洁净厂房压力控制方案.docx
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洁净厂房压力控制方案
洁净厂房压力
控制VAV系统方案简述
Theartofhandingair
妥思空调（苏州）设备有限公司
2013年10月24日
一．压力控制目的及要求
1.1.维持房间压力控制目的
压差控制在生产型洁净厂房等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GMP中就要求不同净化级别区域的压差应得到控制不小于+5Pa.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。
1.2.实现房间压力控制目标的基本要求
a．房间密闭性需达到设计要求，泄漏量维持在设计范围以内；
b．系统设计风量需满足压差控制要求，并富裕一定的余量以应对在施工过程中所造成的系统漏风；
c．系统设计风机压头需满足设计过程中所计算出来的系统阻力，且必须富裕一定余量以应对由于施工过程中风管走向及标高变化增加弯头等所带来的系统阻力增大；
d．整个系统风机变频控制过程中需充分考虑在维持最低换气次数要求下的系统阻力及风机频率。
e．系统末端风量控制设备需选用压力无关型的风量控制设备，以实现系统内部之间各个房间风量发生变化的过程时系统压力发生变化而互不发生影响。
f．系统末端风量控制设备的控制精度须达到设计要求，从而实现房间压力控制精度要求及减小系统震荡风险。
二．压力控制方案即控制设备原理介绍
2.1.压力控制方式
2.1.1.定送定排余风量压差控制方式
定送定排余风量差压力控制方式为被动式压力控制模式，其主要控制原理图如下：
图1：
定送定排被动式压差控制模式原理图
定送定排控制原理描述：
定送定排即送排风均采用机械式压力无关型定风量阀门进行送排风风量的控制，但之所以说定送定排余风量差压力控制模式为被动式压力控制模式，主要是因为其完全依靠设计计算出房间的送排风量，以及维持房间压力所需的余风量差值，再结合项目调试过程中对系统的漏风量修正之后所建立的压差值，但是此种控制模式对房间的压力波动无自适应调整过程，只能靠房间回归密闭状态或者局排设备关停之后恢复至设计压差值，也就是说此种控制模式对压力波动的适应性较低。
但对系统的初投资而言比较低。
2.1.2.定送变排主动式压差控制模式
房间压差的建立过程中末端风量的控制甚为关键，主要是送风，回风及排风之间的风量平衡。
定送变排主动式压差控制模式是基于一个基本原则即送风定风量，排风或者回风依据房间实际的压差值变化调整排风量，具体控制原理如下图2：
图2：
定送变排主动式压差控制模式原理图
定送变排控制原理描述：
即送风采用机械式定风量阀门，维持送风量恒定，保证房间的工艺需求的换气次数要求。
对于排风或者回风而言采用的是压力无关型的变风量阀门，实际工作原理采用的直接压差控制模式即实际测的房间的实际压力，与阀门控制器中设置的设计压力值进行比对，调整房间排风量直至达到控制目标值。
此种控制模式由于排风或者回风风量控制设备采用的是变风量阀门，其能够实时检测房间实际压力波动而调整房间的排风量或者回风量以达到房间压差值的建立。
之所以说此种控制模式为主动压力控制模式，主要是该控制模式中加入了房间实际压力检测控制设备，其能够较快的适应由于房间密闭性发生变化或者局排设备的起停以及其他的不可控因素或者误操作因素所带来的压力波动。
2.1.3.变送变排主动式压差控制模式
变送变排压力控制模式为主动式压力控制模式，其主要控制原理图如下：
图3：
变送变排主动式压差控制模式原理图
变送变排控制原理描述：
即送风采用压力无关型变风量送风阀，排风也采用直接压力控制的变风量阀门，但两个阀门之间需实现实时通讯功能，即以排风阀压力控制为主，当房间压力发生波动过程中，排风调整排风量，此时需将排风风量值给到送风阀，送风阀继而也进行响应的送风量调整维持一定的风量差值，将房间的压力维持在一定的设计范围以内。
其实此种控制模式是结合的上述两种控制的模式基础之上得来的即余风量与实际压差控制相结合的一种控制模式，房间压力控制精度及安全性较高，且系统自适应能力较强。
在调试过程中设置一定风量差值在送排风阀控制内部，即设定了风量偏移限制，当密闭保压空间突然出现泄压状态即与参照空间联通，压差值变为0时，房间的送风量只能在便宜限制之内进行调整，从而避免出现送风量过低的情况。
当室内排风点排风量改变引起室内的总排风量变化或者室内工况切花引起总排风量的变化时，送风量能够迅速调整，从而实验房间压力的稳定，而不至于出现正压过大或者负压过大的状况。
2.2.控制设备原理简介
2.2.1.压力无关型机械式定风量阀门
图4：
压力无关型机械式定风量阀结构原理图
此定风量阀之所以为压力无关型末端设备，主要基于阀体内部的特殊构造，其主要分为5大部件即阀体，阀板，高性能聚氨酯气囊，不锈钢弹簧片即风量标定凸轮。
当气流从进风方向进入阀体过程中，气囊能够依据气体压力的大小进行充鼓，推动阀板向关闭方向运动，与此同时由凸轮拉动的弹簧片拉动阀板向打开方向运动，当两股力达到一个平衡的时候，风量就恒定了。
之所以说其为压力无关型末端设备主要在于，随着气流压力的变化气囊的充鼓大小也在发生变化，阀板的位置在实时调整即在时刻调整阀板位置以适应在一定流量下由于压力的波动所带来的流速的变化，即由公式Q=S×V,（Q:
是流量m3/s；S:
阀门流通截面积m2；V：
流速m/s）可以看出，在维持Q不变的时候当压力增大即V增大的时候，需要减小S即阀板向关闭方向动作才能维持住风量的恒定，反之亦然。
该阀门能够依据调整凸轮角度即不锈钢弹簧片的扭矩力来调整风量设定值，最小风量与最大风量设定比值为1：
5。
此种定风量阀门广泛运用于医药行业的洁净厂房通风控制系统中。
定风量阀门与高效送风过滤器配合使用能够有效解决由于过滤器随着使用时间的推移而带来的阻力变换所造成的送风量变化。
在一个送风系统中每一个过滤器的阻力变化是不同的，也就意味着随着使用时间的推移，每一个高效风口前端的风量调节阀要不断调整阀位来适应高效的阻力变化维持风量恒定，例如在系统正常运行过程中的某一时刻，系统内部各个风阀所处的位置如下图5：
图5
2.2.2.压力无关型变风量阀门
图5：
压力无关型变风量阀结构原理图
压力控制VAV变风量阀门主要由阀体，比托管，阀板，执行器，压差控制器及房间压力传感器构成。
其房间压力控制工作原理为：
首先在控制上设定一个房间压力控制目标值，由房间压力传感器测的房间实际压力，将信号传至控制器，由控制器进行实际值与设定值的比较进行PID运算为一个风量值，与此同时将信号给到执行器调整阀位，调节流量。
之所以说为压力无关型阀门，主要在于阀体内部有一个测流量装置即比托管，比托管为两根圆形开孔管道十字交叉于阀体内部，一根管道迎风面开孔侧管道全压，一根管道被风面开孔侧管道静压，将测的的压力值传至控制器，由控制器运算相减得到动压即流速，由于阀体截面积恒定，在当流速知道的前提条件下，流量也就可以运算得出，实际上执行器带动阀板动作所产生的效应为流速的调整。
当测得的流量与控制器运算出来的风量一致或者在允许误差的范围之内的时候，控制的一个循环随即完成。
三．典型房间压力控制方案
生产型洁净类厂房项目基本上有四种类型的房间：
（1）无局排设备的普通房间；
（2）带有局排设备（通风柜）的房间；（3）带有局排设备（通风柜）及万象排气罩等局排设备的房间；
针对上述三种不同类型的房间，通风控制系统的方案及逻辑如下：
3.1无局排设备的普通房间阀门配置
【控制要求】
普通房间不布置局排通风设备及通风柜，要求实现房间的压力控制要求。
【方案配置】
房间送风采用机械式定风量送风阀门（材质为镀锌钢），送风定风量阀为压力无关型阀门，其能够自动平衡系统阻力变化维持设定的风量值送入房间，保证房间补风量足够。
排风也采用机械式定风量送风阀门（材质为镀锌钢或加防腐涂层），排风定风量阀为压力无关型阀门，其能够自动平衡系统阻力变化维持设定的风量值排风，一个风量调节器可连接若干个排风口（其系统阀门配置图如图6所示）
图6普通房间控制逻辑图
此类房间主要是气闸间，更衣室以及过度间等对压力控制精度要求不高，压力波动对生产工艺不产生影响的区域。
3.2带有局排设备（通风柜）房间阀门配置
【控制要求】
此类房间仅带有局排通风设备暂定义局排设备为通风柜，要求实现房间压力控制要求。
针对此类房间的阀门配置大致有3种配置模式可供选择，依据初投资费用由低至高顺序详见方案配置一至方案配置三。
【方案配置一】
房间送风采用机械式定风量调节阀（材质为镀锌钢），恒定房间送风量配合高效过滤送风口进行使用。
房间排风配置排风压力控制变风量调节阀（材质为镀锌钢带防腐喷涂），配带有执行器，房间压力控制器，房间压力传感器及风量测量传感器，其接收房间压差传感器测得的房间实际压力与阀门控制器设定压力进行比较运算，控制房间排风量，维持房间压力恒定。
通风柜排风配置通风柜面风速变风量调节阀，配带有调节器，面风速控制器，执行器，风量测量传感器及面风速传感器。
其控制原理逻辑图如图7所示：
图7方案配置一控制逻辑图
【方案配置二】
房间送风采用机械式定风量调节阀（材质为镀锌钢），恒定房间送风量配合高效过滤送风口进行使用。
房间排风配置带通讯功能的变风量调节阀（材质为镀锌钢带防腐喷涂），配带有执行器，具备通讯功能的控制器及风量测量传感器，其接收房间通风柜排风量数值与控制器内设置的房间总排风进行运算得出其自身的排风量控制目标值进行排风量控制。
通风柜排风配置通风柜面风速变风量调节阀，配带有调节器，面风速控制器，执行器，风量测量传感器及面风速传感器。
此种配置房间排风阀与通风柜排风阀实现实时通讯功能，即当通风柜排风开启使用过程中，将响应风量信号给至房间排风阀，房间排风阀减小排风量，以实现房间总排风量不发生变化，即该房间总的余风量差不发生变化，从而实现房间压差的建立。
其控制原理逻辑图如图8所示：
图8方案配置二控制逻辑图
【方案配置三】
房间送风配置带通讯功能的变风量调节阀（材质为镀锌钢），配带有执行器，具备通讯功能的控制器及风量测量传感器。
房间排风配置排风压力控制变风量调节阀（材质为镀锌钢带防腐喷涂），配带有执行器，房间压力控制器，房间压力传感器及风量测量传感器，其接收房间压差传感器测得的房间实际压力与阀门控制器设定压力进行比较运算，控制房间排风量，维持房间压力恒定
通风柜排风配置通风柜面风速变风量调节阀，配带有调节器，面风速控制器，执行器，风量测量传感器及面风速传感器。
房间送风阀与排风阀之间需实时通讯，即当房间内由于局排设备即通风柜开始使用过程中对房间压力产生波动影响，房间压差传感器测得波动范围之后调整房间排风量，与此同时将排风量信号传至送风阀，送风阀在设定风量调整范围内调整送风量，迅速将房间压力控制在允许范围以内，以实现房间压差的建立。
这里面通风柜或者局排设备风量调整的过程中会对房间压力有直接影响，排风阀就是依据这个压力波动的影响与送风阀来共同调整风量维持房间的压力的。
其控制原理逻辑图如图9所示：
图9方案配置三控制逻辑图
3.3带有局排设备（通风柜）及万象排气罩等局排房间阀门配置
此类房间阀门配置模式与第二类房间的阀门配置类似，只是在万象排气罩等定风量排风的局排设备上增加机械式定风量排风阀即可，由于万象排气罩在使用过程中随着操作人员使用习惯不同，一个系统内的万象排气罩的同时使用系统在发生变化，要使每一个万向排气罩的排风量均衡，且使房间内的排风量在可控范围之内需增加万象排气罩的风量控制定风量调节阀。
3.3.1通风柜变风量控制原理概述
【控制要求】
控制通风柜拉窗处面风速维持在0.5m/s±0.1m/s。
【控制原理】
通风柜变风量控制系统，采用变风量技术，通过风速传感器FCC-E探测排风柜拉窗入口的平均面风速，控制器把它与控制面风速比较，经过PID运算后调整排风量设定值，相应地驱动快速执行器调节阀位，使得实际测量得出的风量值和风量设定值保持一致。
另一方面，风量的调整会导致面风速的变化，从而调节平均面风速。
如此不断监测比较计算控制，形成面风速闭环控制环路和排风量闭环控制环路两个控制环路，最终使得平均面风速保持为设定值。
可见为了维持恒定的平均面风速，排风量是自动根据拉窗的位置而自动变化的。
四.与自控系统的配合
对于前述的几种控制方式的阀门配置情况，如采用的定送变排直接压力控制或者变送变排余风量与直接压力控制相结合的模式情况下，由于控制器内部集成Lonworks网络通信技术，对于采用定送变排的房间，控制可以将房间排风量，房间实际压力参数，房间设定压力参数，阀位等信息直接反馈至监控中心进行实时检测；对于采用变送变排余风量与直接压力控制相结合的模式的房间控制器既可以通过Lonworks网络进行点对点的通讯保证送风阀与排风阀协同工作控制房间压力，保持室内理想的风量平衡；又可以实现将房间总送风量，总排风量，房间实际压力，设定压力即房间内所有风量控制阀门的阀位反馈至监控中心进行实际监测运行状态，即将系统内各个房间的控制器通过网络纳入中央监测系统，实现远程监控。
【房间送排风控制器】
对于房间排风变风量末端，其控制器的标准网络变量如下：
控制器可以上传实际风量值、设定风量值、房间压力设定值和实际值、阀位实际值、报警信息、房间总送风量和房间总排风量，上述信息可以根据要求选择读取。
【通风柜控制器】
对于变风量通风柜阀，其控制器的标准网络变量如下：
控制器可以上传实际风量值、设定风量值、通风柜实际面风速和报警信息等参数，上述信息可以根据要求选择读取。
五.文丘里阀与变风量蝶阀技术比较
现代的空调通风控制系统中，空气流量的控制越来越收到设计人员及用户的重视。
特别是一些洁净厂房，实验室，手术室以及需要负压控制的通风空调控制系统运用这些先进的流量控制阀门才能有效的保证室内的换气次数要求及压力控制要求，因此一个更先进的技术应运而生即空气流量控制阀门。
其本身具有流量测量及控制功能，能根据需要精确控制风量，并且可以将实际风量反馈到中央控制室进行监控。
就目前市场上比较成熟的流量控制阀，从技术原理上来区别，基本可以区分为两大主流。
首先需要明确一点的是，流量控制阀病不是单一的带电动执行器的电动风阀，它是一个与压力无关的，可以精确控制空气流量的控制阀。
第一类就是以德国TROX（妥思）为代表的压力无关型变风量蝶阀其主导优势就是测量+控制；另一类就是以英国TEL，美国菲尼克斯为代表的自调节文丘里阀。
在变风量系统中，风量的需求是以外接的指令为依据的，当给出一个所需风量的控制值时，就立刻调整风阀，以确保所需风量。
直到有新的风量需求值产生。
在通风柜排风系统中，一旦当通风柜移动窗位置确定，依据保持面风速0.5m/s的要求前提下，就确定了一个实际需求的风量值，此时阀门就将阀片调整至相应的位置，这个位置是根据风管内压力与蝶阀位置而一步到位的，并确保在所需风量值的95%范围以内，随后由空气流量控制阀上的流量控制器进行测量并进行微调蝶阀开度，在3秒内达到所需风量的±5%的精度。
直到移动窗移动以产生新的风量需求值的产生。
所有真是测量的风量值都会在显示器上进行显示。
能够当风量过低或者过高的时候发出声光警报。
文丘里阀见图一及图二，其测量和控制原理如下：
文丘里阀采用的是典型的开环控制系统，对于文丘里阀，当阀芯位置（也就是阀门的开度）一定，理论上需要控制的风量也就确定了，对应风管内不同的静压，文丘里阀采用阀芯内的弹簧来实现自动平衡。
如图一所示，当风管内静压比较高的时候，在压力的作用下，弹簧被压缩，阀芯往前移动，减少了空气流通的有效面积，以维持空气流量的恒定反之当风管内静压比较低的时候，压力减小，弹簧复位，增加空气流通面积。
这是一个完全机械式的空气流量控制阀门。
在变风量控制系统中，量的需求是以外界的指令为依据的，当给出一个所需控制风量要求的时候，电动执行器就调整风阀达到一定的位置，对于文丘里阀来说由于没有测量装置，位置就等于流量，所谓的空气流量显示实际上就是阀位电位计的显示，而非真实的实际流量显示。
阀位的改变是有新的风量需求值时产生。
在通风柜控制系统中与蝶阀基本类似，一旦当通风柜移动窗位置确定，依据保持面风速0.5m/s的要求前提下，就确定了一个实际需求的风量值，此时文丘里阀就将阀芯调整至相应的位置，这个位置是根据风量与阀芯位置对应关系而一步到位的，并确保在所需风量值的95%范围以内，随后由于风管内压力不同文丘里阀利用阀芯内的弹簧进行微调，在3秒内达到所需风量的±5%的精度。
直到移动窗移动以产生新的风量需求值的产生。
所有真是测量的风量值都会在显示器上进行显示。
能够当风量过低或者过高的时候发出声光警报。
蝶阀与文丘里阀的对比：
表1：
蝶阀与文丘里阀的对比参照表
特性
蝶阀
文丘里阀
备注
线性关系
线性作用空气流量较低
线性作用空气流量较高
阀门开度与流量的关系
可调比
1：
9因为主要受现有压差传感器最小测量值及精度的限制
1：
20主要因为其无压差测量装置及风量测量装置
通风柜所要求的实际可调比最大为1：
6
空气流量信号
空气流量信号有单独的流量测量装置来测量，根据实际风量测量进行控制
空气流量信号由阀芯位置确定，而不是根据实际测量值进行控制
文丘里阀阀芯弹簧装置长时间动作易产生记忆精度随时间推移而降低
机械复杂性
阀体仅有轴及阀片
众多连杆阀芯及弹簧，以及曲线形阀体，造成及其复杂的结构
简单结构故障率低且维修方便
压力损失
通长工作状态下压损小于100pa
文丘里阀需要更高的静压来进行工作至少150pa
美国ASHRAE90.1标准：
好：
75-150pa；更好：
25pa
静态压力限制
系统中大的静压变化不会对风阀产生破坏性损害以及不会影响到阀体其他活动部件的重新定位
系统中静压过高或者过低会造成文丘里阀控制不精确以及可能造成阀芯弹簧破坏性损害导致失灵。
在通风系统进行紧急排风状态下，风管静压较高，可能对阀体产生较大冲击。
安装要求
阀门可以垂直水平安装，能根据现场实际情况灵活安装
阀体需提前订货时确定阀体是水平安装还是垂直安装，需工厂预设。
安装灵活性较低
文丘里阀如不能按照订货时要求是垂直安装还是水平安装需返厂需重新更换阀芯及弹簧
维护
简单，哪怕是流量传感器进行校验也可以现场进行，不需拆卸阀门
极其复杂，阀芯弹簧使用3年后需返厂进行校正，检测阀芯弹簧是否产生记忆，阀门需拆卸
由于没有测量装置，弹簧的变形无法得知，甚至失效都可能不为人所知
安全性
有实际风量测量，一旦风量达不到要求就会报警
根据阀芯位置进行判断具有“欺骗性”在有压无风的情况下，不会报警带来安全隐患
续表1
特性
蝶阀
文丘里阀
备注
校准
现场可进行校准
需工厂校准，现场无法进行
蝶阀可以现场校准，由于文丘里阀五实际风量测量装置如需校准需返厂
静压要求
工作压力不小于50pa
工作压力至少需150pa
由于所需静压较大，文丘里阀相应的噪声性能及能耗增加
阀体
结构紧凑，长度仅400mm
阀体较长，在工厂预设水平或垂直安装，无法根据现场条件灵活变化。
安装灵活性文丘里阀较差
工作压力范围
50-1000Pa
150-750Pa
蝶阀工作压力范围广泛
大风量阀和规格
有不同规格的圆形或矩形定风量阀，单个阀体最大风量到12000CMH。
单个阀体处理控制风量小，大风量时要多个阀体并联使用。
蝶阀能应对风量较大的系统而不采取并联方式
升级会员 