1、概述
壓差控製在淨（jìng）化空調係統中是一個非常重要（yào）的環節。隻有通過對淨化區域的壓差進行控製，保證合（hé）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（dìng）的正壓（yā）使外界未經淨化的空氣不會進（jìn）人淨化區域，保證潔淨（jìng）級別；並且通過對各淨化區域的不同的壓差控（kòng）製，達到淨（jìng）化分區的作用（yòng），在GMP中就要求不同（tóng）淨化級別區域的壓差應得到控製不小於+5Pa。在生物安全潔（jié）淨室中，壓（yā）差控製更是保證安全防護屏障的關鍵指標，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。因此對於淨化（huà）空調係統來說，壓差控製是非常重要的。
壓差控製在實現中是（shì）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（dìng）的壓差對於（yú）控製工程師而言絕對是一件具（jù）有挑戰性（xìng）的任務。因此在設計壓差控製係（xì）統時，必須要根據實際情況從以下幾個方麵（miàn）進行分析和（hé）確定：
①風險分析（xī）評估；
②定（dìng）風（fēng）量係統和變風量係統選擇；
③壓差控製和餘風量控製方法；
④控製信號與噪（zào）聲（shēng）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（yǐng）響；風管泄漏（lòu）對壓力（lì）控製的（de）影（yǐng）響。
首先，必須對壓差控製的風險進行分析，例如對（duì）於高等級的生物安（ān）全實驗室而言（yán），因為它有生物汙染的高（gāo）風險，各種相關的標準都（dōu）對其有保持穩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可靠的實現這（zhè）樣的控製目標。
2、壓差控製方法
對於壓差控製係統來說，其所達到的結果（guǒ）實（shí）質上是對滲人或滲出空氣的控製，就其控製策略（luè）而言可分為被動式和主動式控製。
定風量(CAV)是一（yī）種被動式的控製方法，它使（shǐ）用手動風量調節閥，通過簡單的送風（fēng）和排風平衡，送風比排風少(或多)一定的量(餘風（fēng）量)，來達到所期（qī）望的壓差。在選擇定風量這樣的控製（zhì）策略時必須認（rèn）真的考慮，因為定風量係統有突出的局限性。主要有以（yǐ）下幾點：
(1) 所有時間，設備必須保持恒定的送風量和（hé）排風量。
(2) 不能有任何排風設備(如生物安全櫃等)增加（jiā）或減少，靈活性差（chà）。未來的擴展會由於係統容量限製而受限。
(3) 必須按全負荷設計，要（yào）有（yǒu）較（jiào）大的餘量來彌補由於（yú）過濾器等造成的送風和排風係統（tǒng）性能的下降（jiàng），連續的全負（fù）荷運（yùn）行使能耗極大，因此運行成本非常（cháng）高。
(4) 由於風機係統、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（fēng）平衡調試，需要大（dà）量的維護。
(5) 由於在所有時間都（dōu）是大風量（liàng）運行，噪音會過（guò）高。因此如（rú）果不能接受以上的局限（xiàn）性時，就不應選取這樣的控製策略。目（mù）前，通過在送風管和排風管上采用壓力無關型的定風量控（kòng）製（zhì）裝置(如文丘裏（lǐ）閥（fá）)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，從而保證流量的恒定和（hé）控製的穩定。
變風量係統(VAV)是一種主（zhǔ）動式的壓力（lì）控製策略，它通過電動風量調節閥連續不（bú）斷的對送風量或排風量進（jìn）行調節，以保持希望的（de）壓力。主（zhǔ）動式的VAV壓力控製方法可以分為兩種（zhǒng）：純壓差控製(OP)和餘風量(又稱（chēng）為流量追蹤)控製(AV)。
2.1 純（chún）壓差控製方（fāng）法
純壓差控製（zhì）方法相對而言簡單明了，其基本原（yuán）理（lǐ）如圖1。其控製原理為：壓差傳（chuán）感器（qì）測量室內與參照區域的壓差（chà）(OP)，與設定點(即期望的壓（yā）差)比較後，控（kòng）製器根據偏差按PID調節算法對送風量(或排風量)進行控製，從而達到要求（qiú）的壓差。可以看出（chū），送風量(或排風量)是壓差(Δp)、設定點以及PID常數（shù）(α，β)的（de）函數。
另外一種相似的壓差控製方法則（zé）是根據伯（bó）努利（lì）原理，利用一個裝在小管內的風速探頭，將小管置於潔淨室與參照區之間的開孔中，由於潔淨室內與參照區的壓力差將使空氣從此小管中流過，管（guǎn）中的風速探頭就可傳感潔淨室內與參照區之（zhī）間的空氣流速，從而根（gēn）據（jù）伯努利原理利用風速計算出潔淨室（shì）與參照區的壓差（chà），根據此壓差信號，按照上述的方法，控（kòng）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（fāng）法稱為“偽壓差（chà）”控製方法。
2.2 餘風量(氣流追蹤)控製方法
潔淨室的送風量（liàng）與排風量之間保（bǎo）持一定的風量差(稱為（wéi）餘風量)，必然（rán）會導致潔（jié）淨室產生一定的壓差。餘（yú）風量(氣流追蹤)控製即控製係統實時測量風量(送風（fēng）和（hé）排風量)變化，通過調節送風量或排風量，動態的達到相應的（de）風量平衡，使送風量和排風量之間保持恒定的風（fēng）量差（chà），從而維持恒定的壓差。其基本原理見圖2，控製係統利用氣流測量裝置實時測（cè）量送風量和排（pái）風量，排風量可以在排風主（zhǔ）管上測量，或如圖中在各個單獨的（de）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（liàng）的變化，保（bǎo）持一定的餘風量，從而達（dá）到所希望的壓（yā）差值。可以看出餘（yú）風量控製是一個開環控製係統。
在這裏，餘風量就是達（dá）到所希望壓差時滲人或滲出潔淨室的空氣流量（liàng）(單位為（wéi）CFM )。負（fù）的（de）餘風量即總排風（fēng）量大於總送（sòng）風量，它將導致負壓的產生，而正的餘風量則是（shì）總送風量大於總排風量，它將導（dǎo）致正壓產生。
在圖2中的（de）風（fēng）量等式中，餘風量是定值。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，實際的餘風量也將發生變化。因此，應該考慮選擇足夠大的餘風量來彌補由於（yú）圍護結構氣密程度、風管泄（xiè）漏以及流量測量裝置精度（dù）誤差等造成的影響。
上述的兩種壓差控製方法，在實際運用中（zhōng）都必（bì）須按照預定的頻率進行驗證。例如對餘風量控製，每半年就應該（gāi）進行對設定的（de）餘風量進行校正。
2.3 混合控製係統
由（yóu）於生物安全等級3或4級的生物安（ān）全實驗室的研究和實驗（yàn）對象非常危險，實驗室的壓差控製以及氣流（liú）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（duì）於這樣壓差控製（zhì）非常關鍵的地方，采用純壓（yā）差控製和餘風量控製兩種方法混合的控製係統是很好的選擇，它可以確保對實（shí）驗室壓差穩定可靠的（de）控製。
通常的做法是采用餘風量控製作為基（jī）本控（kòng）製方法（fǎ），同時加人壓差傳感器和（hé）控製器對餘風量（liàng）控製係統的餘風量進行設定。當房間（jiān）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（fā）生變化（huà），餘風量（liàng）也（yě）會發生變化(通常是變大（dà）)，此時壓差控製係統可以動態的計算（suàn）出一個合適的餘風量，以保持穩定的壓差控製。
同時，一旦餘風量（liàng）增加到一個預定值時，係統將發出報警，此時可能（néng）需要對流量測（cè）量裝置進（jìn）行校正，或（huò）者對風管和圍護結（jié）構的泄漏進行處理，使係統狀態回到正常範圍內。因此這樣的係統可以通過對餘風量的監視實現對整個（gè）實驗室的控製係統、風管係統、圍護結構（gòu）完整性的（de）監（jiān）視。
3、穩定性與響應速度
一般建（jiàn）築技術（shù）構（gòu）成的房間，它能夠達到的控製壓差（chà）約為2. 5Pa，對於測量來說這是一個非常小的壓差(信號)，同樣對於測量傳（chuán）感器的校正來說也是非常困難的。由（yóu）於門（mén）的開關、生物安全櫃調節門的移動、人員的運動等很多（duō）因素（sù）造成的擾動(噪聲（shēng）)約可達到25Pa。因此對於純壓差控製而言，其測量信號（hào）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（qiú）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（de）測量值（zhí），就需要很長的時（shí）間來平（píng）均波峰和波穀。在這樣的情況下，如果希望（wàng）快（kuài）速的響應就不可（kě）能保證（zhèng）精度（dù），精度與速度(或響應時間)是矛盾的。
對於純壓（yā）差控製係統，響應時間一般要求在數（shù）分鍾以內。因此，很（hěn）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（zài）達到穩定控製之前需要在設定點附近波動相當長（zhǎng）的時間。不幸的（de）是，係統達到穩定控製的時間往往比擾動發生的頻（pín）率長，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（zài）有擾動發生，係統才能夠達到穩定狀態。
對於“偽壓差”控製係統，其測量（liàng）對象是空氣流速，它相對（duì）於純壓差控製更穩定、更快速一些，因為（wéi）流速（sù）信號和噪音信（xìn）號是與（yǔ）動壓的開平方成比例關係，它大約能夠把信號與噪聲（shēng）比提高到1：3。可以看出，測量對象（xiàng）的簡單改變就可（kě）以大大改善係統的J性能（néng）。然而（ér），即便如此，噪（zào）音依然達到了信號的3倍，當擾動發生後（hòu），控製係統仍需要（yào）超過60秒以上的時間（jiān）達到穩定輸出。需要注意的是，由於測（cè）量氣流速度需要（yào）在房間與參照區域開（kāi）孔，因此這樣的控製係統（tǒng）對（duì）於很多場合的應用是不（bú）允許的，例如對潔淨度有較高要求的場合（hé），或高等級的生（shēng）物安全實（shí）驗室也不應使用。
對於壓差和“偽壓差（chà）”係統來說，在某些條件下會（huì）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（kāi）時，所有的（de）測量信號如壓差和流速都會消失。雖然一些控（kòng）製器有按（àn）照預定時間鎖定輸出（chū）的功能來彌補這樣的問題。然而（ér），當門長時間打開時，壓（yā）力控製係統就會關閉送風，以便使房間（jiān）回到負壓的設定點。此時，空氣將會從（cóng）過（guò）道(或相鄰區域)被吸人打開的（de）房間，過道(或相（xiàng）鄰區域)的壓力必然下降。而如果其他潔淨室也是使（shǐ）用過道(或相鄰區域)作為壓差參照點，那麽其（qí）他潔淨室的壓差控製器也將關閉送風，由此發生連鎖反應，更多的（de）空氣被從過道(或相鄰區域)吸入潔淨（jìng）室排走，測量壓差值一直不能（néng）達到設定，而實際壓力卻在（zài）不斷（duàn）下降。同樣對於正壓控製也（yě）會（huì）產生類似的問（wèn）題。可以（yǐ）想像，這將會造成整個潔淨室嚴重的壓力問題。當（dāng）然，對於那些不要求嚴格房間壓差控製，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（le）措施(如采用雙門互鎖的緩衝（chōng）間（jiān）進行隔離)能夠避免（miǎn）如上述問題（tí）發生的情（qíng）況下，采（cǎi）用純壓（yā）差控製也（yě）是可行的（de）。
相對而言（yán），餘風量(或流量追蹤)控製係統的信號測量是采用（yòng）流量測量裝置對送風量和排風量進（jìn）行測量。而送風量和排風量通（tōng）常都是比較大的測量值，在（zài）這樣的情況下，例如（rú）信號測量為1000CFM，而噪（zào）聲(各種（zhǒng）擾動)約能達到1000FM，信號噪聲比可以高達10 ： 1。因此，在這樣的（de）情況下，係統（tǒng）可以達到（dào）很高的精度、很高（gāo）的穩定性以及非常迅速的響應。因此在對壓差（chà）控製有較高要求的運用（yòng）中，通常都（dōu）推薦或要求使用這樣的控製方（fāng）法。
對於餘風量控製係統來說，流量測量裝置是影響係統性能的關鍵裝置。一般常用的流量測量裝置為熱線風速傳感器陣列（liè）和畢（bì）托管陣列。這樣的流量測（cè）量裝置有（yǒu）很高的（de）精度.然而一旦有顆（kē）粒（lì）附著或（huò）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（shēng）很大的偏差。對於畢托管陣列，還必須注意（yì）其在低風（fēng）速時有很大的測量誤差（chà），所以應考慮其應用（yòng）範圍。流量測量裝置的安裝位置同樣也需要嚴格按（àn）照其技術規格的（de）說明進行選擇，否則同樣會造成（chéng）測量的誤差。
另外，在目前有（yǒu）一（yī）類（lèi）流（liú）量控製裝置出現在很多運用中。它（tā）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（hào）(例如文丘裏閥)，其標（biāo）定和校（xiào）正在出廠時已經由專業供貨商完成。相（xiàng）對於單純的流量測量裝置，這種裝置功能（néng）更加的集成，它在進行流量控製的同時能夠進行（háng）流量測量。在實際使用時（shí），這種壓力無關裝置的流量反饋精度，一般采用備份（fèn）的流量測量裝置（zhì）進行驗證。當前這樣的壓力無關型風量調節閥，已經在很多要求較（jiào）高壓（yā）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（jì）術對壓差控製的（de）性能和效果有很大的影響，不密閉的（de）圍護結構很難建（jiàn）立起穩定的壓力梯度。它需要有很大的餘風量才能彌補很多的泄漏，當使用很（hěn）大的（de）餘風量時，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、濕度控製的問題。因（yīn）此必須使潔淨室有一個密閉（bì）的圍護結（jié）構，才能保證相應的壓差和合理的氣流方向。
風管的泄漏也會對餘風量控製的精（jīng）度和性能造成影響（xiǎng）。如（rú）果在流量測量裝置和潔淨室圍護結構之（zhī）間，有空氣泄漏（lòu）出風管或進（jìn）人風管，將會造成流量測量的（de）誤差從而引起壓力控製顯著（zhe）的偏差。如果是在定壓係統中，這個誤（wù）差相對恒（héng）定；但如果係統的靜（jìng）壓是波動的，這個誤差也將會波動（dòng），因此控製係統（tǒng）非常難以采取技術措施消除這樣的誤差，從而造成控製性（xìng）能的惡化。因此，必須（xū）要求對送風和排風管道進行泄漏檢測，允（yǔn）許的最大泄漏率最大不應超過0.5%。
