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(jìn)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(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，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(zhǔn)確而穩(wěn)定的壓差絕對是一項艱巨的任務(wù)。因此，在設(shè)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(fēng)險分析與評估;

　?、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;

　?、芸刂菩盘柡驮肼暤挠绊?

　?、菹到y(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度;

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

　　首先，必須分析差壓控制的風(fēng)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(fēng)險，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)定且可靠地實現(xiàn)這種控制目標(biāo)。

　　2.壓差控制方式

　　對于壓差控制系統(tǒng)，所獲得的結(jié)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(fēng)量(CAV)是一種被動控制方法。它使用手動風(fēng)量控制閥。通過簡單的空氣供應(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)量等控制策略時必須小心，因為恒定風(fēng)量系統(tǒng)具有突出的局限性。要點如下：

　　(1)在任何時候，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，未來的擴(kuò)展將受到限制。

　　(3)必須設(shè)計為滿負(fù)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(fù)荷運行使能耗極高，因此運行成本很高。

　　(4)由于風(fēng)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(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)量運轉(zhuǎn)，因此噪音會過高。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(fēng)量系統(tǒng)(VAV)是一種主動壓力控制策略。它通過電動風(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。控制原理是：壓差傳感器測量房間與參考區(qū)域之間的壓差(OP)，并進(jìn)行比較。在設(shè)定點(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?，送風(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓力差(Δp)，設(shè)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(fēng)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(dǎo)致空氣流過這條小管道，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(fēng)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(yīng)或排氣量，以達(dá)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(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)實時測量風(fēng)量(供氣和排氣量)變化。通過調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)量或排氣量，動態(tài)地實現(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?；驹砣鐖D2所示?？刂葡到y(tǒng)使用氣流測量裝置實時測量送風(fēng)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(jìn)行測量和求和。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，從而實現(xiàn)期望的壓差值?？梢钥闯?，殘留空氣量控制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

　　在此，剩余空氣量是當(dāng)達(dá)到所需的壓差時滲入人體或從潔凈室流出的氣流(以CFM計)。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)。但是在實際情況下，它會改變。例如，當(dāng)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(yīng)考慮選擇足夠大的殘留空氣量，以補償由外殼結(jié)構(gòu)的氣密性，風(fēng)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(yù)定頻率進(jìn)行驗證。例如，對于殘留空氣量控制，應(yīng)每六個月更正設(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(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，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，壓差控制系統(tǒng)可以動態(tài)計算出適當(dāng)?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(yù)定值，系統(tǒng)將發(fā)出警報。此時，可能需要校準(zhǔn)流量測量設(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)可以通過監(jiān)視剩余的空氣量來監(jiān)視整個實驗室控制系統(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(zhǔn)也非常困難。門打開和關(guān)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(dá)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(zhǔn)確的測量值，則需要很長時間才能對峰和谷進(jìn)行平均。在這種情況下，如果需要快速響應(yīng)，則無法保證準(zhǔn)確性，并且準(zhǔn)確性和速度(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(yīng)時間要求，并且在達(dá)到穩(wěn)定控制之前，它需要在設(shè)定點附近波動相當(dāng)長的時間。不幸的是，系統(tǒng)達(dá)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(jié)束并且沒有干擾之前，它將無法達(dá)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?？梢钥闯觯唵蔚馗淖儨y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(dá)到信號的3倍。當(dāng)發(fā)生干擾時，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(fù)壓控制)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的壓力問題，當(dāng)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(yù)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(guān)閉空氣供應(yīng)，以使房間恢復(fù)到負(fù)壓設(shè)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(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(dá)到設(shè)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?，這將在整個潔凈室中引起嚴(yán)重的壓力問題。當(dāng)然，對于不需要嚴(yán)格控制房間壓力或風(fēng)險評估對穩(wěn)定時間和穩(wěn)定性要求不高的設(shè)施，在HVAC系統(tǒng)設(shè)計中已采取措施(例如使用雙門聯(lián)鎖緩沖室)當(dāng)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(shè)備來測量空氣供應(yīng)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(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)可以實現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定性和非?？斓捻憫?yīng)。因此，在對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。

　　對于殘留空氣量控制系統(tǒng)，流量測量設(shè)備是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。常用的流量測量設(shè)備是熱線風(fēng)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(jié)果就會有很大的偏差。對于皮托管，還必須注意，在低風(fēng)速下它具有較大的測量誤差，因此應(yīng)考慮其應(yīng)用范圍。流量測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，否則也會引起測量誤差。

　　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(例如文丘里閥)。出廠前，專業(yè)的供應(yīng)商已完成了其校準(zhǔn)和校正。與簡單的流量測量設(shè)備相比，該設(shè)備具有更多的集成功能。它可以在執(zhí)行流量控制的同時執(zhí)行流量測量。在實際使用中，通常通過備用流量測量設(shè)備來驗證該壓力獨立設(shè)備的流量反饋精度。目前，這種與壓力無關(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彌補許多泄漏。當(dāng)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(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)致流量測量錯誤并導(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(shù)措施來消除這種錯誤，從而導(dǎo)致控制性能下降。因此，需要對供氣，排氣管進(jìn)行泄漏檢測，最大允許泄漏率不應(yīng)超過0.5%。