1、概述
壓差控製在淨化（huà）空調係統中是（shì）一（yī）個非常重要的環節。隻有通過對淨化區域的壓差進行控製，保證合理的（de）氣流組織，才能達到淨化和工藝的要求（qiú）。例如潔淨廠房必須保持一定（dìng）的正壓使外界（jiè）未經淨化的空氣不會進人淨化區域，保證潔淨級別；並且通過對（duì）各（gè）淨化區域的（de）不同的壓差控製，達（dá）到淨化分區的作用，在GMP中就（jiù）要求不同淨化（huà）級別區（qū）域的（de）壓差應得（dé）到控（kòng）製不小於+5Pa。在生物安全潔淨室中，壓差控製更是保證安全防護屏障的關（guān）鍵指標，在《生物安全實驗室建築技術規範》中指出必須使（shǐ）實驗室的負壓梯度（dù）得到穩定可靠的控製。因此對於淨化空（kōng）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（bìng）保持（chí）精確、穩定的壓差對於控製工程師而言絕（jué）對是一件具有（yǒu）挑戰性的任務。因（yīn）此在設計壓差控（kòng）製（zhì）係統時，必須要根據實際情況從以下幾個方麵（miàn）進行分析和確定：
①風險分析評估；
②定風量（liàng）係統和變風量係統（tǒng）選擇；
③壓差控製和（hé）餘風量（liàng）控製方法；
④控製信號與噪聲的影響；
⑤製穩定性及響應速度；
⑥建（jiàn）築結構對壓差控製的影響；風管泄漏（lòu）對（duì）壓力控製的影響（xiǎng）。
首先，必須對壓差（chà）控製的風險進行分析，例如對於（yú）高（gāo）等級的生（shēng）物安（ān）全實驗（yàn）室而言，因為它（tā）有生物汙染的高風險，各種相關的標準都對其有保持穩定負壓梯度（dù）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樣的控製目標。
2、壓差控製方法
對於壓差控製係（xì）統來說，其所達到的結果（guǒ）實質上是對滲人或滲出空氣的控（kòng）製（zhì），就其控製策略而言可分為被動式和主（zhǔ）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（fēng）量（liàng）調節閥，通（tōng）過簡單（dān）的送風和排（pái）風平衡，送（sòng）風比排風（fēng）少(或多)一定的量(餘風量)，來達到所期望的（de）壓差。在選擇定風量（liàng）這樣的控製策略時必須認真的考慮，因為定風量係統（tǒng）有突出的局限（xiàn）性。主要（yào）有以下幾點：
(1) 所有時間，設備必須（xū）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（shēng）物安全櫃等)增加或減少，靈（líng）活性差。未來的擴展會由於係統容量限製而受限（xiàn）。
(3) 必須按全負荷設計，要有較大的餘（yú）量來彌補由於過濾器等造成的送風和排風係（xì）統性能的下（xià）降，連續的全負荷運行（háng）使能耗極大，因此運行成本非常高。
(4) 由於風機係統、過濾器係統等性（xìng）能下降或風閥位置改變等情況下，係統經常要重新（xīn）進行風平（píng）衡調試，需要（yào）大量的維（wéi）護。
(5) 由於在所有時間都是大風量（liàng）運行，噪音會過高。因此如果（guǒ）不能接受以上的局限性時，就不應（yīng）選取這樣的控製策略。目前，通過（guò）在送風管和排風管上采用壓力（lì）無關型的定風量控製（zhì）裝置(如文丘裏閥)的定風量係統，在一（yī）定程度上可以主動的（de）、動態的調（diào）節流量，消（xiāo）除係（xì）統靜壓波（bō）動造成（chéng）的對流量的影響，從（cóng）而保證流量的恒定和控（kòng）製的穩定。
變風量係統(VAV)是一種主動（dòng）式的（de）壓力控製（zhì）策略（luè），它通過電動風量調節閥連續不斷的對送風量（liàng）或排風（fēng）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兩（liǎng）種：純壓差控（kòng）製(OP)和餘風量(又稱為流量追蹤)控製(AV)。
2.1 純壓差控（kòng）製方法
純壓差控製方法相對而言簡單明（míng）了，其基本原理如圖1。其控製原理為：壓差傳感（gǎn）器測量室內（nèi）與參照區域（yù）的壓差(OP)，與（yǔ）設定點(即期（qī）望的壓差（chà）)比較後，控製器根據（jù）偏差按PID調節算法對送（sòng）風量(或排風量)進（jìn）行（háng）控製，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製方法則是根據伯努利原理（lǐ），利用一個裝在（zài）小管內（nèi）的風（fēng）速探頭，將小管置（zhì）於潔淨室（shì）與參照區之間的開孔中，由於潔淨（jìng）室內與參（cān）照區的壓力差將使（shǐ）空氣從此小管中流過，管中的風速探頭就可傳感潔淨室內與參照區（qū）之間的空氣流（liú）速，從而根據伯（bó）努利原理利用風速計算（suàn）出（chū）潔淨（jìng）室與參照區的壓（yā）差，根據此壓差信號（hào），按（àn）照上述的（de）方法（fǎ），控製器對潔淨（jìng）室的送風或排風（fēng）量進行（háng）控製，達到所期望的壓差值（zhí），這樣的方法稱為“偽壓（yā）差”控（kòng）製方法。
2.2 餘風量(氣流追蹤)控製方法
潔淨室的送風量與排風量之（zhī）間保持一定的風量差(稱為餘風量)，必（bì）然會（huì）導致潔淨室產生一定的壓差。餘風量(氣流追蹤)控製即（jí）控製係統實時測量風量(送（sòng）風（fēng）和排風量)變化，通過（guò）調（diào）節送風量或排風量，動態的達到（dào）相應的（de）風量平衡，使（shǐ）送風量和排風量之間保持恒定的風量差，從而維（wéi）持恒（héng）定的壓差。其基本原理見圖（tú）2，控製係統利用氣流測（cè）量裝置實（shí）時測量送風（fēng）量和（hé）排風量，排風量可以在排風主管上測量，或如圖中（zhōng）在各個單獨的排風上進行測量並（bìng）求和，控製器據此調（diào）節送風量，使其追蹤排風量（liàng）的（de）變化，保持一定的餘風量（liàng），從而達到所希望的（de）壓差值。可以看出餘風量控製是一個開環控製係統。
在這（zhè）裏，餘風量就是達到所（suǒ）希望壓差時滲人或滲出（chū）潔淨室的空氣流量(單位為CFM )。負的餘風量即總排風量（liàng）大於總（zǒng）送風量，它將導致（zhì）負壓的產生，而正的餘風量則是總送（sòng）風量大於總排風（fēng）量，它將導致正壓產生（shēng）。
在圖2中的風量等（děng）式中，餘風量是定值（zhí）。但在實際情況下，它是變化（huà）的，例如當流量傳感器發生偏移（yí）時，實際的餘風量也將發生變化。因此，應該考慮選擇足夠大（dà）的餘風（fēng）量來彌補由於圍護結構氣密程度、風管泄漏以及流（liú）量測量裝置精度誤差等造成的影響。
上（shàng）述的兩種（zhǒng）壓差控製方（fāng）法，在實際運用中（zhōng）都必須按照預定的頻率進行驗證。例如對餘風量控（kòng）製，每半年就應該進行（háng）對設（shè）定（dìng）的餘風量進（jìn）行校正。
2.3 混合控製係統
由於生物安全等級3或4級（jí）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（yào），必須（xū）確保壓差和氣流方向得（dé）到（dào）穩定可靠的控製。對於這樣壓差（chà）控製非常關鍵的地方，采（cǎi）用純壓差控製和餘風（fēng）量控製兩種方法混合的控製係統是很好的選擇，它可以（yǐ）確保對實驗（yàn）室壓差穩定（dìng）可靠的控製。
通常的做法是采用餘風（fēng）量控製作為基本控製方法（fǎ），同時加人壓差傳感器和控製器對餘風（fēng）量控製係統的餘風量進行設定。當房間（jiān）特（tè）性發生變（biàn）化時，如風管的泄漏以及圍護（hù）結構的氣密性等發生變化，餘風量也會發生變化(通常是變（biàn）大)，此時壓差控製係統可以動態的計算出一個合適的餘風量（liàng），以保持穩定的壓差控製。
同時，一旦餘風量增加到一個預定值時，係統將（jiāng）發出報（bào）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（de）泄漏進行（háng）處理，使係統（tǒng）狀態回到正常範圍內。因此這樣的係統可以通（tōng）過對餘（yú）風量的監視實現對整個實驗室的（de）控製係統、風管（guǎn）係統、圍護結構完整性的監視。
3、穩定性與響應速度
一般建築技術構成的房間，它（tā）能夠達到的（de）控製壓（yā）差（chà）約為2. 5Pa，對於（yú）測量來說這是一個非（fēi）常小的壓差(信（xìn）號)，同樣對於測量傳感器的校正來（lái）說也是非常困難的。由於門（mén）的開關、生（shēng）物安全（quán）櫃調（diào）節（jiē）門的移動、人員的運動等（děng）很多因素造成的擾動(噪聲)約（yuē）可達到25Pa。因此對於純壓差控製而言（yán），其測量信號與（yǔ）噪聲之比為（wéi）1：10。這樣的情形就如同測量一個湖泊的液（yè）位，要（yào）求精度在1厘米，而湖泊的（de）波浪卻有10厘（lí）米高，如果希望（wàng）得到精確的測量值，就需要很長的時間來（lái）平均波峰和波穀（gǔ）。在這樣的（de）情況下，如果希望快速的響應就不可能保證精度，精度（dù）與速度(或響應時間)是矛盾的。
對於純壓差控製係統，響應（yīng）時間一般要求在數分鍾以內。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（wěn）定控製的時間往往比擾（rǎo）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（zài）有（yǒu）擾動發生，係（xì）統（tǒng）才能夠（gòu）達到穩定（dìng）狀態。
對於“偽壓差”控製係（xì）統，其測量對象是空氣（qì）流速，它相對於純壓（yā）差控（kòng）製更穩定、更快速一些，因為（wéi）流速信號和（hé）噪音信號是與動（dòng）壓的開平方成比例關（guān）係，它大約能夠（gòu）把信號與（yǔ）噪聲比提高到1：3。可以看出，測量對象的簡單改變就（jiù）可以大大改（gǎi）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（fā）生後，控製係統仍需要超過（guò）60秒（miǎo）以上的時間達（dá）到穩定輸出。需要注意的是，由於測量氣流速度需要在房間與（yǔ）參照區（qū）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，例如對潔淨度有較高（gāo）要求的場合，或高等（děng）級的生物（wù）安全實驗室也（yě）不應使（shǐ）用。
對於壓差和“偽（wěi）壓差”係統來說，在某些條件下會造成嚴重的壓力（lì）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消失。雖（suī）然一些控製器有按照預定時間鎖定輸出的（de）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（huì）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（fáng）間，過道(或相鄰區域)的壓力必然下降。而如果其他潔淨室（shì）也是使用過（guò）道(或相鄰區域)作為（wéi）壓差參照點，那麽其他潔淨室的壓（yā）差控製器也將關閉送（sòng）風，由此發生連鎖反（fǎn）應，更多的空氣被從過道(或相鄰區域)吸入潔淨室排走，測量壓差值一（yī）直不能達到設定，而實（shí）際壓力卻在不斷下（xià）降。同樣（yàng）對於正壓控製也會產生類似的問題。可以想像，這將會造成整（zhěng）個潔淨室嚴重的壓力問題（tí）。當然，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（xìng）沒有較高要求的設施，並（bìng）在HVAC係統設計中采取了措施(如采用（yòng）雙門互鎖的緩衝間進行隔離)能夠避免如（rú）上述問題發（fā）生的情況下，采用（yòng）純壓差控製也是可行的。
相對而言，餘風量(或流量追蹤)控製係統的信號測量（liàng）是采用流量測量裝置對送風量和排風量進行（háng）測量。而送風量和排風量通常（cháng）都是比（bǐ）較大的測量值，在這樣的情況下，例如信號測量為1000CFM，而噪（zào）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（yàng）的情況（kuàng）下，係統可以達到很（hěn）高的精度、很高的穩定性以及非（fēi）常迅速的響應。因此在對（duì）壓差控製有較高要求的（de）運用中，通常都推（tuī）薦或要求使用這樣的控製方法。
對於（yú）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和畢托管陣列。這樣的流量測（cè）量裝置有很高的精度.然而一（yī）旦有（yǒu）顆（kē）粒（lì）附著或堵塞在（zài）傳感器上，或（huò）傳感器受到（dào）腐蝕的影響時，其測量就會發生很大的偏差。對於畢托管陣列，還必須注意其（qí）在低風速（sù）時有很大的測量誤差，所以應考慮其應用範圍。流量（liàng）測量裝置的（de）安裝位置（zhì）同（tóng）樣也需要嚴格按（àn）照其技術規格的說明進行選擇，否則同（tóng）樣會（huì）造成（chéng）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、壓力無關的風量調節閥，能（néng）夠根（gēn）據閥（fá）門位置（zhì）提供相應流量反饋信號(例如文丘（qiū）裏閥)，其標定和校正在出廠時已經由專業供貨商完成。相（xiàng）對於單純的流（liú）量測量裝置，這種裝置（zhì）功能更加的集成，它在進（jìn）行流量控製的同時能（néng）夠進行流量測量。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（liàng）裝置進（jìn）行驗證。當前這樣（yàng）的壓（yā）力（lì）無關型風量調節閥，已經在很多要求較高壓差控製中（zhōng）取得了成功的應用。
4、影響壓差控製（zhì）的（de）其他因素
建築技術（shù）對壓差控製的性能和效果（guǒ）有很大（dà）的影響，不密閉（bì）的圍（wéi）護結構很難建立起穩定的壓力梯度。它需要有很大的餘風（fēng）量才能彌補很多的泄漏，當（dāng）使用（yòng）很大的餘風量（liàng）時，將向相鄰空間（jiān）中抽（chōu）取(或排出（chū）)大量的二次空氣，因此（cǐ）可能會造成溫度、濕度控製的（de）問（wèn）題。因此必須使潔淨室有一個密閉的圍護結構，才能保證相應（yīng）的壓差和合理的氣流方向。
風管的泄漏（lòu）也會對餘（yú）風量控（kòng）製的精度和性能造成影響。如果在流量測（cè）量裝置和潔淨室圍（wéi）護結構之間，有空氣泄漏出風（fēng）管或進人風管，將會造成流量測量的誤差（chà）從而引起壓（yā）力（lì）控製顯著的偏差。如果是在定（dìng）壓係統中，這個誤差相（xiàng）對恒定；但如果係統的靜壓是波動的（de），這個誤差也將會波動，因此控製係統非常（cháng）難以采取技術措施消除這樣的（de）誤差，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檢測，允許的最（zuì）大泄漏率最大不應超（chāo）過（guò）0.5%。
