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   摘要：
壓差控制在凈化空調系統(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。

        1 概述

     壓差控制在凈化空調系統(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鍵指標，在《生物安全實驗室建筑技術規(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建筑結構對壓差控制的影響；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，其所達到的結果實質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)經常要重新進行風平衡調試，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，它通過電動風量調節(jié)閥連續(xù)不斷的對送風量或排風量進行調節(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，控制器根據偏差按PID調節(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?，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伯努利原理，利用一個裝在小管內的風速探頭，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與參照區(qū)之間的空氣流速，從而根據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，控制器據此調節(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構氣密程度、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構的氣密性等發(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構的泄漏進行處理，使系統(tǒng)狀態(tài)回到正常范圍內。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)、圍護結構完整性的監(jiān)視。

    3 穩(wěn)定性與響應速度

    一般建筑技術構成的房間，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、生物安全柜調節(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。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