摘要：
壓差控制在凈化空調系統中是一個(gè)非常重要的環(huán)節。只有通過(guò)對凈化區域的壓差進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明。
關(guān)鍵詞： 壓差控制 定風(fēng)量 變風(fēng)量 控制 穩定性 響應時(shí)間
1 概述
壓差控制在凈化空調系統中是一個(gè)非常重要的環(huán)節。只有通過(guò)對凈化區域的壓差進(jìn)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(chǎng)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)人凈化區域，保證潔凈級別;并且通過(guò)對各凈化區域的不同的壓差控制，達到凈化分區的作用，在GMP中就要求不同凈化級別區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(shí)驗室建筑技術(shù)規范》中指出必須使實(shí)驗室的負壓梯度得到穩定可靠的控制。因此對于凈化空調系統來(lái)說(shuō)，壓差控制是非常重要的。
壓差控制在實(shí)現中是比較困難，特別是在生物安全實(shí)驗室中，要得到并保持精確、穩定的壓差對于控制工程師而言絕對是一件具有挑戰性的任務(wù)。因此在設計壓差控制系統時(shí)，必須要根據實(shí)際情況從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和確定:
①風(fēng)險分析評估;
②定風(fēng)量系統和變風(fēng)量系統選擇;
③壓差控制和余風(fēng)量控制方法;
④控制信號與噪聲的影響;
⑤制穩定性及響應速度;
⑥建筑結構對壓差控制的影響;風(fēng)管泄漏對壓力控制的影響。
首先，必須對壓差控制的風(fēng)險進(jìn)行分析，例如對于高等級的生物安全實(shí)驗室而言，因為它有生物污染的高風(fēng)險，各種相關(guān)的標準都對其有保持穩定負壓梯度防止污染泄漏的嚴格要求，因此控制系統就必須能夠穩定可靠的實(shí)現這樣的控制目標。
2 壓差控制方法
對于壓差控制系統來(lái)說(shuō)，其所達到的結果實(shí)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(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)量調節閥，通過(guò)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(lái)達到所期望的壓差。在選擇定風(fēng)量這樣的控制策略時(shí)必須認真的考慮，因為定風(fēng)量系統有突出的局限性。主要有以下幾點(diǎn):
(1) 所有時(shí)間，設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)設備(如生物安全柜等)增加或減少，靈活性差。未來(lái)的擴展會(huì )由于系統容量限制而受限。
(3) 必須按全負荷設計，要有較大的余量來(lái)彌補由于過(guò)濾器等造成的送風(fēng)和排風(fēng)系統性能的下降，連續的全負荷運行使能耗極大，因此運行成本非常高。
(4) 由于風(fēng)機系統、過(guò)濾器系統等性能下降或風(fēng)閥位置改變等情況下，系統經(jīng)常要重新進(jìn)行風(fēng)平衡調試，需要大量的維護。
(5) 由于在所有時(shí)間都是大風(fēng)量運行，噪音會(huì )過(guò)高。因此如果不能接受以上的局限性時(shí)，就不應選取這樣的控制策略。目前，通過(guò)在送風(fēng)管和排風(fēng)管上采用壓力無(wú)關(guān)型的定風(fēng)量控制裝置(如文丘里閥)的定風(fēng)量系統，在一定程度上可以主動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的調節流量，消除系統靜壓波動(dòng)造成的對流量的影響，從而保證流量的恒定和控制的穩定。
變風(fēng)量系統(VAV)是一種主動(dòng)式的壓力控制策略，它通過(guò)電動(dòng)風(fēng)量調節閥連續不斷的對送風(fēng)量或排風(fēng)量進(jìn)行調節，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(chēng)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(jiǎn)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與參照區域的壓差(OP)，與設定點(diǎn)(即期望的壓差)比較后，控制器根據偏差按PID調節算法對送風(fēng)量(或排風(fēng)量)進(jìn)行控制，從而達到要求的壓差?？梢钥闯?，送風(fēng)量(或排風(fēng)量)是壓差(Δp)、設定點(diǎn)以及PID常數(α，β)的函數。
另外一種相似的壓差控制方法則是根據伯努利原理，利用一個(gè)裝在小管內的風(fēng)速探頭，將小管置于潔凈室與參照區之間的開(kāi)孔中，由于潔凈室內與參照區的壓力差將使空氣從此小管中流過(guò)，管中的風(fēng)速探頭就可傳感潔凈室內與參照區之間的空氣流速，從而根據伯努利原理利用風(fēng)速計算出潔凈室與參照區的壓差，根據此壓差信號，按照上述的方法，控制器對潔凈室的送風(fēng)或排風(fēng)量進(jìn)行控制，達到所期望的壓差值，這樣的方法稱(chēng)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(chēng)為余風(fēng)量)，必然會(huì )導致潔凈室產(chǎn)生一定的壓差。余風(fēng)量(氣流追蹤)控制即控制系統實(shí)時(shí)測量風(fēng)量(送風(fēng)和排風(fēng)量)變化，通過(guò)調節送風(fēng)量或排風(fēng)量，動(dòng)態(tài)的達到相應的風(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(jiàn)圖2，控制系統利用氣流測量裝置實(shí)時(shí)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，或如圖中在各個(gè)單獨的排風(fēng)上進(jìn)行測量并求和，控制器據此調節送風(fēng)量，使其追蹤排風(fēng)量的變化，保持一定的余風(fēng)量，從而達到所希望的壓差值?？梢钥闯鲇囡L(fēng)量控制是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統。
在這里，余風(fēng)量就是達到所希望壓差時(shí)滲人或滲出潔凈室的空氣流量(單位為CFM )。負的余風(fēng)量即總排風(fēng)量大于總送風(fēng)量，它將導致負壓的產(chǎn)生，而正的余風(fēng)量則是總送風(fēng)量大于總排風(fēng)量，它將導致正壓產(chǎn)生。
余風(fēng)量是定值。但在實(shí)際情況下，它是變化的，例如當流量傳感器發(fā)生偏移時(shí)，實(shí)際的余風(fēng)量也將發(fā)生變化。因此，應該考慮選擇足夠大的余風(fēng)量來(lái)彌補由于圍護結構氣密程度、風(fēng)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(shí)際運用中都必須按照預定的頻率進(jìn)行驗證。例如對余風(fēng)量控制，每半年就應該進(jìn)行對設定的余風(fēng)量進(jìn)行校正。
2.3 混合控制系統
由于生物安全等級3或4級的生物安全實(shí)驗室的研究和實(shí)驗對象非常危險，實(shí)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(fēng)量控制兩種方法混合的控制系統是很好的選擇，它可以確保對實(shí)驗室壓差穩定可靠的控制。
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余風(fēng)量控制系統的余風(fēng)量進(jìn)行設定。當房間特性發(fā)生變化時(shí)，如風(fēng)管的泄漏以及圍護結構的氣密性等發(fā)生變化，余風(fēng)量也會(huì )發(fā)生變化(通常是變大)，此時(shí)壓差控制系統可以動(dòng)態(tài)的計算出一個(gè)合適的余風(fēng)量，以保持穩定的壓差控制。
同時(shí)，一旦余風(fēng)量增加到一個(gè)預定值時(shí)，系統將發(fā)出報警，此時(shí)可能需要對流量測量裝置進(jìn)行校正，或者對風(fēng)管和圍護結構的泄漏進(jìn)行處理，使系統狀態(tài)回到正常范圍內。因此這樣的系統可以通過(guò)對余風(fēng)量的監視實(shí)現對整個(gè)實(shí)驗室的控制系統、風(fēng)管系統、圍護結構完整性的監視。
3 穩定性與響應速度
一般建筑技術(shù)構成的房間，它能夠達到的控制壓差約為2.
5Pa，對于測量來(lái)說(shuō)這是一個(gè)非常小的壓差(信號)，同樣對于測量傳感器的校正來(lái)說(shuō)也是非常困難的。由于門(mén)的開(kāi)關(guān)、生物安全柜調節門(mén)的移動(dòng)、人員的運動(dòng)等很多因素造成的擾動(dòng)(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(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量值，就需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)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(shí)間)是矛盾的。
對于純壓差控制系統，響應時(shí)間一般要求在數分鐘以?xún)?。因此，很多這樣的控制系統都是犧牲穩定性來(lái)達到響應時(shí)間的要求，它在達到穩定控制之前需要在設定點(diǎn)附近波動(dòng)相當長(cháng)的時(shí)間。不幸的是，系統達到穩定控制的時(shí)間往往比擾動(dòng)發(fā)生的頻率長(cháng)，因此系統可能整天都在波動(dòng)，直到人員下班、工作結束，不再有擾動(dòng)發(fā)生，系統才能夠達到穩定狀態(tài)。
對于“偽壓差”控制系統，其測量對象是空氣流速，它相對于純壓差控制更穩定、更快速一些，因為流速信號和噪音信號是與動(dòng)壓的開(kāi)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?？梢钥闯?，測量對象的簡(jiǎn)單改變就可以大大改善系統的J性能。然而，即便如此，噪音依然達到了信號的3倍，當擾動(dòng)發(fā)生后，控制系統仍需要超過(guò)60秒以上的時(shí)間達到穩定輸出。需要注意的是，由于測量氣流速度需要在房間與參照區域開(kāi)孔，因此這樣的控制系統對于很多場(chǎng)合的應用是不允許的，例如對潔凈度有較高要求的場(chǎng)合，或高等級的生物安全實(shí)驗室也不應使用。
對于壓差和“偽壓差”系統來(lái)說(shuō)，在某些條件下會(huì )造成嚴重的壓力問(wèn)題，如在進(jìn)行負壓控制時(shí)，當潔凈室門(mén)打開(kāi)時(shí)，所有的測量信號如壓差和流速都會(huì )消失。雖然一些控制器有按照預定時(shí)間鎖定輸出的功能來(lái)彌補這樣的問(wèn)題。然而，當門(mén)長(cháng)時(shí)間打開(kāi)時(shí)，壓力控制系統就會(huì )關(guān)閉送風(fēng)，以便使房間回到負壓的設定點(diǎn)。此時(shí)，空氣將會(huì )從過(guò)道(或相鄰區域)被吸人打開(kāi)的房間，過(guò)道(或相鄰區域)的壓力必然下降。而如果其他潔凈室也是使用過(guò)道(或相鄰區域)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，更多的空氣被從過(guò)道(或相鄰區域)吸入潔凈室排走，測量壓差值一直不能達到設定，而實(shí)際壓力卻在不斷下降。同樣對于正壓控制也會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似的問(wèn)題?？梢韵胂?，這將會(huì )造成整個(gè)潔凈室嚴重的壓力問(wèn)題。當然，對于那些不要求嚴格房間壓差控制，或風(fēng)險評估對穩定時(shí)間以及穩定性沒(méi)有較高要求的設施，并在HVAC系統設計中采取了措施(如采用雙門(mén)互鎖的緩沖間進(jìn)行隔離)能夠避免如上述問(wèn)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(fēng)量(或流量追蹤)控制系統的信號測量是采用流量測量裝置對送風(fēng)量和排風(fēng)量進(jìn)行測量。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(dòng))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，系統可以達到很高的精度、很高的穩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(fēng)量控制系統來(lái)說(shuō)，流量測量裝置是影響系統性能的關(guān)鍵裝置。一般常用的流量測量裝置為熱線(xiàn)風(fēng)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(zhù)或堵塞在傳感器上，或傳感器受到腐蝕的影響時(shí)，其測量就會(huì )發(fā)生很大的偏差。對于畢托管陣列，還必須注意其在低風(fēng)速時(shí)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)規格的說(shuō)明進(jìn)行選擇，否則同樣會(huì )造成測量的誤差。
另外，在目前有一類(lèi)流量控制裝置出現在很多運用中。它是一種線(xiàn)性的、壓力無(wú)關(guān)的風(fēng)量調節閥，能夠根據閥門(mén)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(chǎng)時(shí)已經(jīng)由專(zhuān)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(jìn)行流量控制的同時(shí)能夠進(jìn)行流量測量。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量裝置進(jìn)行驗證。當前這樣的壓力無(wú)關(guān)型風(fēng)量調節閥，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，不密閉的圍護結構很難建立起穩定的壓力梯度。它需要有很大的余風(fēng)量才能彌補很多的泄漏，當使用很大的余風(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(wèn)題。因此必須使潔凈室有一個(gè)密閉的圍護結構，才能保證相應的壓差和合理的氣流方向。
風(fēng)管的泄漏也會(huì )對余風(fēng)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構之間，有空氣泄漏出風(fēng)管或進(jìn)人風(fēng)管，將會(huì )造成流量測量的誤差從而引起壓力控制顯著(zhù)的偏差。如果是在定壓系統中，這個(gè)誤差相對恒定;但如果系統的靜壓是波動(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(fēng)和排風(fēng)管道進(jìn)行泄漏檢測，允許的最大泄漏率最大不應超過(guò)0.5%(具體見(jiàn)空調專(zhuān)業(yè)設計要求)。