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(chǎng)必須保持一定的正壓，以免外部未清潔的空氣進(jìn)入清潔區(qū)域，保證清潔水平，通過(guò)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(hù)屏障的重要指標(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，凈化空調(diào)系統(tǒng)壓差控制非常重要。

壓差控制在實(shí)現(xiàn)中比較困難，特別是在生物安全實(shí)驗(yàn)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(jì)差壓控制系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際情況從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和決定:

①風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)

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(hào)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(duì)差壓控制的影響

首先，必須對(duì)壓差控制的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，例如對(duì)于高等級(jí)的生物安全實(shí)驗(yàn)室而言，因?yàn)樗�有生物污染的高風(fēng)險(xiǎn)，各種相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)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(shí)現(xiàn)這樣的控制目標(biāo)。

2壓差控制方法

對(duì)于壓差控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其所達(dá)到的結(jié)果實(shí)質(zhì)上是對(duì)滲人或滲出空氣的控制，就其控制策略而言可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式控制。

定風(fēng)量(CAV)是一種被動(dòng)控制方法，采用手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)，必須認(rèn)真考慮。因?yàn)轱L(fēng)量系統(tǒng)有突出的局限性。主要有以下幾點(diǎn)：

(1)所有時(shí)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(lái)的擴(kuò)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(jì)，為了彌補(bǔ)過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)能耗極大，運(yùn)轉(zhuǎn)成本非常高。

(4)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、過(guò)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(jìn)行大量維護(hù)。

(5)由于所有時(shí)間都是大風(fēng)量運(yùn)行，噪音過(guò)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(guò)在送風(fēng)管道和排風(fēng)管道上采用與壓力無(wú)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(dòng)對(duì)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(guò)電動(dòng)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)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(cè)量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差（OP），與設(shè)定點(diǎn)（即期望的壓差)對(duì)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�？梢钥闯觯�送風(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓差(△p)、設(shè)定點(diǎn)、PID常數(shù)(α、β)的函數(shù)。

另一種類(lèi)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(guò)，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(jì)算潔凈室和參考區(qū)的壓差，根據(jù)這個(gè)壓差信號(hào)，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(huì)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(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)量(送風(fēng)和排氣量)的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)量和排氣量，動(dòng)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(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量送風(fēng)量和排風(fēng)量，排風(fēng)量可以在排風(fēng)主管上測(cè)量，或者如圖所示在各個(gè)單獨(dú)的排風(fēng)上測(cè)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(jiàn)馀風(fēng)量控制是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

在此，馀風(fēng)量在達(dá)到希望的壓差時(shí)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(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，正馀風(fēng)量是總排氣量大于總排氣量，會(huì)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(shí)際情況下，流量傳感器偏移時(shí)，實(shí)際的馀風(fēng)量也會(huì)發(fā)生變化。因此，為了彌補(bǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密度、管道泄漏、流量測(cè)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(shí)際運(yùn)用中必須按預(yù)定頻率驗(yàn)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(jí)3或4級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)象十分危險(xiǎn)，因此實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，管道泄漏和圍護(hù)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(shí)，壓差控制系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)計(jì)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(cè)定中是非常小的壓差(信號(hào))，對(duì)測(cè)定傳感器的校正也非常困難。由于門(mén)的開(kāi)關(guān)、生物安全柜調(diào)節(jié)門(mén)的移動(dòng)、人員的運(yùn)動(dòng)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(cè)量信號(hào)與噪音的比例為1:10。這種情況就像測(cè)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(cè)量值，平均波峰和波谷需要很長(zhǎng)時(shí)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(shí)間)是矛盾的。

對(duì)于純壓差控制系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)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(shí)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(diǎn)附近波動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。遺憾的是，由于系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定控制的時(shí)間比干擾頻率長(zhǎng)，系統(tǒng)可能會(huì)整天變動(dòng)，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(duì)于假壓差控制系統(tǒng)，其測(cè)量對(duì)象是空氣流速，比純壓差控制更穩(wěn)定、更快，流速信號(hào)和噪聲信號(hào)與動(dòng)壓的開(kāi)平方成正比關(guān)系，可將信號(hào)和噪聲比提高到1:3左右�？闪繉�(duì)象的簡(jiǎn)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(hào)的3倍，噪音發(fā)生后，控制系統(tǒng)也需要60秒以上的時(shí)間來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的輸出。需要注意的是，測(cè)量氣流速度需要在房間和參考區(qū)域開(kāi)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(duì)清潔度要求高的情況和高級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室也不應(yīng)該使用。

對(duì)于壓差和偽壓差系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在某些條件下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的壓力問(wèn)題，例如負(fù)壓控制時(shí)，清潔室門(mén)打開(kāi)時(shí)，壓差和流速等所有測(cè)量信號(hào)都會(huì)消失。有些控制器具有按預(yù)定時(shí)間鎖定輸出的功能來(lái)彌補(bǔ)這樣的問(wèn)題。但是，門(mén)長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)時(shí)，壓力控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉送風(fēng)，使房間回到負(fù)壓的設(shè)定點(diǎn)。此時(shí)，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(diǎn)，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(cè)量壓差值不能達(dá)到設(shè)定，但實(shí)際壓力不斷下降。同樣，正壓控制也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題。可想而知，這將導(dǎo)致整個(gè)潔凈室的嚴(yán)重壓力問(wèn)題。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，馀風(fēng)量(或流量跟蹤)控制系統(tǒng)的信號(hào)測(cè)定是用流量測(cè)定裝置測(cè)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(cè)量值，在這樣的情況下，例如信號(hào)測(cè)量為1000CFM，而噪聲(各種擾動(dòng))約能達(dá)到1000FM，信號(hào)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�？斓捻憫�(yīng)。因此，在對(duì)壓差控制要求高的運(yùn)用中，通常推薦或要求使用這種控制方法。

對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。對(duì)于畢托管陣列，在低風(fēng)速時(shí)也要注意測(cè)量誤差大，所以要考慮其應(yīng)用范圍。流量測(cè)量裝置的設(shè)置場(chǎng)所也必須嚴(yán)格按照其技術(shù)規(guī)格的說(shuō)明進(jìn)行選擇。否則，也會(huì)引起測(cè)量誤差。

另外，現(xiàn)在流量控制裝置出現(xiàn)在很多運(yùn)用中。它是一種直線、與壓力無(wú)關(guān)的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)閥門(mén)位置提供相應(yīng)的流量反饋信號(hào)(如文丘里閥)，其標(biāo)定和校正在出廠時(shí)由專業(yè)供應(yīng)商完成。與簡(jiǎn)單的流量測(cè)量裝置相比，該裝置的功能更加集成，在進(jìn)行流量控制的同時(shí)可以進(jìn)行流量測(cè)量。在實(shí)際使用時(shí)，這種壓力無(wú)關(guān)裝置的流量反饋精度，一般采用備份的流量測(cè)量裝置進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)前這樣的壓力無(wú)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(duì)壓差控制的性能和效果有很大影響，不密閉的圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難建立穩(wěn)定的壓力梯度。補(bǔ)充大量泄漏需要大量馀風(fēng)量，使用大量馀風(fēng)量時(shí)，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(wèn)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(hù)結(jié)構(gòu)。

管道泄漏也會(huì)影響馀風(fēng)量控制的精度和性能。在流量測(cè)量裝置和潔凈室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間，如果有空氣泄漏的管道和人的管道，流量測(cè)量的誤差會(huì)引起壓力控制的顯著偏差。在定壓系統(tǒng)中，該誤差相對(duì)一定，但系統(tǒng)靜壓變動(dòng)時(shí)，該誤差也變動(dòng)，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(duì)送風(fēng)和排風(fēng)管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，允許的最大泄漏率最大不應(yīng)超過(guò)0.5%(具體見(jiàn)空調(diào)專業(yè)設(shè)計(jì)要求)。