1概述

壓差控制是凈化空調(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，保證合理的氣流組織，才能滿足凈化和工藝的要求。例如，清潔現(xiàn)場必須保持一定的正壓，以免外部未清潔的空氣進入清潔區(qū)域，保證清潔水平，通過控制各凈化區(qū)域的壓差，達(dá)到凈化區(qū)域的作用，GMP要求控制不同凈化水平區(qū)域的壓差在+5Pa以上。在生物安全潔凈室中，壓差控制是保證安全防護屏障的重要指標(biāo)，在《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》中指出，必須穩(wěn)定可靠地控制實驗室的負(fù)壓梯度。因此，凈化空調(diào)系統(tǒng)壓差控制非常重要。

壓差控制在實現(xiàn)中比較困難，特別是在生物安全實驗室，獲得正確穩(wěn)定的壓差是控制技術(shù)人員的挑戰(zhàn)性任務(wù)。因此，在設(shè)計差壓控制系統(tǒng)時，必須根據(jù)實際情況從以下幾個方面進行分析和決定:

①風(fēng)險分析評價

②風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)的選擇

③差壓控制和馀風(fēng)量控制方法

④控制信號和噪音的影響

⑤控制穩(wěn)定性和響應(yīng)速度

⑥建筑結(jié)構(gòu)對差壓控制的影響

首先，必須對壓差控制的風(fēng)險進行分析，例如對于高等級的生物安全實驗室而言，因為它有生物污染的高風(fēng)險，各種相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都對其有保持穩(wěn)定負(fù)壓梯度防止污染泄漏的嚴(yán)格要求，因此控制系統(tǒng)就必須能夠穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)這樣的控制目標(biāo)。

2壓差控制方法

對于壓差控制系統(tǒng)來說，其所達(dá)到的結(jié)果實質(zhì)上是對滲人或滲出空氣的控制，就其控制策略而言可分為被動式和主動式控制。

定風(fēng)量(CAV)是一種被動控制方法，采用手動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通過簡單的送風(fēng)和排風(fēng)平衡，送風(fēng)量比排風(fēng)量少(或多)一定的量(馀風(fēng)量)，達(dá)到預(yù)期的壓差。在選擇風(fēng)量這樣的控制戰(zhàn)略時，必須認(rèn)真考慮。因為風(fēng)量系統(tǒng)有突出的局限性。主要有以下幾點：

(1)所有時間，設(shè)備應(yīng)保持一定的送風(fēng)量和排風(fēng)量。

(2)不得增加或減少生物安全柜等排氣設(shè)備。靈活性差。未來的擴展將受到系統(tǒng)容量的限制。

(3)必須根據(jù)全負(fù)荷設(shè)計，為了彌補過濾器等送風(fēng)和排氣系統(tǒng)性能的下降，連續(xù)的全負(fù)荷運轉(zhuǎn)能耗極大，運轉(zhuǎn)成本非常高。

(4)風(fēng)機系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)等性能下降或風(fēng)閥位置變化等，系統(tǒng)需要重新調(diào)整風(fēng)平衡，進行大量維護。

(5)由于所有時間都是大風(fēng)量運行，噪音過高。因此，如果你不能接受上述限制，你不應(yīng)該選擇這種控制策略。目前，通過在送風(fēng)管道和排風(fēng)管道上采用與壓力無關(guān)的固定風(fēng)量控制裝置(如文丘里閥)的固定風(fēng)量系統(tǒng)，可以在一定程度上積極調(diào)節(jié)流量，消除系統(tǒng)靜壓變動對流量的影響，保證流量的一定和控制的穩(wěn)定。

變風(fēng)量系統(tǒng)(VAV)是積極的壓力控制戰(zhàn)略，通過電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥連續(xù)調(diào)節(jié)送風(fēng)量和排風(fēng)量，保持希望的壓力。主動VAV壓力控制方法分為純壓差控制(OP)和馀風(fēng)量(也稱流量跟蹤)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。其控制原理是：壓差傳感器測量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差（OP），與設(shè)定點（即期望的壓差)對比后，控制器根據(jù)偏差按PID調(diào)節(jié)算法控制送風(fēng)量(或排風(fēng)量)，達(dá)到要求的壓差。可以看出，送風(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓差(△p)、設(shè)定點、PID常數(shù)(α、β)的函數(shù)。

另一種類似的壓差控制方法是，根據(jù)伯努利的原理，利用安裝在小管內(nèi)的風(fēng)速探頭，將小管放置在潔凈室和參考區(qū)之間的孔中，由于潔凈室內(nèi)和參考區(qū)的壓力差，空氣從小管流過，管中的風(fēng)速探頭可以傳感到潔凈室內(nèi)和參考區(qū)之間的空氣流速，伯努利的原理利用風(fēng)速計算潔凈室和參考區(qū)的壓差，根據(jù)這個壓差信號，控制器控制潔凈室的送風(fēng)和排氣量

2.2馀風(fēng)量(氣流跟蹤)控制方法

潔凈室的送風(fēng)量和排氣量之間保持一定的風(fēng)量差(稱為馀風(fēng)量)，潔凈室必然會產(chǎn)生一定的壓差。馀風(fēng)量(氣流跟蹤)控制是控制系統(tǒng)實時測量風(fēng)量(送風(fēng)和排氣量)的變化，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量和排氣量，動態(tài)達(dá)到相應(yīng)的風(fēng)量平衡，使送風(fēng)量和排氣量之間保持一定的風(fēng)量差，保持一定的壓差。其基本原理如圖2所示，控制系統(tǒng)利用氣流測量裝置實時測量送風(fēng)量和排風(fēng)量，排風(fēng)量可以在排風(fēng)主管上測量，或者如圖所示在各個單獨的排風(fēng)上測量和和平，控制器根據(jù)此調(diào)節(jié)送風(fēng)量，追蹤排風(fēng)量的變化，保持一定的馀風(fēng)量可見馀風(fēng)量控制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

在此，馀風(fēng)量在達(dá)到希望的壓差時滲透或滲透到潔凈室的空氣流量(單位為CFM)。負(fù)馀風(fēng)量是總排氣量大于總排氣量，會產(chǎn)生負(fù)壓，正馀風(fēng)量是總排氣量大于總排氣量，會產(chǎn)生正壓。

在圖2中的風(fēng)量等式中，馀風(fēng)量是定值。但是，在實際情況下，流量傳感器偏移時，實際的馀風(fēng)量也會發(fā)生變化。因此，為了彌補圍護結(jié)構(gòu)的氣密度、管道泄漏、流量測量裝置的精度誤差等影響，應(yīng)置的精度誤差等影響。

上述兩種壓差控制方法，在實際運用中必須按預(yù)定頻率驗證。例如，控制馀風(fēng)量，每半年修正設(shè)定的馀風(fēng)量。

2.3混合控制系統(tǒng)

由于生物安全等級3或4級生物安全實驗室的研究和實驗對象十分危險，因此實驗室的壓差控制和氣流方向控制更為重要，必須確保壓差和氣流方向穩(wěn)定可靠。對于這種壓差控制非常重要的地方，采用純壓差控制和馀風(fēng)量控制兩種方法混合的控制系統(tǒng)是很好的選擇，可以確保實驗室壓差穩(wěn)定可靠的控制。

通常采用馀風(fēng)量控制作為基本控制方法，同時增加壓差傳感器和控制器設(shè)定馀風(fēng)量控制系統(tǒng)的馀風(fēng)量。房間特性發(fā)生變化時，管道泄漏和圍護結(jié)構(gòu)的氣密性等發(fā)生變化，馀風(fēng)量也發(fā)生變化(通常變大)時，壓差控制系統(tǒng)可以動態(tài)計算適當(dāng)?shù)拟棚L(fēng)量，保持穩(wěn)定的壓差控制。

3的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度

一般建筑技術(shù)構(gòu)成的房間，能夠達(dá)到的控制壓差約為2.5Pa，在測定中是非常小的壓差(信號)，對測定傳感器的校正也非常困難。由于門的開關(guān)、生物安全柜調(diào)節(jié)門的移動、人員的運動等諸多因素造成的干擾(噪聲)可達(dá)到約25Pa。因此，在純壓差控制中，其測量信號與噪音的比例為1:10。這種情況就像測量湖泊的液位一樣，要求精度為1厘米，湖泊的波浪高度為10厘米，想要得到正確的測量值，平均波峰和波谷需要很長時間。在這種情況下，如果你想快速響應(yīng)，就不能保證精度，精度與速度(或響應(yīng)時間)是矛盾的。

對于純壓差控制系統(tǒng)，響應(yīng)時間一般要求在幾分鐘內(nèi)。因此，許多這樣的控制系統(tǒng)為了滿足響應(yīng)時間而犧牲穩(wěn)定性，在達(dá)到穩(wěn)定控制之前需要在設(shè)定點附近波動相當(dāng)長的時間。遺憾的是，由于系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定控制的時間比干擾頻率長，系統(tǒng)可能會整天變動，直到人員工作結(jié)束、工作結(jié)束，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

對于假壓差控制系統(tǒng)，其測量對象是空氣流速，比純壓差控制更穩(wěn)定、更快，流速信號和噪聲信號與動壓的開平方成正比關(guān)系，可將信號和噪聲比提高到1:3左右。可量對象的簡單變化可以大大改善系統(tǒng)的j性能。但即便如此，噪，噪音仍然達(dá)到信號的3倍，噪音發(fā)生后，控制系統(tǒng)也需要60秒以上的時間來達(dá)到穩(wěn)定的輸出。需要注意的是，測量氣流速度需要在房間和參考區(qū)域開孔，因此這樣的控制系統(tǒng)不允許在很多情況下使用。例如，對清潔度要求高的情況和高級生物安全實驗室也不應(yīng)該使用。

對于壓差和偽壓差系統(tǒng)來說，在某些條件下會出現(xiàn)嚴(yán)重的壓力問題，例如負(fù)壓控制時，清潔室門打開時，壓差和流速等所有測量信號都會消失。有些控制器具有按預(yù)定時間鎖定輸出的功能來彌補這樣的問題。但是，門長時間打開時，壓力控制系統(tǒng)會關(guān)閉送風(fēng)，使房間回到負(fù)壓的設(shè)定點。此時，空氣從通道(或相鄰地區(qū))被吸引的房間，通道(或相鄰地區(qū))的壓力必然下降。另一方面，如果其他潔凈室也使用通道(或相鄰地區(qū))作為壓差參考點，其他潔凈室的壓差控制器也關(guān)閉送風(fēng)，發(fā)生連鎖反應(yīng)，更多的空氣從通道(或相鄰地區(qū))吸入潔凈室排出，測量壓差值不能達(dá)到設(shè)定，但實際壓力不斷下降。同樣，正壓控制也會發(fā)生類似的問題。可想而知，這將導(dǎo)致整個潔凈室的嚴(yán)重壓力問題。

相對來說，馀風(fēng)量(或流量跟蹤)控制系統(tǒng)的信號測定是用流量測定裝置測定送風(fēng)量和排氣量。而送風(fēng)量和排風(fēng)量通常都是比較大的測量值，在這樣的情況下，例如信號測量為1000CFM，而噪聲(各種擾動)約能達(dá)到1000FM，信號噪聲比可以高達(dá)10:1。因此，在這種情況下，系統(tǒng)可以達(dá)到高精度、高穩(wěn)定性和非常快的響應(yīng)。因此，在對壓差控制要求高的運用中，通常推薦或要求使用這種控制方法。

對風(fēng)量控制系統(tǒng)是影響系統(tǒng)性能的重要裝置。一般常用的流量測量裝置為熱線風(fēng)速傳感器陣列和畢托管陣列。這種流量測量裝置精度高。但是，如果粒子附著或堵塞在傳感器上，或者傳感器受到腐蝕的影響，其測量會產(chǎn)生很大的偏差。對于畢托管陣列，在低風(fēng)速時也要注意測量誤差大，所以要考慮其應(yīng)用范圍。流量測量裝置的設(shè)置場所也必須嚴(yán)格按照其技術(shù)規(guī)格的說明進行選擇。否則，也會引起測量誤差。

另外，現(xiàn)在流量控制裝置出現(xiàn)在很多運用中。它是一種直線、與壓力無關(guān)的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)閥門位置提供相應(yīng)的流量反饋信號(如文丘里閥)，其標(biāo)定和校正在出廠時由專業(yè)供應(yīng)商完成。與簡單的流量測量裝置相比，該裝置的功能更加集成，在進行流量控制的同時可以進行流量測量。在實際使用時，這種壓力無關(guān)裝置的流量反饋精度，一般采用備份的流量測量裝置進行驗證。當(dāng)前這樣的壓力無關(guān)型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，已經(jīng)在很多要求較高壓差控制中取得了成功的應(yīng)用。

4影響壓差控制的其他因素

建筑技術(shù)對壓差控制的性能和效果有很大影響，不密閉的圍護結(jié)構(gòu)很難建立穩(wěn)定的壓力梯度。補充大量泄漏需要大量馀風(fēng)量，使用大量馀風(fēng)量時，向相鄰空間提取大量二次空氣(或排出)，可能引起溫度、濕度控制問題。因此，為了保證相應(yīng)的壓差和合理的氣流方向，必須使?jié)崈羰揖哂忻荛]的圍護結(jié)構(gòu)。

管道泄漏也會影響馀風(fēng)量控制的精度和性能。在流量測量裝置和潔凈室的圍護結(jié)構(gòu)之間，如果有空氣泄漏的管道和人的管道，流量測量的誤差會引起壓力控制的顯著偏差。在定壓系統(tǒng)中，該誤差相對一定，但系統(tǒng)靜壓變動時，該誤差也變動，因此控制系統(tǒng)很難采取技術(shù)措施消除該誤差，導(dǎo)致控制性能惡化。因此，必須要求對送風(fēng)和排風(fēng)管道進行泄漏檢測，允許的最大泄漏率最大不應(yīng)超過0.5%(具體見空調(diào)專業(yè)設(shè)計要求)。