洁净室压差控制方法选择及讨论
2015-03-17 16:39:27
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   摘 要 

   对洁净室常用的压差控制方法进行归纳及讨论,并对其适用性等进行分析。 
   关键词 
   压差控制 定风量控制 直接压力控制 闭环控制 余压阀 定风量阀
 
   1 压差的建立
    洁净室的送入风量与排出风量+压差风量(余风量)之间达到平衡便建立压差,这里的排出风量包括:需排往室外的排风量及回风量。
    对直流系统是,新风量=排风量+压差风量
    对循环系统是,新风量+回风量=回风量+排风量+压差风量
    所以归根到底,压差的实质是:新风量=排风量+压差风量
    因此,洁净室压差建立的调整,都应体现新风量与排风量+压差风量之间的平衡:
    (1)对直流系统,送入一定的风量,调节排风量至压差值的建立;
    (2)对循环系统, 送入一定的风量, 一般可按要求调整排风量,然后调节回风量,建立压差值;
   (3)当某些洁净室无单独排风量,则调节回风量至压差值的建立。
   洁净室送入风量要求一定,因此不能作为控制的变量。但对有的生物安全等实验室而言,不要求保持洁净室级别的一定,送风设高效过滤器,主要是为了延长排风高效过滤器的使用寿命,因此送风量可作为压差控制的变量。
 
   2 洁净室压差的外扰因素及基本对策
   引起洁净室压差波动的外扰因素及常用的基本对策如下:
   (1)HVAC系统阻力变化,主要是过滤器阻力的变化,会引起送风量的变化,影响室内压差的波动。
   对其控制较易,只要运行到一定时期后系统阻力变化至一定值时,人工及时调整便可。亦常在用定风量阀控制压差时,能自动维持送风量不变,亦有采用变速的送风机,以过滤器压差或以实际送风量与设定送风量之差进行风机转速控制,维持风量一定。
   (2)室外风压的变化(室外风向及风速等引起),会影响洁净室的压差风量,引起室内压差的波动。
   对其控制也较容易,要求: 围护结构及门等的气密性好;洁净室对室外保持≥10Pa压差,相邻洁净室间保持≥5Pa压差,建立必要的压差梯度当室外风压对洁净室最不利时,尚能维持洁净室内的一定压差而不致出现问题。
   (3)洁净室门的启、闭,会引起洁净室压差的波动。
   门开启时,两洁净室的压差不能维持,空气会双向交换,其交换量与两室间的空气温差有关,亦与人的走动以送、回风口与门的相对位置等有关,国外有研究认为,在门两侧洁净室的温差△t=0℃,双开门的空气交换量约为0.19m3/s;△t=2℃,则达0.24m3/s。
   为防止反向流的出现,则流经门的空气速度应>0.2m/s(ISO 14644-4中提及的维持低压差时所需的气流速度);在工程中,国外常采用0.25m/s~0.5m/s的气流速度。
   图1为国外有关研究的资料[1] ——门开着时,所需的隔离风量亦即所需流经门的风量,在此风量下才能保持低压差而无反向流出现。
 
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图1 门开着时的隔离风量
   对其控制较不容易,需采用闭环控制。在采用定风量控制时,常须采用设置缓冲室或气闸来处理。
   (4)洁净室工艺排风的变化必然带来压差的波动,而排风量的变化有时是较大的,此时为不使室内压差波动,不使引起反向流,需要采用闭环控制。
    (5)HVAC系统的启停以及生物洁净室薰、蒸、消毒、灭菌所需风阀操作必然引起室压的波动,但这都是在非正常运行过程中暂时出现的,对正常运行并无影响,因此需要在系统的风机、阀门等运行的联锁及阀门操作等作规定外,无需在压差控制系统上作考虑。
 
    3 洁净室压差控制方法的选择及讨论
    当前,洁净室常用的压差控制方法基本是两类。一类是所谓的静态控制,即定风量控制,另一类是所谓的动态控制,即是以“直接压力”控制的闭环控制系统以及余压阀控制。
    3.1 定风量控制
    3.1.1 特点及采用要求
    其特点是:在洁净室门关闭情况下,使送风(新风+回风)=回风+排风+压差风量,建立压差值;除压差风量外,其余各风量都维持一定。
    定风量控制方式不能解决工艺排风量的变化及门的启、闭对压差的干扰, 即在这些情况下要出现反向流。因此其采用的前提是:
    (1)排风量要求一定,或至少一段时期内是一定的,以后变化时重新调整之;
    (2)围护结构及门要求气密性好;
    (3)采用缓冲室或气闸,必要时增加其换气次数,使气闸较快恢复并保持其要求的洁净度;或虽无缓冲室等的相邻空间即使出现反向流时,对加工或处理对象不会出现明显的影响。
    3.1.2 控制方式
    定风量控制有以下二种系统:
    (1)手动控制
    人工调整好压差值后,锁定送、回、排送风阀,当系统阻力变化时需再重新调整之。系统简单,操作维护方便。
    常多用于制约厂有关洁净室。
    其HVAC系统的送、回风机(单风机或双风机),都可不设自动风量调节装置。当然若设自动风量调节(如,以送风总管上的静压一定控制单风机或送、回风机的出口调节阀),会使洁净室压差可能更稳定些,但一般都不设自动风量调节。
    (2)定风量阀控制
    基本的是在洁净室的送风管、回风管及排风管上各设定风量阀,亦有只在送风管、排风管上设置,而回风管上不设,当然以前者为好,但投资更大些。
    定风量阀为以弹簧及阀体等组成的机械,能对风管内静压力的变化由弹簧带动阀体位移进行补偿,使风量维持一定,它对HVAC系统的阻力变化时能自动维持送入风量一定(定风量阀的作用阻力范围,有的为150~750Pa,有的可为50~1000Pa),且风量控制较准确。因此,送、回风机都无需另设自动风量调节措施, 目前在隔离病房、手术室、实验室等用得较多。
    3.1.3 定风量控制方式的节能措施
    (1)为节能定风量阀可以采用双稳态的,即洁净室在工作时采用额定风量运行,在不工作时,采用低风量运行以节能,风机可采用双速或变频变速风机。双稳态的设定可以是人工(值班者)设定,亦可以是灯光等作控制。目前,常在手术室及某些实验室中采用。
    (2)为节能,当前某些制药厂亦有采用回风与局部排风相联销(一开一关)以维持室内压差。如室内通风柜或设备的局部排风不工作时,排风阀关闭,此时联动回风阀开启,以同等的风量进行联锁倒换,以保持室内压差。此时,送、回风机应采用双风机,回风风机并是变速的,排风机亦宜是变速的,都可以以各自风管的静压来控制风机的转速。
    3.1.4 定风量控制方式对门的开、闭的适应性问题
    前面已经提到定风量控制方式是不能避免门开、闭时的反向气流问题。目前有的手术室有采用门的启、闭与排风机联锁, 以期维持低压差而不出现反向流。应注意的是:若洁净室的排风量本身≥ 门开启时维持压差的风量时,其效果是肯定的,否则就难不出现反向流,尤其是当门开启间稍长时。
    另外, 目前手术室不少是采用定风量阀的压差控制方式,它是主要基于手术室手术台上方为集中均流送风,能较好防止周边区污染物的进入,且周边区的微生物浓度也不比洁净走廊为好的认识。
    3.2 闭环控制
    当前工业洁净室的闭环控制,常采用“直接压力” 控制,即以室内压差的维持控制新风或回风或排风作为变量。 
闭环控制可以应对:
    (1)由排风变化引起的压力波动。
    (2)由于门开着引起的反向流。
    (3)以及室外风压并系统阻力引起的压力波动。
    它主要是控制不出现反向流,但对压力波动有一定范围,这对洁净室已经满足要求。
    此控制方式,目前常用于排风变化的洁净室以及门启闭频繁等而不宜设缓冲室或气闸的洁净室。
    3.2.1 常用控制方式
    (1)以室内正压的维持控制新风作为变量。
    它适用于一个HVAC系统对一个洁净室的情况,控制较直接,当有采用新风机组时,一般宜采用变速风机以实现节能,尤其是新风量变化较大时。
    对循环风机一般可以不作自动调节。
    当前电子工业、半导体、集成电路工厂较多的采用这种控制方式。图2-5是其常用的几种以新风作变量控气室内压差的HVAC系统示意图。
 
 
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图2 以新风为变量的控制示意(一)
 
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图3 以新风为变量的控制示意(二)
 
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图4 以新风为变量的控制示意(三)
 
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图5 以新风为变量的控制示意(四)
    (2)以室内压差的维持控制回风作变量。
    此种控制方式, 见图6,一般多适用于一个HVAC系统对多个活净室的情况,由于风管布置及接管等情况,控制回风较控制新风更易合理实现。
 
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图6 以回风为变量的控制示意
   以回风作变量控制洁净室压差时,在HVAC系统的送、回风机的风量上最终是要满足新风量=排风量+压差风量。因此常以送、回风风机的压差或其风量差自动控制新风阀来调节风量。
   (3)以室内压差的维持控制排风作变量。
   此种控制方式,见图7。
 
 
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图7 以排风为变量的控制示意
   它的特点是送、回风系统可以是定风量运行,一般可不设自动调节风机风量的装置;排风风机则视情况宜采用变速风机以节能。
   (4)独立正压送风压差控制
    正压送风系统见图8,主要用于手术室的压差控制,正压新风采用二级过滤后通过调节阀送入各洁净室,调节阀由室内压差的维持,调节送人的正压风量。
 
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图8 独立新风正压控制示意
    此系统的正压风量完全独立于HVAC系统的风量,易于控制,尤其是对不工作的手术室, 只要送入所需压差风量的正压新风外,HVAC系统可不工作。独立正压风机宜采用变速风机以达节能的目的。
    3.3 余压阀控制
    余压阀安装简单、价格低廉、控制的灵敏度也可以,但缺点是:长期使用后关闭会不严;破坏室内平洁、光滑表面,从一个积尘处。使用时按HVAC系统情况可能相当于以室压维持控制排风量或回风量,在控制回风时一般常以走廊作为回风道,要注意交叉污染的问题。
    3.4 洁净室压差控制方式及其系统的选择应与要求相适应
    压差控制方法及其系统的选择应以经济合理的满足要求为前提,过高的要求及过复杂的控制系统必然带来维护管理的麻烦及经济上的不合理,并还往往带来故障机率的增多。因此,应根据洁净室的用途、特点及要求选择行之有效并经济合理的控制方法。一般若采用定风量控制方式已证明能行之有效时,就不需采用较复杂的闭环控制方式。
    对(+)压洁净室的压差及压差梯度的控制,采用闭环控制时,主要是以不出现反向流作为判断是否有效的依据。
    相比之下,实验室、生物安全实验室等直流系统的负压控制系统,在当前为节能需进行变风量控制时,往往要求更较可靠、灵敏及快速响应的控制系统,如采用变风量丘里控制阀以及相应的流量追踪与“直接压力” 控制相结合的集成系统,以保安全, 目前在国内已有采用。在这里不进行介绍分析。
 
    参考文献
    1 W.Whyle. Cleanroom Design (2nd Edition) John Wiley & Sons
    2 涂光备等编者.医院建筑空调净化设备.中国洁净室工程师资格认证专用教材,2005
    3 洁净厂房设计规范(GB 50073—2001)
    4 1995 ASHRAE Handbook.HVAC Application
    5 周俊彦,郭大荣等.洁净手术室净化空调系统设计探讨.《洁净与空调技术》,2003年第1期
    6 杨毅,郑洁,薛林.洁净手术部空调系统探讨.《洁净与空调技术》,2004年第3期
诺克司·森态新风

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