力差控制在不小于+ 5Pa。在生物安全潔凈室中，壓力差控制是確保安全防護屏障的關鍵指標。在“生物安全實驗室建筑技術規(guī)范”中，指出必須穩(wěn)定可靠地控制實驗室的負壓梯度。因此，壓差控制對于凈化空調(diào)系統(tǒng)非常重要。

　　差壓控制很難實現(xiàn)，尤其是在生物安全實驗室中。對于控制工程師而言，獲得并保持準確而穩(wěn)定的壓差絕對是一項艱巨的任務。因此，在設計壓差控制系統(tǒng)時，有必要根據(jù)實際情況分析確定以下幾個方面：

　?、亠L險分析與評估;

　?、谶x擇定風量系統(tǒng)和變風量系統(tǒng);

　?、蹓翰羁刂坪蜌堄囡L量控制方法;

　?、芸刂菩盘柡驮肼暤挠绊?

　　⑤系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應速度;

　?、藿ㄖY構對壓差控制的影響;風管泄漏對壓力控制的影響。

　　首先，必須分析差壓控制的風險。例如，對于高級生物安全實驗室來說，由于它具有很高的生物污染風險，因此各種相關標準都保持穩(wěn)定的負壓梯度，以防止污染泄漏。因此，控制系統(tǒng)必須能夠穩(wěn)定且可靠地實現(xiàn)這種控制目標。

　　2.壓差控制方式

　　對于壓差控制系統(tǒng)，所獲得的結果實質(zhì)上是滲透或漏氣的控制，就其控制策略而言，可以分為被動控制和主動控制。

　　恒定風量(CAV)是一種被動控制方法。它使用手動風量控制閥。通過簡單的空氣供應和排氣平衡，空氣供應量要比排氣少(或多)一定量(剩余空氣量)。所需的壓差。選擇恒定風量等控制策略時必須小心，因為恒定風量系統(tǒng)具有突出的局限性。要點如下：

　　(1)在任何時候，設備都必須保持恒定的供氣和排氣量。

　　(2)任何排氣設備(如生物安全柜等)均不得增加或減少，并且靈活性差。由于系統(tǒng)容量的限制，未來的擴展將受到限制。

　　(3)必須設計為滿負荷，以補償過濾器等引起的供氣和排氣系統(tǒng)性能下降的較大余量，連續(xù)的滿負荷運行使能耗極高，因此運行成本很高。

　　(4)由于風扇系統(tǒng)和過濾器系統(tǒng)的性能下降或空氣閥位置的變化，常常需要對系統(tǒng)進行重新平衡和調(diào)試，這需要大量的維護。

　　(5)由于始終要進行高風量運轉，因此噪音會過高。因此，如果不能接受上述限制，則不應選擇這種控制策略。目前，在進氣管和排氣管上使用與壓力無關的恒定空氣量控制裝置(例如文丘里閥)的恒定空氣量系統(tǒng)可以在一定程度上主動和動態(tài)調(diào)節(jié)流量，以消除系統(tǒng)靜壓波動所產(chǎn)生的影響在流量上，以確保流量恒定和控制穩(wěn)定性。

　　可變風量系統(tǒng)(VAV)是一種主動壓力控制策略。它通過電動風量控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)供氣或排氣量，以維持所需的壓力。主動式VAV壓力控制方法可分為兩種：純壓差控制(OP)和殘余空氣量(也稱為流量跟蹤)控制(AV)。

　　2.1純壓差控制方法

　　純壓差控制方法相對簡單明了，其基本原理如圖1所示?？刂圃硎牵簤翰顐鞲衅鳒y量房間與參考區(qū)域之間的壓差(OP)，并進行比較。在設定點(即所需壓力差)的基礎上，控制器根據(jù)PID調(diào)節(jié)算法根據(jù)偏差來調(diào)節(jié)送風量(或排氣量)。體積)以達到所需的壓差?？梢钥闯?，送風量(或排風量)是壓力差(Δp)，設定點和PID常數(shù)(α，β)的函數(shù)。

　　另一種類似的壓差控制方法是基于伯努利原理的。它使用安裝在小管中的風速探頭將小管放置在潔凈室和參考區(qū)域之間的開口中。壓力差將導致空氣流過這條小管道，管道中的風速探頭可以感應到潔凈室與參考區(qū)域之間的空氣速度，然后通過以下方法計算潔凈室與參考區(qū)域之間的壓力差：根據(jù)伯努利原理使用風速。根據(jù)上述方法，該壓力差信號，控制器控制潔凈室的空氣供應或排氣量，以達到所需的壓力差值。該方法稱為“偽壓差”控制方法。

　　2.2剩余風量控制方法(空氣跟蹤)

　　在潔凈室的供氣量和排氣量之間保持一定的風量差(稱為殘留空氣量)將不可避免地導致潔凈室中的一定的壓力差。剩余風量(氣流跟蹤)控制意味著該控制系統(tǒng)實時測量風量(供氣和排氣量)變化。通過調(diào)節(jié)空氣供應量或排氣量，動態(tài)地實現(xiàn)了相應的空氣量平衡，從而使空氣供應量和排氣量之間保持恒定的空氣量差，從而保持恒定的壓力差。基本原理如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)使用氣流測量裝置實時測量送風量和排氣量。如圖所示，可以在排氣主管上測量排氣量，也可以對每個排氣量進行測量和求和。據(jù)此，控制器調(diào)節(jié)空氣供應量，使得其可以跟蹤排氣量的變化并保持一定的剩余空氣量，從而實現(xiàn)期望的壓差值?？梢钥闯觯瑲埩艨諝饬靠刂剖且粋€開環(huán)控制系統(tǒng)。

　　在此，剩余空氣量是當達到所需的壓差時滲入人體或從潔凈室流出的氣流(以CFM計)。負剩余空氣量意味著總排氣量大于總供氣量，這將導致產(chǎn)生負壓，而正剩余空氣量意味著總供氣量大于總排氣量體積，這將導致正壓力。

　　在風量方程式中，剩余風量為常數(shù)。但是在實際情況下，它會改變。例如，當流量傳感器移動時，實際剩余空氣量也將發(fā)生變化。因此，應考慮選擇足夠大的殘留空氣量，以補償由外殼結構的氣密性，風管泄漏和流量測量裝置的精度誤差所引起的影響。

　　以上兩種壓差控制方法在實際使用中必須以預定頻率進行驗證。例如，對于殘留空氣量控制，應每六個月更正設定的殘留空氣量。

　　2.3混合控制系統(tǒng)

　　由于3級或4級生物安全實驗室的研究和實驗主題非常危險，因此實驗室中的壓差控制和氣流方向控制更為重要。必須確保穩(wěn)定可靠地控制壓力差和氣流方向。對于壓差控制非常重要的地方，使用純壓差控制和殘留空氣量控制混合的控制系統(tǒng)是一個不錯的選擇。它可以確保穩(wěn)定可靠地控制實驗室壓力。

　　通常的方法是使用殘留空氣量控制作為基本控制方法，同時添加壓力差傳感器和控制器以設置殘留空氣量控制系統(tǒng)的殘留空氣量。當房間特性發(fā)生變化時，例如風管泄漏和圍護結構的氣密性，殘留空氣量也將發(fā)生變化(通常變大)。此時，壓差控制系統(tǒng)可以動態(tài)計算出適當?shù)氖Ｓ嗫諝饬?，以維持穩(wěn)定的壓差控制。

　　同時，一旦殘留空氣量增加到預定值，系統(tǒng)將發(fā)出警報。此時，可能需要校準流量測量設備，或處理空氣管道和外殼結構的泄漏，以使系統(tǒng)狀態(tài)恢復到正常范圍。因此，這樣的系統(tǒng)可以通過監(jiān)視剩余的空氣量來監(jiān)視整個實驗室控制系統(tǒng)，風道系統(tǒng)和外殼結構的完整性。

　　3.穩(wěn)定性和響應速度

　　在由通用建筑技術組成的房間中，它可以達到的控制壓力差約為2.5Pa，這對于測量來說是很小的壓力差(信號)，并且對測量傳感器的校準也非常困難。門打開和關閉，生物安全柜調(diào)節(jié)門的移動以及人員移動等許多因素引起的干擾(噪聲)可以達到25Pa左右。因此，對于純差壓控制，測得的信噪比為1:10。這種情況就像測量湖泊的液位。精度要求為1厘米，而湖泊的浪高為10厘米。如果要獲得準確的測量值，則需要很長時間才能對峰和谷進行平均。在這種情況下，如果需要快速響應，則無法保證準確性，并且準確性和速度(或響應時間)是矛盾的。

　　對于純壓差控制系統(tǒng)，響應時間通常要求在幾分鐘之內(nèi)。因此，許多這樣的控制系統(tǒng)犧牲穩(wěn)定性來滿足響應時間要求，并且在達到穩(wěn)定控制之前，它需要在設定點附近波動相當長的時間。不幸的是，系統(tǒng)達到穩(wěn)定控制的時間通常比干擾的頻率更長。因此，系統(tǒng)可能會全天波動。在人員下班，工作結束并且沒有干擾之前，它將無法達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　對于“偽壓差”控制系統(tǒng)，測量對象是空氣流量，它比純壓差控制更穩(wěn)定，更快，因為流量信號和噪聲信號與動態(tài)平方根成正比。壓力，大約可以將信噪比提高到1：3?？梢钥闯?，簡單地改變測量對象就可以大大提高系統(tǒng)的J性能。但是，即使這樣，噪聲仍然達到信號的3倍。當發(fā)生干擾時，控制系統(tǒng)仍需要60秒鐘以上才能達到穩(wěn)定的輸出。應當注意的是，由于測量氣流速度需要在房間和參考區(qū)域內(nèi)開孔，因此在許多場合(例如對清潔度有很高要求或生物安全性較高的場合)都不允許使用這種控制系統(tǒng)。在實驗室里。

　　對于差壓和“偽差壓”系統(tǒng)，在某些條件下(例如負壓控制)可能會導致嚴重的壓力問題，當潔凈室門打開時，所有測量信號(例如差壓和流量)都將消失。盡管某些控制器具有根據(jù)預定時間鎖定輸出的功能，以補償此問題。但是，長時間打開門時，壓力控制系統(tǒng)會關閉空氣供應，以使房間恢復到負壓設定點。這時，空氣將從過道(或相鄰區(qū)域)被吸入以打開房間，并且過道(或相鄰區(qū)域)中的壓力將不可避免地下降。并且，如果其他潔凈室也使用過道(或相鄰區(qū)域)作為壓力差參考點，則另一個潔凈室的壓力差控制器還將關閉空氣供應，這將導致連鎖反應，并且將產(chǎn)生更多的空氣。從過道(或相鄰區(qū)域)移走的灰塵被吸入潔凈室并排出，測得的壓差值尚未達到設定值，但實際壓力不斷降低。對于正壓控制也可能出現(xiàn)類似的問題?？梢韵胂螅@將在整個潔凈室中引起嚴重的壓力問題。當然，對于不需要嚴格控制房間壓力或風險評估對穩(wěn)定時間和穩(wěn)定性要求不高的設施，在HVAC系統(tǒng)設計中已采取措施(例如使用雙門聯(lián)鎖緩沖室)當可以避免上述問題時，采用純壓差控制也是可行的。

　　相對而言，殘余空氣量的信號測量(或流量跟蹤)控制系統(tǒng)使用流量測量設備來測量空氣供應和排氣量。供氣量和排氣量通常是相對較大的測量值。在這種情況下，例如，信號測量值為1000 CFM，并且噪聲(各種干擾)可以達到大約1000 FM，信噪比可以高達10：1。因此，在這種情況下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定性和非常快的響應。因此，在對壓差控制有更高要求的應用中，通常建議或要求使用這種控制方法。

　　對于殘留空氣量控制系統(tǒng)，流量測量設備是影響系統(tǒng)性能的關鍵設備。常用的流量測量設備是熱線風速傳感器陣列和皮托管。這種流量測量裝置具有高精度。但是，一旦顆粒附著或阻塞在傳感器上，或者傳感器受到腐蝕的影響，測量結果就會有很大的偏差。對于皮托管，還必須注意，在低風速下它具有較大的測量誤差，因此應考慮其應用范圍。流量測量裝置的安裝位置也必須嚴格按照其技術規(guī)格進行選擇，否則也會引起測量誤差。

　　另外，目前在許多應用中出現(xiàn)一種流量控制裝置。它是線性的，與壓力無關的空氣量控制閥，可以根據(jù)閥的位置提供相應的流量反饋信號(例如文丘里閥)。出廠前，專業(yè)的供應商已完成了其校準和校正。與簡單的流量測量設備相比，該設備具有更多的集成功能。它可以在執(zhí)行流量控制的同時執(zhí)行流量測量。在實際使用中，通常通過備用流量測量設備來驗證該壓力獨立設備的流量反饋精度。目前，這種與壓力無關的空氣量控制閥已成功應用于許多需要更高壓差控制的應用中。

　　4.影響差壓控制的其他因素

　　施工技術對壓差控制的性能和效果影響很大，非封閉式圍護結構難以建立穩(wěn)定的壓力梯度。它需要大量的殘留空氣來彌補許多泄漏。當使用大量的殘留空氣時，大量的二次空氣將被吸入(或排出)到相鄰的空間中，這可能引起溫度和濕度控制問題。 。因此，潔凈室必須具有封閉的封閉結構，以確保相應的壓力差和合理的氣流方向。

　　空氣導管的泄漏也會影響剩余空氣量控制的準確性和性能。如果有空氣從風管漏出或進入流量測量裝置與潔凈室外殼結構之間的風管，則將導致流量測量錯誤并導致壓力控制出現(xiàn)重大偏差。如果在恒壓系統(tǒng)中，則誤差相對恒定;但是如果系統(tǒng)的靜態(tài)壓力波動，則誤差也會波動。因此，控制系統(tǒng)很難采取技術措施來消除這種錯誤，從而導致控制性能下降。因此，需要對供氣，排氣管進行泄漏檢測，最大允許泄漏率不應超過0.5%。