1、概述
壓差控製（zhì）在淨化空調係統中是一個非常重要的環節。隻有通過（guò）對（duì）淨化區域的壓差進行控製，保證合理的氣流（liú）組織（zhī），才能（néng）達到淨化和工藝的要求。例如潔淨（jìng）廠房必須（xū）保持一定的正壓使外界未經淨化的空（kōng）氣不會進人淨化區域，保證潔淨級別；並且通（tōng）過對各淨化區域的不同的壓差（chà）控製，達到淨化（huà）分區的作（zuò）用，在GMP中就要求不同淨（jìng）化（huà）級別區域（yù）的壓差應得到控製不小於+5Pa。在生物安全潔淨室中（zhōng），壓差控製更是保證安全防護屏障的關鍵指標（biāo），在《生物安全實驗室（shì）建築技術規範》中指出必須使實（shí）驗室的負壓梯（tī）度得到穩定可靠的控製。因此對於淨化空調係統來說，壓差控製是非（fēi）常重要的。
壓差控製在實（shí）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、穩定的壓差對於控製工程師而言絕對是一件具（jù）有挑戰性的（de）任務。因此（cǐ）在設計壓差控製係統時，必須要根據實際情況從（cóng）以下幾個方麵進行（háng）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壓差控製和餘風量控（kòng）製方法；
④控製信號（hào）與噪聲的（de）影響；
⑤製穩定性及響應速度；
⑥建（jiàn）築結構對壓差控製的影響（xiǎng）；風管泄漏（lòu）對壓力控製的影響。
首（shǒu）先，必須對壓差控製（zhì）的風險進（jìn）行分析，例如對於高等級的生物安全實驗室而言，因為它（tā）有生物（wù）汙染的高風險，各種相關（guān）的標（biāo）準都對其有保持穩（wěn）定負壓梯度防止汙染泄漏的嚴格要求，因此控製係統就必須能夠穩定（dìng）可靠的實現這（zhè）樣的控（kòng）製目標。
2、壓差控製方法
對於（yú）壓差控製係統來說，其（qí）所達到的結果實質上是（shì）對滲人或滲出空氣的（de）控製，就其控製策略而言可分為被動式和主動式控（kòng）製。
定風量(CAV)是一種被動式的控（kòng）製方法，它使（shǐ）用手動風量調（diào）節閥，通過（guò）簡單（dān）的送風和排風平衡（héng），送風比（bǐ）排風少(或多)一定的量(餘（yú）風量)，來達到所期望的壓差。在選擇定風量這樣的（de）控（kòng）製策（cè）略時必（bì）須認真的考慮，因為定風量係統有突出的局（jú）限性。主（zhǔ）要（yào）有以下幾點：
(1) 所（suǒ）有時間，設備必（bì）須保（bǎo）持恒定的送風量和排風量。
(2) 不能有任何排風（fēng）設備(如生物安全櫃等)增加或減少，靈活性差。未來的擴展會由於係統（tǒng）容（róng）量限製而受限。
(3) 必須按（àn）全負荷設（shè）計，要有較大的餘量來彌補由於過濾器等造成的送風和排風係統性能的下降，連續（xù）的全負荷運（yùn）行使能耗極大，因此運（yùn）行成本非常高。
(4) 由於風機係統、過（guò）濾器係統等性能下降或風閥位置改變等情況（kuàng）下，係統（tǒng）經常要重新進行（háng）風平衡調試，需要大量的維護。
(5) 由於在所有時間都是大風量運行，噪音會過（guò）高。因此如果不能接受（shòu）以（yǐ）上的局限性時，就不應選取這樣的控製策（cè）略。目前，通過在送風管和排風管上采用（yòng）壓力無關型的定風量（liàng）控製裝置(如（rú）文丘裏閥)的定風量係統，在一定程度上可以（yǐ）主動的、動態的調節流量，消除係統靜壓波動造（zào）成的對流量的影響，從而（ér）保證（zhèng）流量的恒定和控製的穩（wěn）定。
變風（fēng）量係統(VAV)是一（yī）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（de）對送風量或排（pái）風量進行調節，以（yǐ）保持希望的壓力。主動式的VAV壓力控製方法可以分為（wéi）兩種：純壓差控製(OP)和餘風量(又稱為流量追蹤)控製(AV)。
2.1 純（chún）壓差控製方法
純壓差控製方法相對而言簡單明了，其（qí）基本原理（lǐ）如圖1。其控製（zhì）原理為：壓（yā）差傳（chuán）感器（qì）測量室內與參照區（qū）域的壓差(OP)，與設定點(即期望的壓差（chà）)比較後，控製器（qì）根據偏差按（àn）PID調節算法對送風量(或排（pái）風量)進（jìn）行控製，從（cóng）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，利用一個裝在小管內的風速探頭，將小管（guǎn）置於潔（jié）淨室與（yǔ）參照區之間的開孔中，由於潔淨室內與參照區（qū）的壓力差將使空氣從此小管中流過，管中（zhōng）的風速（sù）探（tàn）頭就可傳感潔淨室內與參照區之間的空氣流速（sù），從而根據伯（bó）努利（lì）原理利用風速計算出潔淨室與參照區的壓差，根據此壓差信號，按照（zhào）上述的方法，控製器對潔淨室的送風或排風量進行控製（zhì），達到所期望的壓差值，這（zhè）樣的方法稱為“偽壓差”控製方法。
2.2 餘風量(氣（qì）流追蹤（zōng）)控製方法
潔（jié）淨室的送風（fēng）量與排（pái）風（fēng）量之間保持一（yī）定的風量差(稱（chēng）為餘風量)，必然會導致潔淨室產生一定的壓差。餘風量(氣（qì）流追蹤)控製即控（kòng）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（dòng）態（tài）的達到相應（yīng）的風量（liàng）平衡，使送風量和排風量之間保持恒（héng）定的風量差，從而維持恒（héng）定的壓差。其（qí）基本原理（lǐ）見圖（tú）2，控製（zhì）係（xì）統利用氣流測量裝（zhuāng）置（zhì）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（huò）如圖中在各個單獨的排風上進（jìn）行測量並求（qiú）和，控製器據此調節送風量，使其追蹤排（pái）風量的變化，保持一定（dìng）的餘風量，從而達到所希望的壓差值。可以看出餘風量控製是一個開環控製係統。
在這裏，餘風量（liàng）就是達到所希望壓差時滲人或滲出潔淨室的空氣流（liú）量(單位為CFM )。負的餘風量即總（zǒng）排風（fēng）量大於總送風量，它將導致負壓（yā）的產（chǎn）生，而正的餘風量則是總送風量大於總排風（fēng）量，它將（jiāng）導致正壓產生。
在圖2中的風量等式中，餘風量（liàng）是定值。但在實際（jì）情況下，它是變化的，例如當流量傳感器發（fā）生偏移時，實際的餘風（fēng）量也將發（fā）生變化。因此（cǐ），應該考慮選擇足夠大的餘風量來彌補由於圍（wéi）護結構氣密程度、風管泄漏以（yǐ）及流（liú）量測量裝置精度誤差等造成的影響。
上述的兩種壓差控製方法（fǎ），在實際運用中都必須按照預定的頻率進行驗證。例如對餘風量控製，每半（bàn）年就應該進行對設定的餘風量進行校（xiào）正。
2.3 混合控製係統
由於生物安全等級3或4級的生物安全實驗室（shì）的研究和實驗對象非常危險，實驗（yàn）室的壓差控製（zhì）以及氣流（liú）方向控製更加重要，必須確保壓（yā）差和氣流方向得到穩（wěn）定可靠的控製。對於這樣壓（yā）差控製非常關鍵的地方，采用純壓差控（kòng）製和餘風量（liàng）控製兩種方法混合（hé）的控製係統（tǒng）是很好的選擇，它可（kě）以確保對實驗室壓差穩定可（kě）靠的控製。
通常的做法（fǎ）是采用餘風量控製作為基本控製方法，同時加人壓差傳感器和控製器對餘風量控（kòng）製係統的餘風量進行（háng）設定。當房間（jiān）特（tè）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，餘風量也會發（fā）生變化(通常是變大)，此時壓差控製係統（tǒng）可以動態的計算出一個合適的餘風量，以保持穩定的（de）壓差控製。
同時，一旦餘風量增加到一個預定值時，係統將（jiāng）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（tài）回到正常範圍內。因此這樣的係統可以通過對餘風（fēng）量（liàng）的監視實現對整個實驗室的控製係統、風管係（xì）統、圍護結構完整性的監視。
3、穩定性（xìng）與響應速度
一般建築技術（shù）構成的房間，它能夠達到的控製壓差約為（wéi）2. 5Pa，對於測量來說這是一個非常小的壓（yā）差（chà）(信號)，同樣對於（yú）測量傳感器的校正來說也是非常（cháng）困難的。由於門的開關、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。因此對於純（chún）壓差控製而（ér）言，其測量（liàng）信號（hào）與噪聲之比為（wéi）1：10。這樣的情形就如同測量一（yī）個湖泊（bó）的液位（wèi），要求精度在1厘米（mǐ），而湖泊的波浪卻有10厘米（mǐ）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（gǔ）。在這樣的情況下，如果希望快速的響應就（jiù）不可能保（bǎo）證精度，精度與速度（dù）(或響應（yīng）時間)是矛盾的。
對於純壓差控製係統（tǒng），響應時間一般要求（qiú）在數分鍾以（yǐ）內。因此（cǐ），很多這樣的控製（zhì）係統都是犧牲穩定性來（lái）達到響（xiǎng）應時間的要求，它在達（dá）到穩定控製之前需要在（zài）設定點附近波動相當長的時（shí）間。不幸的是，係統達到穩定控製的時間往往比擾動（dòng）發生的（de）頻（pín）率長（zhǎng），因此係統可能整天都（dōu）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（wěn）定狀（zhuàng）態。
對於“偽壓差”控製係統，其測量對象是空氣流速，它相對於純壓差控製更穩定、更快速一些，因（yīn）為流速信（xìn）號和噪（zào）音（yīn）信號是與動壓的開平方成比例關係，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（xiàng）的（de）簡單改（gǎi）變就可以大大改善係統的J性能。然而，即便如此（cǐ），噪音依然達到（dào）了信號的（de）3倍，當擾動發生後，控製係統仍需要超過60秒以上的時間（jiān）達到穩定輸出。需要注意（yì）的（de）是，由於測量氣流速度需要（yào）在房間與參照區域開孔，因此這樣的控製係統對於很（hěn）多場合的應用是不允許的，例如（rú）對潔淨（jìng）度有較高（gāo）要求的場合，或高等級的生（shēng）物（wù）安全實驗室也不應使用。
對於壓差和“偽壓差”係統來說，在某些條件下會造成嚴重的壓力問題，如在進行負壓控製時，當潔淨室門打開時，所有的測（cè）量信號（hào）如壓差和流速都（dōu）會消失。雖然一些控製器有按照預定（dìng）時間鎖定（dìng）輸（shū）出的功能來彌補這樣的問題。然而，當門長時間打開時，壓力控製係統就會關閉送風，以便使房間回到負壓的（de）設定點。此時，空氣將會從過道(或（huò）相鄰區域)被吸人打開的房間，過道(或相（xiàng）鄰區域)的（de）壓力必（bì）然下降。而如果其他（tā）潔淨室也是使用過道(或相鄰區域)作為壓差參照（zhào）點，那麽其他潔淨（jìng）室的壓差控製器也將關閉送風，由此發生（shēng）連鎖反應，更多的空氣被從過道(或相鄰區（qū）域)吸入（rù）潔淨室排走，測量壓（yā）差值一（yī）直不能達到設定，而實際壓力卻（què）在不斷下降。同（tóng）樣對於正壓控製也會（huì）產生類似的問（wèn）題。可以想像，這將會造成整個潔淨室嚴重的壓力問題。當然，對於那（nà）些不要求嚴格房間壓差控製（zhì），或風（fēng）險（xiǎn）評估對（duì）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（le）措施(如采用雙門互鎖的緩衝間進行隔離)能夠避免如上述問題發生的情況下，采用純壓（yā）差控製也是可行的。
相對而言，餘風量(或流量追蹤)控（kòng）製係統的信號測量是采（cǎi）用流（liú）量測量裝置對送風量（liàng）和排風（fēng）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（kuàng）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，係統可以達到很高的精度、很（hěn）高的穩定性以及非常迅速的響應。因此（cǐ）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。
對於餘（yú）風量控製係統來說，流量測量裝置是影響係統性能的關鍵裝置。一般常用的流量（liàng）測量裝置為熱線風速傳感器陣列和畢托管（guǎn）陣列。這樣的流量測量裝置有很高的精度.然而一旦（dàn）有顆粒附著或堵塞在傳感器（qì）上，或傳感器受到腐蝕（shí）的影響時，其測量就會發（fā）生很大的偏差。對於（yú）畢托管陣列，還必（bì）須（xū）注意其在低風速時有很大的（de）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格按照其技術規格的說明進行（háng）選擇，否則同樣會造成測量的誤差。
另外，在目前（qián）有一類流量控製裝置出現在很多（duō）運用中。它是一種線性（xìng）的、壓力無關的風量調節閥，能夠根據閥門位（wèi）置提供相應流量反饋（kuì）信號(例如文丘裏閥)，其標定和校正（zhèng）在出廠時已經由專業（yè）供貨商完成（chéng）。相對於單純的（de）流量測量裝置，這種裝置功能更加的集成，它在（zài）進行流量控製的同時（shí）能夠進行流量測量。在實際使（shǐ）用時，這（zhè）種壓力無關裝置的流量反饋（kuì）精度，一般采用備份的（de）流量測量裝置（zhì）進行驗證。當前這樣的壓力無關型風量調節（jiē）閥，已（yǐ）經在很多要求較高壓差控製中取得了成功的（de）應用。
4、影（yǐng）響壓差控（kòng）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（hěn）難建立起穩定的壓力梯度（dù）。它需要有很大的餘風量才能彌補很多（duō）的泄（xiè）漏，當使用很大的餘風量時，將向（xiàng）相鄰空間中抽（chōu）取(或排（pái）出)大量的二次空氣，因此可能會造成溫度、濕度（dù）控製的問題。因此必須使潔（jié）淨室有一個密閉的圍護結構，才能保證相應的壓差和合理的（de）氣（qì）流方向。
風管的泄漏也會對餘風（fēng）量控製的精度和性能造成影響（xiǎng）。如果在流量（liàng）測量裝置和潔淨室圍護結構（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（chà）從而引起壓力控製顯著的（de）偏差（chà）。如果是在定壓（yā）係統中，這個（gè）誤差相對恒定；但如果係統的靜壓是波動的，這個誤差也將會波動，因此控製係統非常（cháng）難以采取技（jì）術措施消除（chú）這樣的誤（wù）差，從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（lòu）檢測，允許的最大泄漏率最大不應超過0.5%。
