洁净空调的压差控制.docx

概述压差控制在净化空调系统中是一个非常重要的环节只有通过对净化区域的压差进行控制保证合理的气流组织才能达到净化和工艺的要求例如洁净厂房必须保持一定的正压使外界未经净化的空气不会进人净化区域保证洁净级别并且通过对各净化区域的不同的压差控制达到净化分区的作用在中就要求不同净化级别区域的压差应得到控制不小于在生物安全洁净室中压差控制更是保证安全防护屏障的关键指标在生物安全实验室建筑技术规范中指出必须使实验室的负压梯度得到稳定可靠的控制因此对于净化空调系统来说压差控制是非常重要的压差控制在实现中是比较困难特别是在生物安全实验室中要得到并保持精确稳定的压差对于控制工程师而言绝对是一件具有挑战性的任务因此在设计压差控制系统时必须要根据实际情况从以下几个方面进行分析和确定风险分析评估定风量系统和变风量系统选择压差控制和余风量控制方法控制信号与噪声的影响制稳定性及响应速度建筑结构对压差控制的影响风管泄漏对压力控制的影响首先必须对压差控制的风险进行分析例如对于高等级的生物安全实验室而言因为它有生物污染的高风险各种相关的标准都对其有保持稳定负压梯度防止污染泄漏的严格要求因此控制系统就必须能够稳定可靠的实现这样的控制目标压差控制方法对于压差控制系统来说其所达到的结果实质上是对渗人或渗出空气的控制就其控制策略而言可分为被动式和主动式控制定风量是一种被动式的控制方法它使用手动风量调节阀通过简单的送风和排风平衡送风比排风少或多一定的量余风量来达到所期望的压差在选择定风量这样的控制策略时必须认真的考虑因为定风量系统有突出的局限性主要有以下几点所有时间设备必须保持恒定的送风量和排风量不能有任何排风设备如生物安全柜等增加或减少灵活性差未来的扩展会由于系统容量限制而受限必须按全负荷设计要有较大的余量来弥补由于过滤器等造成的送风和排风系统性能的下降连续的全负荷运行使能耗极大因此运行成本非常高由于风机系统过滤器系统等性能下降或风阀位置改变等情况下系统经常要重新进行风平衡调试需要大量的维护由于在所有时间都是大风量运行噪音会过高因此如果不能接受以上的局限性时就不应选取这样的控制策略目前通过在送风管和排风管上采用压力无关型的定风量控制装置如文丘里阀的定风量系统在一定程度上可以主动的动态的调节流量消除系统静压波动造成的对流量的影响从而保证流量的恒定和控制的稳定变风量系统是一种主动式的压力控制策略它通过电动风量调节阀连续不断的对送风量或排风量进行调节以保持希望的压力主动式的压力控制方法可以分为两种纯压差控制和余风量又称为流量追踪控制纯压差控制方法纯压差控制方法相对而言简单明了其基本原理如图其控制原理为压差传感器测量室内与参照区域的压差与设定点即期望的压差比较后控制器根据偏差按调节算法对送风量或排风量进行控制从而达到要求的压差可以看出送风量或排风量是压差设定点以及常数的函数另外一种相似的压差控制方法则是根据伯努利原理利用一个装在小管内的风速探头将小管置于洁净室与参照区之间的开孔中由于洁净室内与参照区的压力差将使空气从此小管中流过管中的风速探头就可传感洁净室内与参照区之间的空气流速从而根据伯努利原理利用风速计算出洁净室与参照区的压差根据此压差信号按照上述的方法控制器对洁净室的送风或排风量进行控制达到所期望的压差值这样的方法称为伪压差控制方法余风量气流追踪控制方法洁净室的送风量与排风量之间保持一定的风量差称为余风量必然会导致洁净室产生一定的压差余风量气流追踪控制即控制系统实时测量风量送风和排风量变化通过调节送风量或排风量动态的达到相应的风量平衡使送风量和排风量之间保持恒定的风量差从而维持恒定的压差其基本原理见图控制系统利用气流测量装置实时测量送风量和排风量排风量可以在排风主管上测量或如图中在各个单独的排风上进行测量并求和控制器据此调节送风量使其追踪排风量的变化保持一定的余风量从而达到所希望的压差值可以看出余风量控制是一个开环控制系统在这里余风量就是达到所希望压差时渗人或渗出洁净室的空气流量单位为负的余风量即总排风量大于总送风量它将导致负压的产生而正的余风量则是总送风量大于总排风量它将导致正压产生在图中的风量等式中余风量是定值但在实际情况下它是变化的例如当流量传感器发生偏移时实际的余风量也将发生变化因此应该考虑选择足够大的余风量来弥补由于围护结构气密程度风管泄漏以及流量测量装置精度误差等造成的影响上述的两种压差控制方法在实际运用中都必须按照预定的频率进行验证例如对余风量控制每半年就应该进行对设定的余风量进行校正混合控制系统由于生物安全等级或级的生物安全实验室的研究和实验对象非常危险实验室的压差控制以及气流方向控制更加重要必须确保压差和气流方向得到稳定可靠的控制对于这样压差控制非常关键的地方采用纯压差控制和余风量控制两种方法混合的控制系统是很好的选择它可以确保对实验室压差稳定可靠的控制通常的做法是采用余风量控制作为基本控制方法同时加人压差传感器和控制器对余风量控制系统的余风量进行设定当房间特性发生变化时如风管的泄漏以及围护结构的气密性等发生变化余风量也会发生变化通常是变大此时压差控制系统可以动态的计算出一个合适的余风量以保持稳定的压差控制同时一旦余风量增加到一个预定值时系统将发出报警此时可能需要对流量测量装置进行校正或者对风管和围护结构的泄漏进行处理使系统状态回到正常范围内因此这样的系统可以通过对余风量的监视实现对整个实验室的控制系统风管系统围护结构完整性的监视稳定性与响应速度一般建筑技术构成的房间它能够达到的控制压差约为对于测量来说这是一个非常小的压差信号同样对于测量传感器的校正来说也是非常困难的由于门的开关生物安全柜调节门的移动人员的运动等很多因素造成的扰动噪声约可达到因此对于纯压差控制而言其测量信号与噪声之比为这样的情形就如同测量一个湖泊的液位要求精度在厘米而湖泊的波浪却有厘米高如果希望得到精确的测量值就需要很长的时间来平均波峰和波谷在这样的情况下如果希望快速的响应就不可能保证精度精度与速度或响应时间是矛盾的对于纯压差控制系统响应时间一般要求在数分钟以内因此很多这样的控制系统都是牺牲稳定性来达到响应时间的要求它在达到稳定控制之前需要在设定点附近波动相当长的时间不幸的是系统达到稳定控制的时间往往比扰动发生的频率长因此系统可能整天都在波动直到人员下班工作结束不再有扰动发生系统才能够达到稳定状态对于伪压差控制系统其测量对象是空气流速它相对于纯压差控制更稳定更快速一些因为流速信号和噪音信号是与动压的开平方成比例关系它大约能够把信号与噪声比提高到可以看出测量对象的简单改变就可以大大改善系统的性能然而即便如此噪音依然达到了信号的倍当扰动发生后控制系统仍需要超过秒以上的时间达到稳定输出需要注意的是由于测量气流速度需要在房间与参照区域开孔因此这样的控制系统对于很多场合的应用是不允许的例如对洁净度有较高要求的场合或高等级的生物安全实验室也不应使用对于压差和伪压差系统来说在某些条件下会造成严重的压力问题如在进行负压控制时当洁净室门打开时所有的测量信号如压差和流速都会消失虽然一些控制器有按照预定时间锁定输出的功能来弥补这样的问题然而当门长时间打开时压力控制系统就会关闭送风以便使房间回到负压的设定点此时空气将会从过道或相邻区域被吸人打开的房间过道或相邻区域的压力必然下降而如果其他洁净室也是使用过道或相邻区域作为压差参照点那么其他洁净室的压差控制器也将关闭送风由此发生连锁反应更多的空气被从过道或相邻区域吸入洁净室排走测量压差值一直不能达到设定而实际压力却在不断下降同样对于正压控制也会产生类似的问题可以想像这将会造成整个洁净室严重的压力问题当然对于那些不要求严格房间压差控制或风险评估对稳定时间以及稳定性没有较高要求的设施并在系统设计中采取了措施如采用双门互锁的缓冲间进行隔离能够避免如上述问题发生的情况下采用纯压差控制也是可行的相对而言余风量或流量追踪控制系统的信号测量是采用流量测量装置对送风量和排风量进行测量而送风量和排风量通常都是比较大的测量值在这样的情况下例如信号测量为而噪声各种扰动约能达到信号噪声比可以高达因此在这样的情况下系统可以达到很高的精度很高的稳定性以及非常迅速的响应因此在对压差控制有较高要求的运用中通常都推荐或要求使用这样的控制方法对于余风量控制系统来说流量测量装置是影响系统性能的关键装置一般常用的流量测量装置为热线风速传感器阵列和毕托管阵列这样的流量测量装置有很高的精度然而一旦有颗粒附着或堵塞在传感器上或传感器受到腐蚀的影响时其测量就会发生很大的偏差对于毕托管阵列还必须注意其在低风速时有很大的测量误差所以应考虑其应用范围流量测量装置的安装位置同样也需要严格按照其技术规格的说明进行选择否则同样会造成测量的误差另外在目前有一类流量控制装置出现在很多运用中它是一种线性的压力无关的风量调节阀能够根据阀门位置提供相应流量反馈信号例如文丘里阀其标定和校正在出厂时已经由专业供货商完成相对于单纯的流量测量装置这种装置功能更加的集成它在进行流量控制的同时能够进行流量测量在实际使用时这种压力无关装置的流量反馈精度一般采用备份的流量测量装置进行验证当前这样的压力无关型风量调节阀已经在很多要求较高压差控制中取得了成功的应用影响压差控制的其他因素建筑技术对压差控制的性能和效果有很大的影响不密闭的围护结构很难建立起稳定的压力梯度它需要有很大的余风量才能弥补很多的泄漏当使用很大的余风量时将向相邻空间中抽取或排出大量的二次空气因此可能会造成温度湿度控制的问题因此必须使洁净室有一个密闭的围护结构才能保证相应的压差和合理的气流方向风管的泄漏也会对余风量控制的精度和性能造成影响如果在流量测量装置和洁净室围护结构之间有空气泄漏出风管或进人风管将会造成流量测量的误差从而引起压力控制显著的偏差如果是在定压系统中这个误差相对恒定但如果系统的静压是波动的这个误差也将会波动因此控制系统非常难以采取技术措施消除这样的误差从而造成控制性能的恶化因此必须要求对送风和排风管道进行泄漏检测允许的最大泄漏率最大不应超过具体见空调专业设计要求转载年医药工程设计杂志参考文献