摘要：
壓差控制在凈化空調系統中是一個非常重要的環節。只有通過對凈化區域的壓差進行控制，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。
關鍵詞： 壓差控制 定風量 變風量 控制 穩定性 響應時間
1 概述
壓差控制在凈化空調系統中是一個非常重要的環節。只有通過對凈化區域的壓差進行控制，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域，保證潔凈級別;并且通過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鍵指標，在《生物安全實驗室建筑技術規范》中指出必須使實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說，壓差控制是非常重要的。
壓差控制在實現中是比較困難，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。因此在設計壓差控制系統時，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定風量系統和變風量系統選擇;
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現這樣的控制目標。
2 壓差控制方法
對于壓差控制系統來說，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) 由于風機系統、過濾器系統等性能下降或風閥位置改變等情況下，系統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，在一定程度上可以主動的、動態的調節流量，消除系統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定。
變風量系統(VAV)是一種主動式的壓力控制策略，它通過電動風量調節閥連續不斷的對送風量或排風量進行調節，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調節算法對送風量(或排風量)進行控制，從而達到要求的壓差。可以看出，送風量(或排風量)是壓差(Δp)、設定點以及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，利用一個裝在小管內的風速探頭，將小管置于潔凈室與參照區之間的開孔中，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，管中的風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)控制即控制系統實時測量風量(送風和排風量)變化，通過調節送風量或排風量，動態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。可以看出余風量控制是一個開環控制系統。
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。
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生偏移時，實際的余風量也將發生變化。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
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是很好的選擇，它可以確保對實驗室壓差穩定可靠的控制。
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的余風量進行設定。當房間特性發生變化時，如風管的泄漏以及圍護結構的氣密性等發生變化，余風量也會發生變化(通常是變大)，此時壓差控制系統可以動態的計算出一個合適的余風量，以保持穩定的壓差控制。
同時，一旦余風量增加到一個預定值時，系統將發出報警，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，使系統狀態回到正常范圍內。因此這樣的系統可以通過對余風量的監視實現對整個實驗室的控制系統、風管系統、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，響應時間一般要求在數分鐘以內。因此，很多這樣的控制系統都是犧牲穩定性來達到響應時間的要求，它在達到穩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，系統達到穩定控制的時間往往比擾動發生的頻率長，因此系統可能整天都在波動，直到人員下班、工作結束，不再有擾動發生，系統才能夠達到穩定狀態。
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，當擾動發生后，控制系統仍需要超過60秒以上的時間達到穩定輸出。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孔，因此這樣的控制系統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，壓力控制系統就會關閉送風，以便使房間回到負壓的設定點。此時，空氣將會從過道(或相鄰區域)被吸人打開的房間，過道(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道(或相鄰區域)作為壓差參照點，那么其他潔凈室的壓差控制器也將關閉送風，由此發生連鎖反應，更多的空氣被從過道(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，而實際壓力卻在不斷下降。同樣對于正壓控制也會產生類似的問題。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，或風險評估對穩定時間以及穩定性沒有較高要求的設施，并在HVAC系統設計中采取了措施(如采用雙門互鎖的緩沖間進行隔離)能夠避免如上述問題發生的情況下，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。
對于余風量控制系統來說，流量測量裝置是影響系統性能的關鍵裝置。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規格的說明進行選擇，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在很多運用中。它是一種線性的、壓力無關的風量調節閥，能夠根據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由專業供貨商完成。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型風量調節閥，已經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。因此必須使潔凈室有一個密閉的圍護結構，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構之間，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。如果是在定壓系統中，這個誤差相對恒定;但如果系統的靜壓是波動的，這個誤差也將會波動，因此控制系統非常難以采取技術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%(具體見空調專業設計要求)。