實驗室壓差控制系統(tǒng)及潔凈室通風系統(tǒng)組成

實驗室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(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(wù),。因此在設(shè)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：

實驗室對于壓差控制系統(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。

實驗室主要有以下幾點：
1,、所有時間,，設(shè)備必須保持恒定的送風量和排風量。

2,、不能有任何排風設(shè)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(shè)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(yīng)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),。

實驗室純壓差控制方法:
純壓差控制方法相對而言簡單明了,。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(shè)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惋L量(或排風量)是壓差(Δp),、設(shè)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,。

實驗室余風量(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(dǎo)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(yīng)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)。

實驗室穩(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(yīng)就不可能保證精度，精度與速度(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(yīng)時間的要求,，它在達到穩(wěn)定控制之前需要在設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(shè)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(yīng),，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(shè)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?？梢韵胂?，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(shè)施，并在HVAC系統(tǒng)設(shè)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(yīng),。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(yīng)考慮其應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。

實驗室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,，將向相鄰空間中抽取(或排出)大量的二次空氣,，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(yīng)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(yīng)超過0.5%,。