檢驗科實驗室房間壓力控制解決方案

1、檢驗科實驗室房間壓力控制解決方案摘?要隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的建筑工程，例如制藥廠、醫(yī)院乃至各行各業(yè)的實驗室，都對潔凈的室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求。而對室內(nèi)壓力的良好控制是達到實驗室室內(nèi)環(huán)境的必備條件。此外，實驗室中與房間壓力相關(guān)的設(shè)備，例如通風柜的控制，對整個房間的壓力控制也至關(guān)重要。文章討論了若干常見的房間壓力及通風柜控制方案和誤區(qū)，并提出了可行的解決方案。關(guān)鍵詞實驗室 壓力控制 解決方案abstractalong with the rapid development of modern science and technology, more and more buildin

2、gs, such as pharmaceutical factories and hospitals, ask for higher levels of the clean indoor environment. accurate control of indoor pressure is necessary to achieve a purification indoor environment. in addition, equipments relating to send or exhaust, such as fume hood, are also important for the

3、 pressure of whole purification environment. this paper discusses several common schemes relating to room pressure control and hood control, and proposes the corresponding solution.keywordslaboratory?pressure control?solution一、前言從事室內(nèi)壓力控制研究的人都知道，良好的室內(nèi)壓力梯度保證不同區(qū)域間合理的氣流流向和壓力分布，是保證潔凈的室內(nèi)環(huán)境的必備條件。例如，潔凈廠房必須依

4、靠保持一定的正壓使外界未經(jīng)凈化的空氣不會進入凈化 區(qū)域，以保證潔凈級別。相關(guān)標準明確規(guī)定：不同等級的潔凈室以及潔凈區(qū)域與非潔凈區(qū)域之間的壓差應(yīng)達到5pa，潔凈區(qū)與室外的壓差應(yīng)不小于10pa。又如對于生物安全潔凈室，壓差控制是保證安全防護屏障的關(guān)鍵指標，必須使實驗室的負壓梯度得到穩(wěn)定可靠的控制。因此對于實驗室，房間壓差控制是非常重要的。此外，對于包含通風柜的實驗室，需要對通風柜進行精確的控制。通風柜的面風速應(yīng)保持在80120 fpm（0.4m/s0.6m/s）之間，其測量誤差不得大于20%。故而通常使其面風速保持在0.5m/s左右，才能避免有害氣體、病菌等外泄，以免危及人員健康或造成污染。本文將

5、就房間壓力控制及通風柜控制中的一些常見問題做出探討，并提出一些切實可行的解決方案。二、房間壓力控制（一）壓力控制概念當理想房間不存在任何泄漏時，若送入房間的風量與排出房間的風量間保持額定的風量差，房間壓差的增加與時間應(yīng)成正比關(guān)系，具體見圖1。而實際的房間有固定的泄露面積，這時可應(yīng)用伯努利方程得出如圖2的曲線，它表示了房間壓差、泄露面積及進出風量差之間的復雜關(guān)系。dp 壓降， par空氣密度，1.2kg/m3a泄露面積，m2m常數(shù)， 0.72v流量， m3/h由圖1可知，對于具有一定泄露面積的房間，讓室內(nèi)送風量與排風量之間保持一定的風量差(v)，可以產(chǎn)生并維持固定的房間壓差。由此可知，調(diào)節(jié)并穩(wěn)定

6、房間壓力，需要依靠調(diào)節(jié)房間的進/排風量實現(xiàn)，也就是需要準確地調(diào)節(jié)送風及排風風閥。但在實際工程設(shè)計中，存在很多設(shè)計誤區(qū)，以致對風閥開度的調(diào)節(jié)不夠精確，不能滿足穩(wěn)定房間壓力的需要。（二）傳統(tǒng)房間壓力控制方案討論1.電動蝶閥+氣密閥控制方案此種方法是通過實測房間壓力與設(shè)定值的差值，調(diào)節(jié)送風/排風風道的電動蝶閥開度，以期調(diào)節(jié)送/排風風量，保證房間壓差。例如，假設(shè)在500pa的風道壓力下，30的風閥開度可以保證300m3/h的送風量，那么就認為，當房間的送風需要300m3/h時，將電動風閥調(diào)節(jié)至30%即可。這是一種壓力有關(guān)控制法，如圖3所示。壓力有關(guān)控制法最大的缺陷，在于忽略了風道壓力對風道風量的影響。

7、根據(jù)上文的假設(shè)，當風道壓力發(fā)生變化（這種情況在實際中幾乎隨時發(fā)生）不再是500pa時，30的風閥開度就不再對應(yīng)300m3/h的風量。風道壓力對風量的影響，會導致控制精度難以保證，并且極易引起系統(tǒng)震蕩，使房間壓力頻繁上下擺動，很難穩(wěn)定至設(shè)定值，如圖4所示。這樣的后果有時非常嚴重，尤其當潔凈區(qū)域?qū)Ω鱾€房間的壓力梯度有明確要求的時候。例如設(shè)計要求房間壓力控制在-40pa，而走廊要求房間壓力控制在-30pa，當房間壓力波動至-30pa甚至更大時，就會出現(xiàn)房間壓力向走廊方向的泄漏。2. 定風量閥固定送/排風量控制方案這是最常見的設(shè)計方案之一。該方法通常會在各個房間風道末端設(shè)置定風量閥，在對系統(tǒng)風道平衡進

8、行調(diào)節(jié)時，手動調(diào)整各分管道上的定風量閥，使各末端的出風量達到其設(shè)計值，避免由于風道風量不平衡而產(chǎn)生的部分出口出風量過大，而其它的出風口出風量不足的情況發(fā)生，以期保證送入及排出各個房間的風量恒定不變，使房間擁有額定的風量差，從而實現(xiàn)房間壓力的恒定。但選用這種方法存在若干局限性：首先此種定風量系統(tǒng)要求在所有的時間內(nèi)，設(shè)備必須保證恒定的送風量和排風量。而該恒定量必須按全負荷設(shè)計，需要留有較大的余量來彌補由于過濾器等造成的送風和排風系統(tǒng)性能的下降4?？梢韵胂?，始終全負荷的連續(xù)運行會造成極大的能耗，因此運行成本非常高，且始終大風量運行會在實際運行過程中造成很大噪音。其次，定風量系統(tǒng)的靈活性很差。未來的擴

9、展會由于系統(tǒng)容量限制而受限，通常不允許有任何排風設(shè)備（如生物安全柜等）的增加或減少。而在風機系統(tǒng)、過濾器系統(tǒng)等性能下降或風閥位置改變等情況下，系統(tǒng)經(jīng)常要重新進行風平衡調(diào)試，需要大量的維護人員和費用。最后，當一臺空調(diào)機組同時為多個房間服務(wù)時，應(yīng)用定風量系統(tǒng)的房間壓力穩(wěn)定性很難保證。當任何一個房間的壓力存在擾動（例如泄露量加大或房壓升高時），會影響到整個風道系統(tǒng)的風平衡，使其他房間的壓力也偏離設(shè)定值。3.文丘里閥變風量控制方案文丘里閥門是一種壓力無關(guān)型的機械風量調(diào)節(jié)裝置，當兩端壓差在150pa750pa之間時可以保證固定的出風量。如果能保證其正常工作范圍，文丘里閥確實是一個較為理想的壓力無關(guān)型定風

10、量裝置。但若將其應(yīng)用于變風量系統(tǒng)，則有諸多不適宜之處。首先，將文丘里閥用作變風量裝置，需要通過快速風閥執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥桿，改變它的風量設(shè)定值。但它是一個機械裝置，其壓力無關(guān)的功能主要是通過標定的彈簧裝置實現(xiàn)的。但隨著時間推移彈簧會逐漸老化，變得不再精確。又由于沒有相應(yīng)的風量測量裝置，故一段時間之后無法確定最初的執(zhí)行行程是否依舊對應(yīng)所需的出風量。其次，當系統(tǒng)送排風系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡時，文丘里閥門易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，喘振引起共振，同時會影響到總風道，導致所有的文丘里閥都需要調(diào)整，噪音甚至可達100分貝。最后，由于工作范圍的限制，文丘里閥通常需要較大的裝機容量才能正常運行。這不僅造成了初始造價的上升，也會導致建

11、筑運營成本的增加，同時不利于節(jié)能。（三）小結(jié)綜上所述，現(xiàn)今常見的房間壓力控制解決方案都有著各自的局限性：電動蝶閥+氣密閥的控制方法是壓力相關(guān)型控制，無法屏蔽壓力變化對風量的影響，極易引起房間壓力震蕩，無法穩(wěn)定在固定數(shù)值。以定風量閥固定送/排風量的控制方法，無法及時應(yīng)對房間壓力受到的擾動（如開關(guān)門造成的泄漏），也限制了房間增減排風設(shè)備的可能性。文丘里閥變風量的控制方法準確性會隨著使用時間而降低，并且容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象引起共振，產(chǎn)生極大噪音。另外對造價和裝機容量的較高要求也限制了它的使用。（四）解決方案在此我們推薦使用余風量加壓力再設(shè)定的串級控制方法，通過調(diào)節(jié)送/排風風量來調(diào)節(jié)室內(nèi)壓力，并通過監(jiān)測到

12、的實際房間壓力信號，對風量調(diào)節(jié)做出偏置。在房間的送、排風口設(shè)有vav box，通過vav控制器對送、排風量進行設(shè)定及控制。送、排風vav 控制器通過快速閥門執(zhí)行器對送、排風量進行快速調(diào)整，使得風量始終保持在設(shè)定值，以保證房間固定的送排風風量差。比如，當送、排風量低于送、排風設(shè)定值時，vav控制器通過pi運算，會適當增加風閥執(zhí)行器的開度。當室內(nèi)泄漏發(fā)生時，比如開門、關(guān)門，房間壓力值發(fā)生變化，此時顯然僅保持余風量已經(jīng)不能滿足房間壓力控制的要求，所以我們通過房間壓力來做再設(shè)定。當室內(nèi)壓力變化時，控制器通過房間壓力傳感器監(jiān)測到的房間壓力值與壓力設(shè)定值比較產(chǎn)生一個偏差，通過pi算法，對排風量進行再設(shè)定。

13、比如，在負壓保持在40pa的狀態(tài)下，當門被打開時，室外的氣體迅速地進入室內(nèi)，此時室內(nèi)負壓迅速減小，比如減小到30pa，此時，控制器通過比較壓力監(jiān)測值與設(shè)定值并產(chǎn)生一個輸出，通過作用排風vav控制器使排風量設(shè)定點增大，排風vav 控制器通過快速閥門執(zhí)行器對排風量進行快速調(diào)整，使得排風量保持在設(shè)定值，從而使室內(nèi)負壓又回到40pa。該方法的優(yōu)勢之一，是能夠通過快速閥門執(zhí)行器對風量進行快速調(diào)整，使得送/排風量始終保持設(shè)定差值。而當室內(nèi)泄漏發(fā)生時，比如開門、關(guān)門，房間壓力值發(fā)生變化時又能快速響應(yīng)并穩(wěn)定室內(nèi)壓差。同時，vavbox的工作范圍在30pa200pa之間，其管道設(shè)計壓力較采用文丘里閥門的設(shè)計壓力

14、小，故可選用裝機容量較小的空調(diào)機組，相對會更節(jié)能，同時可避免喘振現(xiàn)象。三、通風柜控制（一）通風柜介紹通風柜的結(jié)構(gòu)是上下式，其頂部有排氣孔。通風柜上柜中有導流板、電路控制觸摸開關(guān)、電源插座等，透視窗采用鋼化玻璃，可上下或左右移動，供人操作。下柜采用實驗邊臺樣式，上面有臺面，下面是柜體。臺面可安裝龍頭。使用的時候人站或坐于柜前，將玻璃門盡量放低，手通過門下伸進柜內(nèi)進行實驗（見圖5）。通風柜的功能中最主要的是排氣。在實驗操作時會產(chǎn)生各種有害氣體、臭氣、濕氣以及易燃、易爆、腐蝕性物質(zhì)，為了保護使用者的安全，防止實驗中的污染物質(zhì)向?qū)嶒炇覕U散，必須使用通風柜，并且只有使通風柜面風速保持在 0.40.6)m

15、/s 左右，才可以保證安全運行。故現(xiàn)有的控制方法均以快速地使面風速處于標準范圍內(nèi)作為控制目標。（二） 通風柜控制方案討論1.面風速控制方案該方法是將面風速傳感器安裝于通風柜內(nèi)壁，實際測量該風速，vavbox的ddc控制器根據(jù)該實測面風速計算排風量設(shè)定值，并與檢測到的當前排風量值進行比較，對排風vav box 的風閥進行pi控制，使風速達到設(shè)定值(0.5m/s)?？刂品桨甘疽鈭D參見圖6。此種方法的優(yōu)點是非常直接，通過實際的面風速測量值，計算與設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)相應(yīng)排風量。理論上說這種調(diào)節(jié)應(yīng)該是很精確的。但事實上面風速的數(shù)值會因為實驗人員的身型、通風柜附近的運動等等多種因素而快速改變，極易受到擾動

16、。故而以面風速作為控制量進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)很難達到穩(wěn)定。2.門高開度控制方案將門高傳感器安裝于通風柜側(cè)壁，測量通風柜門高開度，根據(jù)公式總排風量值=開度×寬度×面風速(0.5m/s)，得出排風量設(shè)定值，vavbox的ddc控制器通過測量真實排風量，并與計算所得的排風量設(shè)定值比較，對排風vav box 風閥進行pi控制，使風速快速達到設(shè)定值(0.5m/s)。示意圖參見圖7。應(yīng)用此種方案的好處是門高開度的測量值相對穩(wěn)定，門開度固定后該數(shù)值就不再改變，這使系統(tǒng)較易到達穩(wěn)定的狀態(tài)。但由于通風柜本身存在泄漏、通風柜柜門附近氣流組織變化等實際原因，理論計算出的排風量值往往很難確保實際面風速保

17、持為0.5m/s。（三）小結(jié)綜上所述，以上兩種通風柜的控制方案都有各自的缺陷，依靠直接測量的面風速作為判斷標準會使通風柜的控制難以達到穩(wěn)定，而根據(jù)門高作為控制依據(jù)則無法真實反映當前面風速的實際值，造成運行偏差。（四）解決方案我們認為最好的解決方法是門高+面風速雙調(diào)節(jié)法，既保證了整體控制方案的穩(wěn)定，又能夠根據(jù)實際面風速的變化做出實時的調(diào)節(jié)。具體控制邏輯為：門高開度傳感器測量門窗的開度，并將信號傳輸給排風vav流量控制器。排風vav流量控制器計算排風量設(shè)定值，算式為總排風量值=開度×寬度×面風速(0.5m/s)。排風vav流量控制器通過測量真實排風量，并與計算所得排風量設(shè)定值比

18、較，對排風vav box 風閥進行pi控制，使風速快速達到設(shè)定值(0.5m/s)?？刂七壿媹D如圖8所示。四、含通風柜實驗室的壓力控制（一） 概述通風柜是實驗室內(nèi)的一種重要的實驗裝置，由于其開啟時會產(chǎn)生較大的排風量，且風量大小會隨著其實驗狀態(tài)的不同而有較大變動，故而通風柜的啟停與運行狀態(tài)會對潔凈區(qū)域的壓力產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。含通風柜（或類似排風裝置）實驗室的壓力控制往往是實驗區(qū)房間壓力控制難度最大的部分。（二） 控制解決方案使用余風量加壓力再設(shè)定的串級控制方法。通過計算各通風設(shè)備排風量總和調(diào)節(jié)輔助排風及送風風量，維持房間一定的余風量差，并通過監(jiān)測到的實際房間壓力信號，對風量調(diào)節(jié)做出偏置。在房間的送風口、輔助排風口及通風柜排風口設(shè)vavbox，通過vav控制器對送、排風量進行設(shè)定及控制。當任意數(shù)量的通風柜開啟時，首先通風柜vav控制器會采用門高+面風速雙調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)通風柜排風量，此時房間的排風量會較通風柜未啟用時大幅增加。此時計算通風柜實際排風量的總和，并輸出至輔助排風vav控制器，以便相應(yīng)關(guān)小輔助排風的vav風閥，減少輔助排風量；同時計算當前房間排風量的總和（應(yīng)包括通風柜排風量、固定排風量及輔助