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1、概述
壓差控制在凈化空調(diào)系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。只有通過對(duì)凈化區(qū)域的壓差進(jìn)行控制，保證合理的氣流組織，才能達(dá)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(huì)進(jìn)人凈化區(qū)域，保證潔凈級(jí)別；并且通過對(duì)各凈化區(qū)域的不同的壓差控制，達(dá)到凈化分區(qū)的作用，在GMP中就要求不同凈化級(jí)別區(qū)域的壓差應(yīng)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(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》中指出必須使實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓梯度得到穩(wěn)定可靠的控制。因此對(duì)于凈化空調(diào)系統(tǒng)來說，壓差控制是非常重要的。
壓差控制在凈化空調(diào)系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。只有通過對(duì)凈化區(qū)域的壓差進(jìn)行控制，保證合理的氣流組織，才能達(dá)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(huì)進(jìn)人凈化區(qū)域，保證潔凈級(jí)別；并且通過對(duì)各凈化區(qū)域的不同的壓差控制，達(dá)到凈化分區(qū)的作用，在GMP中就要求不同凈化級(jí)別區(qū)域的壓差應(yīng)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(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》中指出必須使實(shí)驗(yàn)室的負(fù)壓梯度得到穩(wěn)定可靠的控制。因此對(duì)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(shí)現(xiàn)中是比較困難，特別是在生物安全實(shí)驗(yàn)室中，要得到并保持精確、穩(wěn)定的壓差對(duì)于控制工程師而言絕對(duì)是一件具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此在設(shè)計(jì)壓差控制系統(tǒng)時(shí)，必須要根據(jù)實(shí)際情況從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和確定：
①風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估；
②定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)選擇；
③壓差控制和余風(fēng)量控制方法；
④控制信號(hào)與噪聲的影響；
⑤制穩(wěn)定性及響應(yīng)速度；
⑥建筑結(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)樗猩镂廴镜母唢L(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)來說，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)式的控制方法，它使用手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通過簡(jiǎn)單的送風(fēng)和排風(fēng)平衡，送風(fēng)比排風(fēng)少(或多)一定的量(余風(fēng)量)，來達(dá)到所期望的壓差。在選擇定風(fēng)量這樣的控制策略時(shí)必須認(rèn)真的考慮，因?yàn)槎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)備必須保持恒定的送風(fēng)量和排風(fēng)量。
(2) 不能有任何排風(fēng)設(shè)備(如生物安全柜等)增加或減少，靈活性差。未來的擴(kuò)展會(huì)由于系統(tǒng)容量限制而受限。
(3) 必須按全負(fù)荷設(shè)計(jì)，要有較大的余量來彌補(bǔ)由于過濾器等造成的送風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)性能的下降，連續(xù)的全負(fù)荷運(yùn)行使能耗極大，因此運(yùn)行成本非常高。
(4) 由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、過濾器系統(tǒng)等性能下降或風(fēng)閥位置改變等情況下，系統(tǒng)經(jīng)常要重新進(jìn)行風(fēng)平衡調(diào)試，需要大量的維護(hù)。
(5) 由于在所有時(shí)間都是大風(fēng)量運(yùn)行，噪音會(huì)過高。因此如果不能接受以上的局限性時(shí)，就不應(yīng)選取這樣的控制策略。目前，通過在送風(fēng)管和排風(fēng)管上采用壓力無關(guān)型的定風(fēng)量控制裝置(如文丘里閥)的定風(fēng)量系統(tǒng)，在一定程度上可以主動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)流量，消除系統(tǒng)靜壓波動(dòng)造成的對(duì)流量的影響，從而保證流量的恒定和控制的穩(wěn)定。
變風(fēng)量系統(tǒng)(VAV)是一種主動(dòng)式的壓力控制策略，它通過電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥連續(xù)不斷的對(duì)送風(fēng)量或排風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持希望的壓力。主動(dòng)式的VAV壓力控制方法可以分為兩種：純壓差控制(OP)和余風(fēng)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(duì)而言簡(jiǎn)單明了，其基本原理如圖1。其控制原理為：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)比較后，控制器根據(jù)偏差按PID調(diào)節(jié)算法對(duì)送風(fēng)量(或排風(fēng)量)進(jìn)行控制，從而達(dá)到要求的壓差?？梢钥闯?，送風(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓差(Δp)、設(shè)定點(diǎn)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(gè)裝在小管內(nèi)的風(fēng)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(fēng)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(fēng)速計(jì)算出潔凈室與參照區(qū)的壓差，根據(jù)此壓差信號(hào)，按照上述的方法，控制器對(duì)潔凈室的送風(fēng)或排風(fēng)量進(jìn)行控制，達(dá)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(fēng)量(氣流追蹤)控制方法
潔凈室的送風(fēng)量與排風(fēng)量之間保持一定的風(fēng)量差(稱為余風(fēng)量)，必然會(huì)導(dǎo)致潔凈室產(chǎn)生一定的壓差。余風(fēng)量(氣流追蹤)控制即控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)量(送風(fēng)和排風(fēng)量)變化，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量或排風(fēng)量，動(dòng)態(tài)的達(dá)到相應(yīng)的風(fēng)量平衡，使送風(fēng)量和排風(fēng)量之間保持恒定的風(fēng)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(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，或如圖中在各個(gè)單獨(dú)的排風(fēng)上進(jìn)行測(cè)量并求和，控制器據(jù)此調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使其追蹤排風(fēng)量的變化，保持一定的余風(fēng)量，從而達(dá)到所希望的壓差值?？梢钥闯鲇囡L(fēng)量控制是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。
在這里，余風(fēng)量就是達(dá)到所希望壓差時(shí)滲人或滲出潔凈室的空氣流量(單位為CFM )。負(fù)的余風(fēng)量即總排風(fēng)量大于總送風(fēng)量，它將導(dǎo)致負(fù)壓的產(chǎn)生，而正的余風(fēng)量則是總送風(fēng)量大于總排風(fēng)量，它將導(dǎo)致正壓產(chǎn)生。
在圖2中的風(fēng)量等式中，余風(fēng)量是定值。但在實(shí)際情況下，它是變化的，例如當(dāng)流量傳感器發(fā)生偏移時(shí)，實(shí)際的余風(fēng)量也將發(fā)生變化。因此，應(yīng)該考慮選擇足夠大的余風(fēng)量來彌補(bǔ)由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密程度、風(fēng)管泄漏以及流量測(cè)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(shí)際運(yùn)用中都必須按照預(yù)定的頻率進(jìn)行驗(yàn)證。例如對(duì)余風(fēng)量控制，每半年就應(yīng)該進(jìn)行對(duì)設(shè)定的余風(fēng)量進(jìn)行校正。
2.3 混合控制系統(tǒng)
由于生物安全等級(jí)3或4級(jí)的生物安全實(shí)驗(yàn)室的研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)象非常危險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)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(duì)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(fēng)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(duì)實(shí)驗(yàn)室壓差穩(wěn)定可靠的控制。
通常的做法是采用余風(fēng)量控制作為基本控制方法，同時(shí)加人壓差傳感器和控制器對(duì)余風(fēng)量控制系統(tǒng)的余風(fēng)量進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)房間特性發(fā)生變化時(shí)，如風(fēng)管的泄漏以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性等發(fā)生變化，余風(fēng)量也會(huì)發(fā)生變化(通常是變大)，此時(shí)壓差控制系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)的計(jì)算出一個(gè)合適的余風(fēng)量，以保持穩(wěn)定的壓差控制。
同時(shí)，一旦余風(fēng)量增加到一個(gè)預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，此時(shí)可能需要對(duì)流量測(cè)量裝置進(jìn)行校正，或者對(duì)風(fēng)管和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的泄漏進(jìn)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(duì)余風(fēng)量的監(jiān)視實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的控制系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)完整性的監(jiān)視。
3、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度
一般建筑技術(shù)構(gòu)成的房間，它能夠達(dá)到的控制壓差約為2. 5Pa，對(duì)于測(cè)量來說這是一個(gè)非常小的壓差(信號(hào))，同樣對(duì)于測(cè)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(dòng)、人員的運(yùn)動(dòng)等很多因素造成的擾動(dòng)(噪聲)約可達(dá)到25Pa。因此對(duì)于純壓差控制而言，其測(cè)量信號(hào)與噪聲之比為1：10。這樣的情形就如同測(cè)量一個(gè)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(cè)量值，就需要很長(zhǎng)的時(shí)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(yīng)就不可能保證精度，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(dá)到響應(yīng)時(shí)間的要求，它在達(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。不幸的是，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定控制的時(shí)間往往比擾動(dòng)發(fā)生的頻率長(zhǎng)，因此系統(tǒng)可能整天都在波動(dòng)，直到人員下班、工作結(jié)束，不再有擾動(dòng)發(fā)生，系統(tǒng)才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
對(duì)于“偽壓差”控制系統(tǒng)，其測(cè)量對(duì)象是空氣流速，它相對(duì)于純壓差控制更穩(wěn)定、更快速一些，因?yàn)榱魉傩盘?hào)和噪音信號(hào)是與動(dòng)壓的開平方成比例關(guān)系，它大約能夠把信號(hào)與噪聲比提高到1：3?？梢钥闯?，測(cè)量對(duì)象的簡(jiǎn)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(dá)到了信號(hào)的3倍，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，控制系統(tǒng)仍需要超過60秒以上的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定輸出。需要注意的是，由于測(cè)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(duì)于很多場(chǎng)合的應(yīng)用是不允許的，例如對(duì)潔凈度有較高要求的場(chǎng)合，或高等級(jí)的生物安全實(shí)驗(yàn)室也不應(yīng)使用。
對(duì)于壓差和“偽壓差”系統(tǒng)來說，在某些條件下會(huì)造成嚴(yán)重的壓力問題，如在進(jìn)行負(fù)壓控制時(shí)，當(dāng)潔凈室門打開時(shí)，所有的測(cè)量信號(hào)如壓差和流速都會(huì)消失。雖然一些控制器有按照預(yù)定時(shí)間鎖定輸出的功能來彌補(bǔ)這樣的問題。然而，當(dāng)門長(zhǎng)時(shí)間打開時(shí)，壓力控制系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉送風(fēng)，以便使房間回到負(fù)壓的設(shè)定點(diǎn)。此時(shí)，空氣將會(huì)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(diǎn)，那么其他潔凈室的壓差控制器也將關(guān)閉送風(fēng)，由此發(fā)生連鎖反應(yīng)，更多的空氣被從過道(或相鄰區(qū)域)吸入潔凈室排走，測(cè)量壓差值一直不能達(dá)到設(shè)定，而實(shí)際壓力卻在不斷下降。同樣對(duì)于正壓控制也會(huì)產(chǎn)生類似的問題?？梢韵胂瘢@將會(huì)造成整個(gè)潔凈室嚴(yán)重的壓力問題。當(dāng)然，對(duì)于那些不要求嚴(yán)格房間壓差控制，或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)穩(wěn)定時(shí)間以及穩(wěn)定性沒有較高要求的設(shè)施，并在HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了措施(如采用雙門互鎖的緩沖間進(jìn)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(duì)而言，余風(fēng)量(或流量追蹤)控制系統(tǒng)的信號(hào)測(cè)量是采用流量測(cè)量裝置對(duì)送風(fēng)量和排風(fēng)量進(jìn)行測(cè)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，在這樣的情況下，系統(tǒng)可以達(dá)到很高的精度、很高的穩(wěn)定性以及非常迅速的響應(yīng)。因此在對(duì)壓差控制有較高要求的運(yùn)用中，通常都推薦或要求使用這樣的控制方法。
對(duì)于余風(fēng)量控制系統(tǒng)來說，流量測(cè)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(cè)量裝置為熱線風(fēng)速傳感器陣列和畢托管陣列。這樣的流量測(cè)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(shí)，其測(cè)量就會(huì)發(fā)生很大的偏差。對(duì)于畢托管陣列，還必須注意其在低風(fēng)速時(shí)有很大的測(cè)量誤差，所以應(yīng)考慮其應(yīng)用范圍。流量測(cè)量裝置的安裝位置同樣也需要嚴(yán)格按照其技術(shù)規(guī)格的說明進(jìn)行選擇，否則同樣會(huì)造成測(cè)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(yùn)用中。它是一種線性的、壓力無關(guān)的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，能夠根據(jù)閥門位置提供相應(yīng)流量反饋信號(hào)(例如文丘里閥)，其標(biāo)定和校正在出廠時(shí)已經(jīng)由專業(yè)供貨商完成。相對(duì)于單純的流量測(cè)量裝置，這種裝置功能更加的集成，它在進(jìn)行流量控制的同時(shí)能夠進(jìn)行流量測(cè)量。在實(shí)際使用時(shí)，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(cè)量裝置進(jìn)行驗(yàn)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(duì)壓差控制的性能和效果有很大的影響，不密閉的圍護(hù)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(fēng)量才能彌補(bǔ)很多的泄漏，當(dāng)使用很大的余風(fēng)量時(shí)，將向相鄰空間中抽取(或排出)大量的二次空氣，因此可能會(huì)造成溫度、濕度控制的問題。因此必須使?jié)崈羰矣幸粋€(gè)密閉的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，才能保證相應(yīng)的壓差和合理的氣流方向。
風(fēng)管的泄漏也會(huì)對(duì)余風(fēng)量控制的精度和性能造成影響。如果在流量測(cè)量裝置和潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間，有空氣泄漏出風(fēng)管或進(jìn)人風(fēng)管，將會(huì)造成流量測(cè)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(gè)誤差相對(duì)恒定；但如果系統(tǒng)的靜壓是波動(dòng)的，這個(gè)誤差也將會(huì)波動(dòng)，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(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0.5%。
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