無塵車間的室內壓差如何控製與風量係統選擇
無塵車間的室內(nei) 壓差如何控製與(yu) 風量係統選擇
壓差控製在無塵車間中是一個(ge) 非常重要的環節。隻有通過對淨化區域的壓差進行控製，保證合理的氣流組織，才能達到淨化和工藝的要求。例如潔淨廠房必須保持一定的正壓使外界未經淨化的空氣不會(hui) 進人淨化區域，保證潔淨級別;並且通過對各淨化區域的不同的壓差控製，達到淨化分區的作用，在GMP中就要求不同淨化級別區域的壓差應得到控製不小於(yu) +5Pa。
無塵車間生物安全潔淨室中，壓差控製更是保證安全防護屏障的關(guan) 鍵指標，在《生物安全實驗室建築技術規範》中指出必須使實驗室的負壓梯度得到穩定可靠的控製。因此對於(yu) 無塵車間來說，壓差控製是非常重要的。
無塵車間壓差控製在實現中是比較困難，特別是在生物安全實驗室中，要得到並保持精確、穩定的壓差對於(yu) 控製工程師而言絕對是一件具有挑戰性的任務。因此在設計壓差控製係統時，必須要根據實際情況從(cong) 以下幾個(ge) 方麵進行分析和確定:
①風險分析評估;
②定風量係統和變風量係統選擇;
③壓差控製和餘(yu) 風量控製方法;
④控製信號與(yu) 噪聲的影響;
⑤製穩定性及響應速度;
⑥建築結構對壓差控製的影響;風管泄漏對壓力控製的影響。
首先，必須對壓差控製的風險進行分析，例如對於(yu) 高等級的生物安全實驗室而言，因為(wei) 它有生物汙染的高風險，各種相關(guan) 的標準都對其有保持穩定負壓梯度防止汙染泄漏的嚴(yan) 格要求，因此控製係統就必須能夠穩定可靠的實現這樣的控製目標。
2、無塵車間壓差控製方法
對於(yu) 壓差控製係統來說，其所達到的結果實質上是對滲人或滲出空氣的控製，就其控製策略而言可分為(wei) 被動式和主動式控製。
定風量(CAV)是一種被動式的控製方法，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(餘(yu) 風量)，來達到所期望的壓差。在選擇定風量這樣的控製策略時必須認真的考慮，因為(wei) 定風量係統有突出的局限性。
無塵車間無塵車間主要有以下幾點:
(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(如生物安全櫃等)增加或減少，靈活性差。未來的擴展會(hui) 由於(yu) 係統容量限製而受限。
(3)必須按全負荷設計，要有較大的餘(yu) 量來彌補由於(yu) 過濾器等造成的送風和排風係統性能的下降，連續的全負荷運行使能耗極大，因此運行成本非常高。
(4)由於(yu) 風機係統、過濾器係統等性能下降或風閥位置改變等情況下，係統經常要重新進行風平衡調試，需要大量的維護。
(5)由於(yu) 在所有時間都是大風量運行，噪音會(hui) 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製策略。目前，通過在送風管和排風管上采用壓力無關(guan) 型的定風量控製裝置(如文丘裏閥)的定風量係統，在一定程度上可以主動的、動態的調節流量，消除係統靜壓波動造成的對流量的影響，從(cong) 而保證流量的恒定和控製的穩定。
變風量係統(VAV)是一種主動式的壓力控製策略，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壓力控製方法可以分為(wei) 兩(liang) 種:純壓差控製(OP)和餘(yu) 風量(又稱為(wei) 流量追蹤)控製(AV).
2.1純壓差控製方法
純壓差控製方法相對而言簡單明了，其基本原理如圖1。其控製原理為(wei) :壓差傳(chuan) 感器測量室內(nei) 與(yu) 參照區域的壓差(OP)，與(yu) 設定點(即期望的壓差)比較後，控製器根據偏差按PID調節算法對送風量(或排風量)進行控製，從(cong) 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製方法則是根據伯努利原理，利用一個(ge) 裝在小管內(nei) 的風速探頭，將小管置於(yu) 潔淨室與(yu) 參照區之間的開孔中，由於(yu) 潔淨室內(nei) 與(yu) 參照區的壓力差將使空氣從(cong) 此小管中流過，管中的風速探頭就可傳(chuan) 感潔淨室內(nei) 與(yu) 參照區之間的空氣流速，從(cong) 而根據伯努利原理利用風速計算出潔淨室與(yu) 參照區的壓差，根據此壓差信號，按照上述的方法，控製器對潔淨室的送風或排風量進行控製，達到所期望的壓差值，這樣的方法稱為(wei) “偽(wei) 壓差”控製方法。
2.2餘(yu) 風量(氣流追蹤)控製方法
潔淨室的送風量與(yu) 排風量之間保持一定的風量差(稱為(wei) 餘(yu) 風量)，必然會(hui) 導致潔淨室產(chan) 生一定的壓差。餘(yu) 風量(氣流追蹤)控製即控製係統實時測量風量(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(cong) 而維持恒定的壓差。其基本原理見圖2，控製係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(ge) 單獨的排風上進行測量並求和，控製器據此調節送風量，使其追蹤排風量的變化，保持一定的餘(yu) 風量，從(cong) 而達到所希望的壓差值。可以看出餘(yu) 風量控製是一個(ge) 開環控製係統。
在這裏，餘(yu) 風量就是達到所希望壓差時滲人或滲出潔淨室的空氣流量(單位為(wei) CFM )。負的餘(yu) 風量即總排風量大於(yu) 總送風量，它將導致負壓的產(chan) 生，而正的餘(yu) 風量則是總送風量大於(yu) 總排風量，它將導致正壓產(chan) 生。
在圖2中的風量等式中，餘(yu) 風量是定值。但在實際情況下，它是變化的，例如當流量傳(chuan) 感器發生偏移時，實際的餘(yu) 風量也將發生變化。因此，應該考慮選擇足夠大的餘(yu) 風量來彌補由於(yu) 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(liang) 種壓差控製方法，在實際運用中都必須按照預定的頻率進行驗證。例如對餘(yu) 風量控製，每半年就應該進行對設定的餘(yu) 風量進行校正。
2.3混合控製係統
由於(yu) 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，實驗室的壓差控製以及氣流方向控製更加重要，必須確保壓差和氣流方向得到穩定可靠的控製。對於(yu) 這樣壓差控製非常關(guan) 鍵的地方，采用純壓差控製和餘(yu) 風量控製兩(liang) 種方法混合的控製係統是很好的選擇，它可以確保對實驗室壓差穩定可靠的控製。
通常的做法是采用餘(yu) 風量控製作為(wei) 基本控製方法，同時加人壓差傳(chuan) 感器和控製器對餘(yu) 風量控製係統的餘(yu) 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，餘(yu) 風量也會(hui) 發生變化(通常是變大)，此時壓差控製係統可以動態的計算出一個(ge) 合適的餘(yu) 風量，以保持穩定的壓差控製。
同時，一旦餘(yu) 風量增加到一個(ge) 預定值時，係統將發出報警，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，使係統狀態回到正常範圍內(nei) 。因此這樣的係統可以通過對餘(yu) 風量的監視實現對整個(ge) 實驗室的控製係統、風管係統、圍護結構完整性的監視。
3、穩定性與(yu) 響應速度
一般建築技術構成的房間，它能夠達到的控製壓差約為(wei) 2. 5Pa，對於(yu) 測量來說這是一個(ge) 非常小的壓差(信號)，同樣對於(yu) 測量傳(chuan) 感器的校正來說也是非常困難的。由於(yu) 門的開關(guan) 、生物安全櫃調節門的移動、人員的運動等很多因素造成的擾動(噪聲)約可達到25Pa。因此對於(yu) 純壓差控製而言，其測量信號與(yu) 噪聲之比為(wei) 1:10。這樣的情形就如同測量一個(ge) 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穀。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(yu) 速度(或響應時間)是矛盾的。
對於(yu) 純壓差控製係統，響應時間一般要求在數分鍾以內(nei) 。因此，很多這樣的控製係統都是犧牲穩定性來達到響應時間的要求，它在達到穩定控製之前需要在設定點附近波動相當長的時間。不幸的是，係統達到穩定控製的時間往往比擾動發生的頻率長，因此係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，係統才能夠達到穩定狀態。
對於(yu) “偽(wei) 壓差”控製係統，其測量對象是空氣流速，它相對於(yu) 純壓差控製更穩定、更快速一些，因為(wei) 流速信號和噪音信號是與(yu) 動壓的開平方成比例關(guan) 係，它大約能夠把信號與(yu) 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係統的J性能。然而，即便如此，噪音依然達到了信號的3倍，當擾動發生後，控製係統仍需要超過60秒以上的時間達到穩定輸出。需要注意的是，由於(yu) 測量氣流速度需要在房間與(yu) 參照區域開孔，因此這樣的控製係統對於(yu) 很多場合的應用是不允許的，例如對潔淨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。
對於(yu) 壓差和“偽(wei) 壓差”係統來說，在某些條件下會(hui) 造成嚴(yan) 重的壓力問題，如在進行負壓控製時，當潔淨室門打開時，所有的測量信號如壓差和流速都會(hui) 消失。雖然一些控製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，壓力控製係統就會(hui) 關(guan) 閉送風，以便使房間回到負壓的設定點。此時，空氣將會(hui) 從(cong) 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。而如果其他潔淨室也是使用過道(或相鄰區域)作為(wei) 壓差參照點，那麽(me) 其他潔淨室的壓差控製器也將關(guan) 閉送風，由此發生連鎖反應，更多的空氣被從(cong) 過道(或相鄰區域)吸入潔淨室排走，測量壓差值一直不能達到設定，而實際壓力卻在不斷下降。同樣對於(yu) 正壓控製也會(hui) 產(chan) 生類似的問題。可以想像，這將會(hui) 造成整個(ge) 潔淨室嚴(yan) 重的壓力問題。當然，對於(yu) 那些不要求嚴(yan) 格房間壓差控製，或風險評估對穩定時間以及穩定性沒有較高要求的設施，並在HVAC係統設計中采取了措施(如采用雙門互鎖的緩衝(chong) 間進行隔離)能夠避免如上述問題發生的情況下，采用純壓差控製也是可行的。
相對而言，餘(yu) 風量(或流量追蹤)控製係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(wei) 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，係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。因此在對壓差控製有較高要求的運用中，通常都推薦或要求使用這樣的控製方法。
對於(yu) 餘(yu) 風量控製係統來說，無塵車間裏的流量測量裝置是影響係統性能的關(guan) 鍵裝置。一般常用的流量測量裝置為(wei) 熱線風速傳(chuan) 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(chuan) 感器上，或傳(chuan) 感器受到腐蝕的影響時，其測量就會(hui) 發生很大的偏差。對於(yu) 畢托管陣列，還必須注意其在低風速時有很大的測量誤差，所以應考慮其應用範圍。流量測量裝置的安裝位置同樣也需要嚴(yan) 格按照其技術規格的說明進行選擇，否則同樣會(hui) 造成測量的誤差。
另外，在目前有一類流量控製裝置出現在很多運用中。它是一種線性的、壓力無關(guan) 的風量調節閥，能夠根據閥門位置提供相應流量反饋信號(例如文丘裏閥)，其標定和校正在出廠時已經由專(zhuan) 業(ye) 供貨商完成。相對於(yu) 單純的流量測量裝置，這種裝置功能更加的集成，它在進行流量控製的同時能夠進行流量測量。在實際使用時，這種壓力無關(guan) 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(guan) 型風量調節閥，已經在很多要求較高壓差控製中取得了成功的應用。
4、影響壓差控製的其他因素
建築技術對壓差控製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。它需要有很大的餘(yu) 風量才能彌補很多的泄漏，當使用很大的餘(yu) 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(hui) 造成溫度、濕度控製的問題。因此必須使潔淨室有一個(ge) 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(hui) 對餘(yu) 風量控製的精度和性能造成影響。如果在流量測量裝置和潔淨室圍護結構之間，有空氣泄漏出風管或進人風管，將會(hui) 造成流量測量的誤差從(cong) 而引起壓力控製顯著的偏差。如果是在定壓係統中，這個(ge) 誤差相對恒定;但如果無塵室潔淨係統的靜壓是波動的，這個(ge) 誤差也將會(hui) 波動，因此控製係統非常難以采取技術措施消除這樣的誤差，從(cong) 而造成控製性能的惡化。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(ti) 見潔淨空調專(zhuan) 業(ye) 設計要求)。