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发表于：2013/01/02 11:41:47 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

检验科实验室房间压力控制解决方案
一、前言
从事室内压力控制研究的人都知道，良好的室内压力梯度——保证不同区域间合理的气流流向和压力分布，是保证洁净的室内环境的必备条件。例如，洁净厂房必须依靠保持一定的正压使外界未经净化的空气不会进入净化区域，以保证洁净级别。相关标准明确规定：不同等级的洁净室以及洁净区域与非洁净区域之间的压差应达到5Pa，洁净区与室外的压差应不小于10Pa。又如对于生物安全洁净室，压差控制是保证安全防护屏障的关键指标，必须使实验室的负压梯度得到稳定可靠的控制。因此对于实验室，房间压差控制是非常重要的。
此外，对于包含通风柜的实验室，需要对通风柜进行精确的控制。通风柜的面风速应保持在80～120 fpm（0.4m/s～0.6m/s）之间，其测量误差不得大于20%。故而通常使其面风速保持在0.5m/s左右，才能避免有害气体、病菌等外泄，以免危及人员健康或造成污染。
本文将就房间压力控制及通风柜控制中的一些常见问题做出探讨，并提出一些切实可行的解决方案。
二、房间压力控制
（一）压力控制概念
当理想房间不存在任何泄漏时，若送入房间的风量与排出房间的风量间保持额定的风量差，房间压差的增加与时间应成正比关系，具体见图1。而实际的房间有固定的泄露面积，这时可应用伯努利方程得出如图2的曲线，它表示了房间压差、泄露面积及进出风量差之间的复杂关系。
DP ——压降， Pa
r——空气密度，1.2kg/m3
A——泄露面积，m2
m——常数， 0.72
V——流量， m3/h
由图1可知，对于具有一定泄露面积的房间，让室内送风量与排风量之间保持一定的风量差(ΔV)，可以产生并维持固定的房间压差。
由此可知，调节并稳定房间压力，需要依靠调节房间的进/排风量实现，也就是需要准确地调节送风及排风风阀。但在实际工程设计中，存在很多设计误区，以致对风阀开度的调节不够精确，不能满足稳定房间压力的需要。
（二）传统房间压力控制方案讨论
1.电动蝶阀+气密阀控制方案
此种方法是通过实测房间压力与设定值的差值，调节送风/排风风道的电动蝶阀开度，以期调节送/排风风量，保证房间压差。例如，假设在500Pa的风道压力下，30％的风阀开度可以保证300m3/h的送风量，那么就认为，当房间的送风需要300m3/h时，将电动风阀调节至30%即可。这是一种压力有关控制法，如图3所示。
压力有关控制法最大的缺陷，在于忽略了风道压力对风道风量的影响。根据上文的假设，当风道压力发生变化（这种情况在实际中几乎随时发生）不再是500Pa时，30％的风阀开度就不再对应300m3/h的风量。
风道压力对风量的影响，会导致控制精度难以保证，并且极易引起系统震荡，使房间压力频繁上下摆动，很难稳定至设定值，如图4所示。
这样的后果有时非常严重，尤其当洁净区域对各个房间的压力梯度有明确要求的时候。例如设计要求房间压力控制在-40Pa，而走廊要求房间压力控制在-30Pa，当房间压力波动至-30Pa甚至更大时，就会出现房间压力向走廊方向的泄漏。
2. 定风量阀固定送/排风量控制方案
这是最常见的设计方案之一。该方法通常会在各个房间风道末端设置定风量阀，在对系统风道平衡进行调节时，手动调整各分管道上的定风量阀，使各末端的出风量达到其设计值，避免由于风道风量不平衡而产生的部分出口出风量过大，而其它的出风口出风量不足的情况发生，以期保证送入及排出各个房间的风量恒定不变，使房间拥有额定的风量差，从而实现房间压力的恒定。
但选用这种方法存在若干局限性：
首先此种定风量系统要求在所有的时间内，设备必须保证恒定的送风量和排风量。而该恒定量必须按全负荷设计，需要留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[4]。可以想象，始终全负荷的连续运行会造成极大的能耗，因此运行成本非常高，且始终大风量运行会在实际运行过程中造成很大噪音。
其次，定风量系统的灵活性很差。未来的扩展会由于系统容量限制而受限，通常不允许有任何排风设备（如生物安全柜等）的增加或减少。而在风机系统、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，需要大量的维护人员和费用。
最后，当一台空调机组同时为多个房间服务时，应用定风量系统的房间压力稳定性很难保证。当任何一个房间的压力存在扰动（例如泄露量加大或房压升高时），会影响到整个风道系统的风平衡，使其他房间的压力也偏离设定值。
3.文丘里阀变风量控制方案
文丘里阀门是一种压力无关型的机械风量调节装置，当两端压差在150Pa～750Pa之间时可以保证固定的出风量。如果能保证其正常工作范围，文丘里阀确实是一个较为理想的压力无关型定风量装置。但若将其应用于变风量系统，则有诸多不适宜之处。
首先，将文丘里阀用作变风量装置，需要通过快速风阀执行器调节阀杆，改变它的风量设定值。但它是一个机械装置，其压力无关的功能主要是通过标定的弹簧装置实现的。但随着时间推移弹簧会逐渐老化，变得不再精确。又由于没有相应的风量测量装置，故一段时间之后无法确定最初的执行行程是否依旧对应所需的出风量。
其次，当系统送排风系统出现不平衡时，文丘里阀门易出现喘振现象，喘振引起共振，同时会影响到总风道，导致所有的文丘里阀都需要调整，噪音甚至可达100分贝。
最后，由于工作范围的限制，文丘里阀通常需要较大的装机容量才能正常运行。这不仅造成了初始造价的上升，也会导致建筑运营成本的增加，同时不利于节能。
（三）小结
综上所述，现今常见的房间压力控制解决方案都有着各自的局限性：
电动蝶阀+气密阀的控制方法是压力相关型控制，无法屏蔽压力变化对风量的影响，极易引起房间压力震荡，无法稳定在固定数值。
以定风量阀固定送/排风量的控制方法，无法及时应对房间压力受到的扰动（如开关门造成的泄漏），也限制了房间增减排风设备的可能性。
文丘里阀变风量的控制方法准确性会随着使用时间而降低，并且容易出现喘振现象引起共振，产生极大噪音。另外对造价和装机容量的较高要求也限制了它的使用。
（四）解决方案
在此我们推荐使用余风量加压力再设定的串级控制方法，通过调节送/排风风量来调节室内压力，并通过监测到的实际房间压力信号，对风量调节做出偏置。
在房间的送、排风口设有VAV BOX，通过VAV控制器对送、排风量进行设定及控制。送、排风VAV 控制器通过快速阀门执行器对送、排风量进行快速调整，使得风量始终保持在设定值，以保证房间固定的送排风风量差。比如，当送、排风量低于送、排风设定值时，VAV控制器通过PI运算，会适当增加风阀执行器的开度。
当室内泄漏发生时，比如开门、关门，房间压力值发生变化，此时显然仅保持余风量已经不能满足房间压力控制的要求，所以我们通过房间压力来做再设定。当室内压力变化时，控制器通过房间压力传感器监测到的房间压力值与压力设定值比较产生一个偏差，通过PI算法，对排风量进行再设定。比如，在负压保持在40Pa的状态下，当门被打开时，室外的气体迅速地进入室内，此时室内负压迅速减小，比如减小到30Pa，此时，控制器通过比较压力监测值与设定值并产生一个输出，通过作用排风VAV控制器使排风量设定点增大，排风VAV 控制器通过快速阀门执行器对排风量进行快速调整，使得排风量保持在设定值，从而使室内负压又回到40Pa。
该方法的优势之一，是能够通过快速阀门执行器对风量进行快速调整，使得送/排风量始终保持设定差值。而当室内泄漏发生时，比如开门、关门，房间压力值发生变化时又能快速响应并稳定室内压差。
同时，VAVBOX的工作范围在30Pa～200Pa之间，其管道设计压力较采用文丘里阀门的设计压力小，故可选用装机容量较小的空调机组，相对会更节能，同时可避免喘振现象。
三、通风柜控制
（一）通风柜介绍
通风柜的结构是上下式，其顶部有排气孔。通风柜上柜中有导流板、电路控制触摸开关、电源插座等，透视窗采用钢化玻璃，可上下或左右移动，供人操作。下柜采用实验边台样式，上面有台面，下面是柜体。台面可安装龙头。使用的时候人站或坐于柜前，将玻璃门尽量放低，手通过门下伸进柜内进行实验（见图5）。
通风柜的功能中最主要的是排气。在实验操作时会产生各种有害气体、臭气、湿气以及易燃、易爆、腐蚀性物质，为了保护使用者的安全，防止实验中的污染物质向实验室扩散，必须使用通风柜，并且只有使通风柜面风速保持在 0.4～0.6)m/s 左右，才可以保证安全运行。故现有的控制方法均以快速地使面风速处于标准范围内作为控制目标。
（二）通风柜控制方案讨论
1.面风速控制方案
该方法是将面风速传感器安装于通风柜内壁，实际测量该风速，VAVBOX的DDC控制器根据该实测面风速计算排风量设定值，并与检测到的当前排风量值进行比较，对排风VAV BOX 的风阀进行PI控制，使风速达到设定值(0.5m/s)。控制方案示意图参见图6。
此种方法的优点是非常直接，通过实际的面风速测量值，计算与设定值的偏差，调节相应排风量。理论上说这种调节应该是很精确的。但事实上面风速的数值会因为实验人员的身型、通风柜附近的运动等等多种因素而快速改变，极易受到扰动。故而以面风速作为控制量进行调节，系统很难达到稳定。
2.门高开度控制方案
将门高传感器安装于通风柜侧壁，测量通风柜门高开度，根据公式总排风量值=开度×宽度×面风速(0.5m/s)，得出排风量设定值，VAVBOX的DDC控制器通过测量真实排风量，并与计算所得的排风量设定值比较，对排风VAV BOX 风阀进行PI控制，使风速快速达到设定值(0.5m/s)。示意图参见图7。
应用此种方案的好处是门高开度的测量值相对稳定，门开度固定后该数值就不再改变，这使系统较易到达稳定的状态。但由于通风柜本身存在泄漏、通风柜柜门附近气流组织变化等实际原因，理论计算出的排风量值往往很难确保实际面风速保持为0.5m/s。
（三）小结
综上所述，以上两种通风柜的控制方案都有各自的缺陷，依靠直接测量的面风速作为判断标准会使通风柜的控制难以达到稳定，而根据门高作为控制依据则无法真实反映当前面风速的实际值，造成运行偏差。
（四）解决方案
我们认为最好的解决方法是门高+面风速双调节法，既保证了整体控制方案的稳定，又能够根据实际面风速的变化做出实时的调节。
具体控制逻辑为：门高开度传感器测量门窗的开度，并将信号传输给排风VAV流量控制器。排风VAV流量控制器计算排风量设定值，算式为总排风量值=开度×宽度×面风速(0.5m/s)。排风VAV流量控制器通过测量真实排风量，并与计算所得排风量设定值比较，对排风VAV BOX 风阀进行PI控制，使风速快速达到设定值(0.5m/s)。控制逻辑图如图8所示。
四、含通风柜实验室的压力控制
（一）概述
通风柜是实验室内的一种重要的实验装置，由于其开启时会产生较大的排风量，且风量大小会随着其实验状态的不同而有较大变动，故而通风柜的启停与运行状态会对洁净区域的压力产生至关重要的影响。
含通风柜（或类似排风装置）实验室的压力控制往往是实验区房间压力控制难度最大的部分。
（二）控制解决方案
使用余风量加压力再设定的串级控制方法。通过计算各通风设备排风量总和调节辅助排风及送风风量，维持房间一定的余风量差，并通过监测到的实际房间压力信号，对风量调节做出偏置。
在房间的送风口、辅助排风口及通风柜排风口设VAVBOX，通过VAV控制器对送、排风量进行设定及控制。
当任意数量的通风柜开启时，首先通风柜VAV控制器会采用门高+面风速双调节法调节通风柜排风量，此时房间的排风量会较通风柜未启用时大幅增加。此时计算通风柜实际排风量的总和，并输出至辅助排风VAV控制器，以便相应关小辅助排风的VAV风阀，减少辅助排风量；同时计算当前房间排风量的总和（应包括通风柜排风量、固定排风量及辅助排风量），输出至房间送风VAV控制器，快速调节房间送风量，以保证房间的余风量差保持不变；此外还需测量当前房间压力数值，将与房压设定值比较后计算出的偏差信号输出至送风VAV控制器，对房间压力控制做出偏置。
五、结束语
随着现代科学技术的高速发展，愈来愈多的行业依赖于在净化区域内生产和装配自己的产品。洁净的生产环境是生产工艺的需要，是确保产品成品率和产品质量可靠性的必备条件。在洁净区域中，实验室是对于环境要求较为严格的场所，这对洁净室内环境的控制提出了极高的要求。如何通过自动控制更好地实现这些生产工艺要求，成为现今智能建筑与楼宇自动化领域的重点研究方向之一。

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