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(chē)間必須保持一定的正壓，以使未凈化的外部空氣不會(huì)進(jìn)入凈化區(qū)域以確保潔凈度;通過(guò)對(duì)每個(gè)凈化區(qū)域的不同壓差控制，可以達(dá)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(hù)屏障的關(guān)鍵指標(biāo)。在“生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范”中，指出必須穩(wěn)定可靠地控制實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓梯度。因此，壓差控制對(duì)于凈化空調(diào)系統(tǒng)非常重要。

　　差壓控制很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在生物安全實(shí)驗(yàn)室中。對(duì)于控制工程師而言，獲得并保持準(zhǔn)確而穩(wěn)定的壓差絕對(duì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此，在設(shè)計(jì)壓差控制系統(tǒng)時(shí)，有必要根據(jù)實(shí)際情況分析確定以下幾個(gè)方面：

　?、亠L(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估;

　?、谶x擇定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng);

　?、蹓翰羁刂坪蜌堄囡L(fēng)量控制方法;

　　④控制信號(hào)和噪聲的影響;

　?、菹到y(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度;

　?、藿ㄖY(jié)構(gòu)對(duì)壓差控制的影響;風(fēng)管泄漏對(duì)壓力控制的影響。

　　首先，必須分析差壓控制的風(fēng)險(xiǎn)。例如，對(duì)于高級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，由于它具有很高的生物污染風(fēng)險(xiǎn)，因此各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都保持穩(wěn)定的負(fù)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(shí)現(xiàn)這種控制目標(biāo)。

　　2.壓差控制方式

　　對(duì)于壓差控制系統(tǒng)，所獲得的結(jié)果實(shí)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(dòng)控制和主動(dòng)控制。

　　恒定風(fēng)量(CAV)是一種被動(dòng)控制方法。它使用手動(dòng)風(fēng)量控制閥。通過(guò)簡(jiǎn)單的空氣供應(yīng)和排氣平衡，空氣供應(yīng)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(fēng)量等控制策略時(shí)必須小心，因?yàn)楹愣L(fēng)量系統(tǒng)具有突出的局限性。要點(diǎn)如下：

　　(1)在任何時(shí)候，設(shè)備都必須保持恒定的供氣和排氣量。

　　(2)任何排氣設(shè)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(lái)的擴(kuò)展將受到限制。

　　(3)必須設(shè)計(jì)為滿負(fù)荷，以補(bǔ)償過(guò)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(fù)荷運(yùn)行使能耗極高，因此運(yùn)行成本很高。

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

　　(5)由于始終要進(jìn)行高風(fēng)量運(yùn)轉(zhuǎn)，因此噪音會(huì)過(guò)高。因此，如果不能接受上述限制，則不應(yīng)選擇這種控制策略。目前，在進(jìn)氣管和排氣管上使用與壓力無(wú)關(guān)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(dòng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流量，以消除系統(tǒng)靜壓波動(dòng)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(fēng)量系統(tǒng)(VAV)是一種主動(dòng)壓力控制策略。它通過(guò)電動(dòng)風(fēng)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(dòng)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(chēng)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(duì)簡(jiǎn)單明了，其基本原理如圖1所示?？刂圃硎牵簤翰顐鞲衅鳒y(cè)量房間與參考區(qū)域之間的壓差(OP)，并進(jìn)行比較。在設(shè)定點(diǎn)(即所需壓力差)的基礎(chǔ)上，控制器根據(jù)PID調(diào)節(jié)算法根據(jù)偏差來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)量(或排氣量)。體積)以達(dá)到所需的壓差?？梢钥闯觯惋L(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓力差(Δp)，設(shè)定點(diǎn)和PID常數(shù)(α，β)的函數(shù)。

　　另一種類(lèi)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(fēng)速探頭將小管放置在潔凈室和參考區(qū)域之間的開(kāi)口中。壓力差將導(dǎo)致空氣流過(guò)這條小管道，管道中的風(fēng)速探頭可以感應(yīng)到潔凈室與參考區(qū)域之間的空氣速度，然后通過(guò)以下方法計(jì)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(fēng)速。根據(jù)上述方法，該壓力差信號(hào)，控制器控制潔凈室的空氣供應(yīng)或排氣量，以達(dá)到所需的壓力差值。該方法稱(chēng)為“偽壓差”控制方法。

　　2.2剩余風(fēng)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(fēng)量差(稱(chēng)為殘留空氣量)將不可避免地導(dǎo)致潔凈室中的一定的壓力差。剩余風(fēng)量(氣流跟蹤)控制意味著該控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)量(供氣和排氣量)變化。通過(guò)調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)量或排氣量，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的空氣量平衡，從而使空氣供應(yīng)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(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量送風(fēng)量和排氣量。如圖所示，可以在排氣主管上測(cè)量排氣量，也可以對(duì)每個(gè)排氣量進(jìn)行測(cè)量和求和。據(jù)此，控制器調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)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(shí)現(xiàn)期望的壓差值。可以看出，殘留空氣量控制是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

　　在此，剩余空氣量是當(dāng)達(dá)到所需的壓差時(shí)滲入人體或從潔凈室流出的氣流(以CFM計(jì))。負(fù)剩余空氣量意味著總排氣量大于總供氣量，這將導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)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(dǎo)致正壓力。

　　在風(fēng)量方程式中，剩余風(fēng)量為常數(shù)。但是在實(shí)際情況下，它會(huì)改變。例如，當(dāng)流量傳感器移動(dòng)時(shí)，實(shí)際剩余空氣量也將發(fā)生變化。因此，應(yīng)考慮選擇足夠大的殘留空氣量，以補(bǔ)償由外殼結(jié)構(gòu)的氣密性，風(fēng)管泄漏和流量測(cè)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(shí)際使用中必須以預(yù)定頻率進(jìn)行驗(yàn)證。例如，對(duì)于殘留空氣量控制，應(yīng)每六個(gè)月更正設(shè)定的殘留空氣量。

　　2.3混合控制系統(tǒng)

　　由于3級(jí)或4級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的研究和實(shí)驗(yàn)主題非常危險(xiǎn)，因此實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)不錯(cuò)的選擇。它可以確保穩(wěn)定可靠地控制實(shí)驗(yàn)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(shí)添加壓力差傳感器和控制器以設(shè)置殘留空氣量控制系統(tǒng)的殘留空氣量。當(dāng)房間特性發(fā)生變化時(shí)，例如風(fēng)管泄漏和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，殘留空氣量也將發(fā)生變化(通常變大)。此時(shí)，壓差控制系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)計(jì)算出適當(dāng)?shù)氖Ｓ嗫諝饬浚跃S持穩(wěn)定的壓差控制。

　　同時(shí)，一旦殘留空氣量增加到預(yù)定值，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。此時(shí)，可能需要校準(zhǔn)流量測(cè)量設(shè)備，或處理空氣管道和外殼結(jié)構(gòu)的泄漏，以使系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)到正常范圍。因此，這樣的系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)視剩余的空氣量來(lái)監(jiān)視整個(gè)實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)，風(fēng)道系統(tǒng)和外殼結(jié)構(gòu)的完整性。

　　3.穩(wěn)定性和響應(yīng)速度

　　在由通用建筑技術(shù)組成的房間中，它可以達(dá)到的控制壓力差約為2.5Pa，這對(duì)于測(cè)量來(lái)說(shuō)是很小的壓力差(信號(hào))，并且對(duì)測(cè)量傳感器的校準(zhǔn)也非常困難。門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉，生物安全柜調(diào)節(jié)門(mén)的移動(dòng)以及人員移動(dòng)等許多因素引起的干擾(噪聲)可以達(dá)到25Pa左右。因此，對(duì)于純差壓控制，測(cè)得的信噪比為1:10。這種情況就像測(cè)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(zhǔn)確的測(cè)量值，則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能對(duì)峰和谷進(jìn)行平均。在這種情況下，如果需要快速響應(yīng)，則無(wú)法保證準(zhǔn)確性，并且準(zhǔn)確性和速度(或響應(yīng)時(shí)間)是矛盾的。

　　對(duì)于純壓差控制系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)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(lái)滿足響應(yīng)時(shí)間要求，并且在達(dá)到穩(wěn)定控制之前，它需要在設(shè)定點(diǎn)附近波動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。不幸的是，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定控制的時(shí)間通常比干擾的頻率更長(zhǎng)。因此，系統(tǒng)可能會(huì)全天波動(dòng)。在人員下班，工作結(jié)束并且沒(méi)有干擾之前，它將無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　對(duì)于“偽壓差”控制系統(tǒng)，測(cè)量對(duì)象是空氣流量，它比純壓差控制更穩(wěn)定，更快，因?yàn)榱髁啃盘?hào)和噪聲信號(hào)與動(dòng)態(tài)平方根成正比。壓力，大約可以將信噪比提高到1：3?？梢钥闯觯?jiǎn)單地改變測(cè)量對(duì)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(dá)到信號(hào)的3倍。當(dāng)發(fā)生干擾時(shí)，控制系統(tǒng)仍需要60秒鐘以上才能達(dá)到穩(wěn)定的輸出。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于測(cè)量氣流速度需要在房間和參考區(qū)域內(nèi)開(kāi)孔，因此在許多場(chǎng)合(例如對(duì)清潔度有很高要求或生物安全性較高的場(chǎng)合)都不允許使用這種控制系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室里。

　　對(duì)于差壓和“偽差壓”系統(tǒng)，在某些條件下(例如負(fù)壓控制)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的壓力問(wèn)題，當(dāng)潔凈室門(mén)打開(kāi)時(shí)，所有測(cè)量信號(hào)(例如差壓和流量)都將消失。盡管某些控制器具有根據(jù)預(yù)定時(shí)間鎖定輸出的功能，以補(bǔ)償此問(wèn)題。但是，長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)門(mén)時(shí)，壓力控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉空氣供應(yīng)，以使房間恢復(fù)到負(fù)壓設(shè)定點(diǎn)。這時(shí)，空氣將從過(guò)道(或相鄰區(qū)域)被吸入以打開(kāi)房間，并且過(guò)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(guò)道(或相鄰區(qū)域)作為壓力差參考點(diǎn)，則另一個(gè)潔凈室的壓力差控制器還將關(guān)閉空氣供應(yīng)，這將導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，并且將產(chǎn)生更多的空氣。從過(guò)道(或相鄰區(qū)域)移走的灰塵被吸入潔凈室并排出，測(cè)得的壓差值尚未達(dá)到設(shè)定值，但實(shí)際壓力不斷降低。對(duì)于正壓控制也可能出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題?？梢韵胂?，這將在整個(gè)潔凈室中引起嚴(yán)重的壓力問(wèn)題。當(dāng)然，對(duì)于不需要嚴(yán)格控制房間壓力或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)定性要求不高的設(shè)施，在HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已采取措施(例如使用雙門(mén)聯(lián)鎖緩沖室)當(dāng)可以避免上述問(wèn)題時(shí)，采用純壓差控制也是可行的。

　　相對(duì)而言，殘余空氣量的信號(hào)測(cè)量(或流量跟蹤)控制系統(tǒng)使用流量測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量空氣供應(yīng)和排氣量。供氣量和排氣量通常是相對(duì)較大的測(cè)量值。在這種情況下，例如，信號(hào)測(cè)量值為1000 CFM，并且噪聲(各種干擾)可以達(dá)到大約1000 FM，信噪比可以高達(dá)10：1。因此，在這種情況下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定性和非?？斓捻憫?yīng)。因此，在對(duì)壓差控制有更高要求的應(yīng)用中，通常建議或要求使用這種控制方法。

　　對(duì)于殘留空氣量控制系統(tǒng)，流量測(cè)量設(shè)備是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。常用的流量測(cè)量設(shè)備是熱線風(fēng)速傳感器陣列和皮托管。這種流量測(cè)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(cè)量結(jié)果就會(huì)有很大的偏差。對(duì)于皮托管，還必須注意，在低風(fēng)速下它具有較大的測(cè)量誤差，因此應(yīng)考慮其應(yīng)用范圍。流量測(cè)量裝置的安裝位置也必須嚴(yán)格按照其技術(shù)規(guī)格進(jìn)行選擇，否則也會(huì)引起測(cè)量誤差。

　　另外，目前在許多應(yīng)用中出現(xiàn)一種流量控制裝置。它是線性的，與壓力無(wú)關(guān)的空氣量控制閥，可以根據(jù)閥的位置提供相應(yīng)的流量反饋信號(hào)(例如文丘里閥)。出廠前，專(zhuān)業(yè)的供應(yīng)商已完成了其校準(zhǔn)和校正。與簡(jiǎn)單的流量測(cè)量設(shè)備相比，該設(shè)備具有更多的集成功能。它可以在執(zhí)行流量控制的同時(shí)執(zhí)行流量測(cè)量。在實(shí)際使用中，通常通過(guò)備用流量測(cè)量設(shè)備來(lái)驗(yàn)證該壓力獨(dú)立設(shè)備的流量反饋精度。目前，這種與壓力無(wú)關(guān)的空氣量控制閥已成功應(yīng)用于許多需要更高壓差控制的應(yīng)用中。

　　4.影響差壓控制的其他因素

　　施工技術(shù)對(duì)壓差控制的性能和效果影響很大，非封閉式圍護(hù)結(jié)構(gòu)難以建立穩(wěn)定的壓力梯度。它需要大量的殘留空氣來(lái)彌補(bǔ)許多泄漏。當(dāng)使用大量的殘留空氣時(shí)，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(wèn)題。 。因此，潔凈室必須具有封閉的封閉結(jié)構(gòu)，以確保相應(yīng)的壓力差和合理的氣流方向。

　　空氣導(dǎo)管的泄漏也會(huì)影響剩余空氣量控制的準(zhǔn)確性和性能。如果有空氣從風(fēng)管漏出或進(jìn)入流量測(cè)量裝置與潔凈室外殼結(jié)構(gòu)之間的風(fēng)管，則將導(dǎo)致流量測(cè)量錯(cuò)誤并導(dǎo)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(duì)恒定;但是如果系統(tǒng)的靜態(tài)壓力波動(dòng)，則誤差也會(huì)波動(dòng)。因此，控制系統(tǒng)很難采取技術(shù)措施來(lái)消除這種錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致控制性能下降。因此，需要對(duì)供氣，排氣管進(jìn)行泄漏檢測(cè)，最大允許泄漏率不應(yīng)超過(guò)0.5%。