摘要： 壓差控制在凈化空調(diào)系統(tǒng)中是一個非常重要的環(huán)節(jié)。只有通過對凈化區(qū)域的壓差進行控制，保證合理的氣流組織，才能達到凈化和工藝的要求。介紹幾種常用的壓差控制方法，并對各種控制方法的特點進行分析說明。

    關(guān)鍵詞： 壓差控制 定風量 變風量 控制 穩(wěn)定性 響應時間

    1 概述

    壓差控制在凈化空調(diào)系統(tǒng)中是一個非常重要的環(huán)節(jié)。只有通過對凈化區(qū)域的壓差進行控制，保證合理的氣流組織，才能達到凈化和工藝的要求。例如潔凈廠房必須保持一定的正壓使外界未經(jīng)凈化的空氣不會進人凈化區(qū)域，保證潔凈級別；并且通過對各凈化區(qū)域的不同的壓差控制，達到凈化分區(qū)的作用，在GMP中就要求不同凈化級別區(qū)域的壓差應得到控制不小于+5Pa.在生物安全潔凈室中，壓差控制更是保證安全防護屏障的關(guān)鍵指標，在《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》中指出必須使實驗室的負壓梯度得到穩(wěn)定可靠的控制。因此對于凈化空調(diào)系統(tǒng)來說，壓差控制是非常重要的。

    壓差控制在實現(xiàn)中是比較困難，特別是在生物安全實驗室中，要得到并保持精確、穩(wěn)定的壓差對于控制工程師而言絕對是一件具有挑戰(zhàn)性的任務。因此在設計壓差控制系統(tǒng)時，必須要根據(jù)實際情況從以下幾個方面進行分析和確定：

    ①風險分析評估；

    ②定風量系統(tǒng)和變風量系統(tǒng)選擇；

    ③壓差控制和余風量控制方法；

    ④控制信號與噪聲的影響；

    ⑤制穩(wěn)定性及響應速度；

    ⑥建筑結(jié)構(gòu)對壓差控制的影響；風管泄漏對壓力控制的影響。

    首先，必須對壓差控制的風險進行分析，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險，各種相關(guān)的標準都對其有保持穩(wěn)定負壓梯度防止污染泄漏的嚴格要求，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。

    2 壓差控制方法

    對于壓差控制系統(tǒng)來說，其所達到的結(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。

    定風量（CAV）是一種被動式的控制方法，它使用手動風量調(diào)節(jié)閥，通過簡單的送風和排風平衡，送風比排風少（或多）一定的量（余風量），來達到所期望的壓差。在選擇定風量這樣的控制策略時必須認真的考慮，因為定風量系統(tǒng)有突出的局限性。主要有以下幾點：

    （1） 所有時間，設備必須保持恒定的送風量和排風量。

    （2） 不能有任何排風設備（如生物安全柜等）增加或減少，靈活性差。未來的擴展會由于系統(tǒng)容量限制而受限。

    （3） 必須按全負荷設計，要有較大的余量來彌補由于過濾器等造成的送風和排風系統(tǒng)性能的下降，連續(xù)的全負荷運行使能耗極大，因此運行成本非常高。

    （4） 由于風機系統(tǒng)、過濾器系統(tǒng)等性能下降或風閥位置改變等情況下，系統(tǒng)經(jīng)常要重新進行風平衡調(diào)試，需要大量的維護。

    （5） 由于在所有時間都是大風量運行，噪音會過高。因此如果不能接受以上的局限性時，就不應選取這樣的控制策略。目前，通過在送風管和排風管上采用壓力無關(guān)型的定風量控制裝置（如文丘里閥）的定風量系統(tǒng)，在一定程度上可以主動的、動態(tài)的調(diào)節(jié)流量，消除系統(tǒng)靜壓波動造成的對流量的影響，從而保證流量的恒定和控制的穩(wěn)定。

    變風量系統(tǒng)（VAV）是一種主動式的壓力控制策略，它通過電動風量調(diào)節(jié)閥連續(xù)不斷的對送風量或排風量進行調(diào)節(jié)，以保持希望的壓力。主動式的VAV壓力控制方法可以分為兩種：純壓差控制（OP）和余風量（又稱為流量追蹤）控制（AV）。

    2.1 純壓差控制方法

    純壓差控制方法相對而言簡單明了，其基本原理如圖1.其控制原理為：壓差傳感器測量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差（OP），與設定點（即期望的壓差）比較后，控制器根據(jù)偏差按PID調(diào)節(jié)算法對送風量（或排風量）進行控制，從而達到要求的壓差�？梢钥闯觯�送風量（或排風量）是壓差（Δp）、設定點以及PID 常數(shù)（α，β）的函數(shù)。

    另外一種相似的壓差控制方法則是根據(jù)伯努利原理，利用一個裝在小管內(nèi)的風速探頭，將小管置于潔凈室與參照區(qū)之間的開孔中，由于潔凈室內(nèi)與參照區(qū)的壓力差將使空氣從此小管中流過，管中的風速探頭就可傳感潔凈室內(nèi)與參照區(qū)之間的空氣流速，從而根據(jù)伯努利原理利用風速計算出潔凈室與參照區(qū)的壓差，根據(jù)此壓差信號，按照上述的方法，控制器對潔凈室的送風或排風量進行控制，達到所期望的壓差值，這樣的方法稱為“偽壓差”控制方法。

    2.2 余風量（氣流追蹤）控制方法

    潔凈室的送風量與排風量之間保持一定的風量差（稱為余風量），必然會導致潔凈室產(chǎn)生一定的壓差。余風量（氣流追蹤）控制即控制系統(tǒng)實時測量風量（送風和排風量）變化，通過調(diào)節(jié)送風量或排風量，動態(tài)的達到相應的風量平衡，使送風量和排風量之間保持恒定的風量差，從而維持恒定的壓差。其基本原理見圖2，控制系統(tǒng)利用氣流測量裝置實時測量送風量和排風量，排風量可以在排風主管上測量，或如圖中在各個單獨的排風上進行測量并求和，控制器據(jù)此調(diào)節(jié)送風量，使其追蹤排風量的變化，保持一定的余風量，從而達到所希望的壓差值�？梢钥闯鲇囡L量控制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

    在這里，余風量就是達到所希望壓差時滲人或滲出潔凈室的空氣流量（單位為CFM ）。負的余風量即總排風量大于總送風量，它將導致負壓的產(chǎn)生，而正的余風量則是總送風量大于總排風量，它將導致正壓產(chǎn)生。

    在圖2中的風量等式中，余風量是定值。但在實際情況下，它是變化的，例如當流量傳感器發(fā)生偏移時，實際的余風量也將發(fā)生變化。因此，應該考慮選擇足夠大的余風量來彌補由于圍護結(jié)構(gòu)氣密程度、風管泄漏以及流量測量裝置精度誤差等造成的影響。

    上述的兩種壓差控制方法，在實際運用中都必須按照預定的頻率進行驗證。例如對余風量控制，每半年就應該進行對設定的余風量進行校正。

    2.3 混合控制系統(tǒng)

    由于生物安全等級3或4級的生物安全實驗室的研究和實驗對象非常危險，實驗室的壓差控制以及氣流方向控制更加重要，必須確保壓差和氣流方向得到穩(wěn)定可靠的控制。對于這樣壓差控制非常關(guān)鍵的地方，采用純壓差控制和余風量控制兩種方法混合的控制系統(tǒng)是很好的選擇，它可以確保對實驗室壓差穩(wěn)定可靠的控制。

    通常的做法是采用余風量控制作為基本控制方法，同時加人壓差傳感器和控制器對余風量控制系統(tǒng)的余風量進行設定。當房間特性發(fā)生變化時，如風管的泄漏以及圍護結(jié)構(gòu)的氣密性等發(fā)生變化，余風量也會發(fā)生變化（通常是變大），此時壓差控制系統(tǒng)可以動態(tài)的計算出一個合適的余風量，以保持穩(wěn)定的壓差控制。

    同時，一旦余風量增加到一個預定值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警，此時可能需要對流量測量裝置進行校正，或者對風管和圍護結(jié)構(gòu)的泄漏進行處理，使系統(tǒng)狀態(tài)回到正常范圍內(nèi)。因此這樣的系統(tǒng)可以通過對余風量的監(jiān)視實現(xiàn)對整個實驗室的控制系統(tǒng)、風管系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu)完整性的監(jiān)視。

    3 穩(wěn)定性與響應速度

    一般建筑技術(shù)構(gòu)成的房間，它能夠達到的控制壓差約為2. 5Pa，對于測量來說這是一個非常小的壓差（信號），同樣對于測量傳感器的校正來說也是非常困難的。由于門的開關(guān)、生物安全柜調(diào)節(jié)門的移動、人員的運動等很多因素造成的擾動（噪聲）約可達到25Pa.因此對于純壓差控制而言，其測量信號與噪聲之比為1：10.這樣的情形就如同測量一個湖泊的液位，要求精度在1厘米，而湖泊的波浪卻有10厘米高，如果希望得到精確的測量值，就需要很長的時間來平均波峰和波谷。在這樣的情況下，如果希望快速的響應就不可能保證精度，精度與速度（或響應時間）是矛盾的。

    對于純壓差控制系統(tǒng)，響應時間一般要求在數(shù)分鐘以內(nèi)。因此，很多這樣的控制系統(tǒng)都是犧牲穩(wěn)定性來達到響應時間的要求，它在達到穩(wěn)定控制之前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)定控制的時間往往比擾動發(fā)生的頻率長，因此系統(tǒng)可能整天都在波動，直到人員下班、工作結(jié)束，不再有擾動發(fā)生，系統(tǒng)才能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)。

    對于“偽壓差”控制系統(tǒng)，其測量對象是空氣流速，它相對于純壓差控制更穩(wěn)定、更快速一些，因為流速信號和噪音信號是與動壓的開平方成比例關(guān)系，它大約能夠把信號與噪聲比提高到1：3.可以看出，測量對象的簡單改變就可以大大改善系統(tǒng)的J性能。然而，即便如此，噪音依然達到了信號的3倍，當擾動發(fā)生后，控制系統(tǒng)仍需要超過60秒以上的時間達到穩(wěn)定輸出。需要注意的是，由于測量氣流速度需要在房間與參照區(qū)域開孔，因此這樣的控制系統(tǒng)對于很多場合的應用是不允許的，例如對潔凈度有較高要求的場合，或高等級的生物安全實驗室也不應使用。

    對于壓差和“偽壓差”系統(tǒng)來說，在某些條件下會造成嚴重的壓力問題，如在進行負壓控制時，當潔凈室門打開時，所有的測量信號如壓差和流速都會消失。雖然一些控制器有按照預定時間鎖定輸出的功能來彌補這樣的問題。然而，當門長時間打開時，壓力控制系統(tǒng)就會關(guān)閉送風，以便使房間回到負壓的設定點。此時，空氣將會從過道（或相鄰區(qū)域）被吸人打開的房間，過道（或相鄰區(qū)域）的壓力必然下降。而如果其他潔凈室也是使用過道（或相鄰區(qū)域）作為壓差參照點，那么其他潔凈室的壓差控制器也將關(guān)閉送風，由此發(fā)生連鎖反應，更多的空氣被從過道（或相鄰區(qū)域）吸入潔凈室排走，測量壓差值一直不能達到設定，而實際壓力卻在不斷下降。同樣對于正壓控制也會產(chǎn)生類似的問題。可以想像，這將會造成整個潔凈室嚴重的壓力問題。當然，對于那些不要求嚴格房間壓差控制，或風險評估對穩(wěn)定時間以及穩(wěn)定性沒有較高要求的設施，并在HVAC系統(tǒng)設計中采取了措施（如采用雙門互鎖的緩沖間進行隔離）能夠避免如上述問題發(fā)生的情況下，采用純壓差控制也是可行的。

    相對而言，余風量（或流量追蹤）控制系統(tǒng)的信號測量是采用流量測量裝置對送風量和排風量進行測量。而送風量和排風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）約能達到1000FM，信號噪聲比可以高達10 ： 1.因此，在這樣的情況下，系統(tǒng)可以達到很高的精度、很高的穩(wěn)定性以及非常迅速的響應。因此在對壓差控制有較高要求的運用中，通常都推薦或要求使用這樣的控制方法。

    對于余風量控制系統(tǒng)來說，流量測量裝置是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵裝置。一般常用的流量測量裝置為熱線風速傳感器陣列和畢托管陣列。這樣的流量測量裝置有很高的精度。然而一旦有顆粒附著或堵塞在傳感器上，或傳感器受到腐蝕的影響時，其測量就會發(fā)生很大的偏差。對于畢托管陣列，還必須注意其在低風速時有很大的測量誤差，所以應考慮其應用范圍。流量測量裝置的安裝位置同樣也需要嚴格按照其技術(shù)規(guī)格的說明進行選擇，否則同樣會造成測量的誤差。

    另外，在目前有一類流量控制裝置出現(xiàn)在很多運用中。它是一種線性的、壓力無關(guān)的風量調(diào)節(jié)閥，能夠根據(jù)閥門位置提供相應流量反饋信號（例如文丘里閥），其標定和校正在出廠時已經(jīng)由專業(yè)供貨商完成。相對于單純的流量測量裝置，這種裝置功能更加的集成，它在進行流量控制的同時能夠進行流量測量。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。當前這樣的壓力無關(guān)型風量調(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的影響，不密閉的圍護結(jié)構(gòu)很難建立起穩(wěn)定的壓力梯度。它需要有很大的余風量才能彌補很多的泄漏，當使用很大的余風量時，將向相鄰空間中抽�。ɑ蚺懦觯┐罅康亩�次空氣，因此可能會造成溫度、濕度控制的問題。因此必須使?jié)崈羰矣幸粋�密閉的圍護結(jié)構(gòu)，才能保證相應的壓差和合理的氣流方向。

    風管的泄漏也會對余風量控制的精度和性能造成影響。如果在流量測量裝置和潔凈室圍護結(jié)構(gòu)之間，有空氣泄漏出風管或進人風管，將會造成流量測量的誤差從而引起壓力控制顯著的偏差。如果是在定壓系統(tǒng)中，這個誤差相對恒定；但如果系統(tǒng)的靜壓是波動的，這個誤差也將會波動，因此控制系統(tǒng)非常難以采取技術(shù)措施消除這樣的誤差，從而造成控制性能的惡化。因此，必須要求對送風和排風管道進行泄漏檢測，允許的最大泄漏率最大不應超過0.5%（具體見空調(diào)專業(yè)設計要求）。

    轉(zhuǎn)載2005年醫(yī)藥工程設計雜志參考文獻：

    [1] Dale T. Hitchings， Space pressurization control sysems， ASHRAE journal， 1994

    [2] Honeywell Inc， Bull ding airflow system control applications，1998.