制药企业HVAC(空调净化)系统是保证药品质量的关键系统之一，而压差控制在制药企业净化空调系统中是一个关键的环节。例如无尘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。只有保证合理的气流组织和对压差的有效控制，才能达到GMP规定的洁净度要求和工艺要求。

　　压差控制在实现中是比较困难，特别是在生物制药安全实验室中，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:

　　①风险分析评估;

　　②定风量系统和变风量系统选择;

　　③压差控制和余风量控制方法;

　　④控制信号与噪声的影响;

　　⑤制稳定性及响应速度;

　　⑥建筑结构对压差控制的影响;风管泄漏对压力控制的影响。

　　GMP第十六条规定：洁净室(区)的窗户、天棚及进入室内的管道、风口、灯具与墙壁或天棚的连接部位均应密封。空气洁净级别不同的相邻房间之间的静压差应>5Pa，洁净室(区)与室外大气的静压差应>10Pa，并应有指示压差的装置。为达到这一要求，制药企业生产必须设置HVAC系统。

　　一、HVAC系统的构成

　　HVAC系统的任务是保证洁净室的空气参数达到所要求的状态，通常由通风系统、空气处理设备、冷源/热源、空调水系统及自控系统组成，其构造概况如图所示。

　　HVAC系统构造

　　(1)通风系统：包括送风系统、回风系统及排风系统。

　　(2)空气处理设备：利用物理方法对空气进行各种处理(净化、加热、冷却、加湿、除湿等)以达到规定状态。

　　(3)冷、热源：冷源通常是各类冷水机组等制冷设备，其为空气处理设备提供7～12℃低温水;热源通常包括电加热器、锅炉、热水及热泵机组等，为空气处理设备提供热量。

　　(4)空调水系统：包括循环水泵及其管路系统。

　　(5)自控系统：包括空气净化、温湿度控制、压差控制及安全、节能方面的自动控制和调节装置。

　　二、HVAC系统基本流程

　　2.1HVAC系统与一般空调系统的区别

　　由于制药企业生产工艺特殊性及GMP要求，其HVAC系统工艺要求也有其特点，以保证生产区域空气洁净度、温湿度、压差、风量、风速、微生物等技术要求，其与一般空调系统的区别主要体现在空气过滤、气流组织、室内压力控制、风量能耗及造价等方面。

　　2.2基本流程

　　室外大气(新风)通过送风管道进入空调机组，经过相应温湿度处理,并经过初、中效两级净化过滤，由送风机送入送风管道分配到各送风口(装有高效过滤器)进入生产区域，洁净室设有回风口或排风口，一部分洁净室空气经回风口回到空调机组再利用，另一部分经排风口由排风机排到室外。

　　三、洁净室压差控制

　　3.1压差控制的目的

　　为保证洁净室在正常工作或空气平衡暂时受到破坏时，气流能从空气洁净度高的区域流向空气洁净度低的区域，使洁净室的洁净度不会受到污染空气的干扰，因此洁净室必须保持一定的压差。

　　3.2洁净室压差建立原理及压差风量确定

　　3.2.1洁净室压差值的选择

　　洁净室压差值的选择应适当，选择过小，洁净室压差易被破坏，洁净度受到干扰;选择过大，HVAC系统新风量增大，负荷增加，过滤器寿命缩短。因此，洁净室压差值大小应合理确定。(对一般洁净室为正压，生物学安全洁净室为负压)

　　洁净室压差是由送入新风量的大小来保持的，即：压差建立的基本原理是送风量大于回风量、排风量、漏风量之和，其中漏风量大小取决于建筑物维护结构的密封程度，如门缝、窗缝、壁板拼缝、各种管线接口等缝隙，这些将影响到漏风量的大小，使室内压差很难维持或不稳定。无论是全新风空气系统，还是循环空气系统，通过洁净室的送入风量与排风量和压差风量(余风量)之间达到平衡便建立了压差。

　　3.2.2洁净室压差风量的确定

　　对于洁净室压差风量的确定一般采用换气次数法和缝隙法两种方法，因缝隙法既考虑洁净室围护结构气密性又考虑维持室内压差控制值所需风量，因此比换气次数法更合理准确。

　　根据洁净室维持的压差值，其所需的压差风量可按下式计算：

　　Q=a-Σ(q·L)

　　式中Q--维持洁净室压差值所需的压差风量，m3/h;

　　A--根据围护结构气密性确定的安全系数，可取1.1～1.2;

　　Q--当洁净室为某一压差值时，其围护结构单位长度缝隙的渗漏风量，m3/h·m;

　　L--围护结构的缝隙长度，m。

　　3.3洁净室压差实现

　　3.3.1洁净室压差的波动因素

　　影响洁净室压差的波动因素：通常包括室外风压、风速的变化;HVAC系统阻力的变化;风管的泄漏及洁净室维护结构气密性变化等。

　　3.3.2洁净室压差控制方法

　　洁净室压差控制方法基于压差建立的原理，对其影响因素进行有效控制或调节，以便保持洁净室压差的稳定。洁净室压差控制方法分为人为干预调节和自动化控制。

　　3.3.2.1人为干预调节洁净室压差方法

　　(1)定期检查并维护洁净厂房围护结构气密性，尽量减少漏风量;定期清洗或更换过滤器，保证系统正常阻力。

　　(2)回风口控制：是简单而又行之有效的方法，通过调回风口上的百叶格栅或空气阻尼层改变其阻力来调整回风量，达到压差控制的目的。因百叶的调量不大，还会改变气流方向，所以这种方法只能是粗调。

　　(3)余压阀控制：在洁净室内有足够剩余风量时，可调节余压阀上的平衡压块，改变其开度，实现压差控制。

　　(4)调节回风阀或排风阀。

　　(5)调节新风阀或送风阀。

　　3.3.2.2自动化控制洁净室压差方法

　　(1)传感器控制：通过相应传感器检测室内压差或送、排风管路压力或风流量，然后调整送风量或排风量，可以通过管路上的电动阀门或风机的转速(变频器控制风机)来实现，这是一种较精确的自动控制，目前较多采用。

　　(2)微机控制系统：包括直接数字控制系统和集散型控制系统，它们以微处理器为基础，实现了自动化监控，可以在满足系统安全运行及各项指标的同时，更好保证工艺要求，最大限度实现节能控制。微机控制系统是将系统中的传感器或变送器的输出信号直接输入到微型计算机中，由微机处理后直接驱动执行器(电动密闭阀等)动作，实现洁净室压差、温湿度、洁净度等指标的检测、控制及管理。

　　四、结语

新版GMP的实施，其借鉴了国际先进标准和药品监管经验，更加注重科学性，其中着重细化了软件要求，在硬件上也提出了较高的技术要求，尤其是关键的洁净设计原则的变化，压差及洁净级别的提高带来的将是能耗的增加，合理布局、减少交叉污染和确保能耗降到最低是改造的关键，制药企业面临着更大的机遇与挑战，计算机控制与网络技术势必会在HVAC系统运行及维护管理中大量应用。

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(CAV)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:

　　(1) 所有时间，设备必须保持恒定的送风量和排风量。

　　(2) 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。

　　(3) 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。

　　(4) 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。

　　(5) 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(VAV)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VAV压力控制方法可以分为两种:纯压差控制(OP)和余风量(又称为流量追踪)控制(AV).

　　2.1 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1。其控制原理为:压差传感器测量室内与参照区域的压差(OP)，与设定点(即期望的压差)比较后，控制器根据偏差按PID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(Δp)、设定点以及PID常数(α，β)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。

2.2 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2，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CFM )。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2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。

　　2.3 混合控制系统

　　由于生物安全等级3或4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。

          3、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2. 5Pa，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25Pa。因此对于纯压差控制而言，其测量信号与噪声之比为1:10。这样的情形就如同测量一个湖泊的液位，要求精度在1厘米，而湖泊的波浪却有10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1:3。可以看出，测量对象的简单改变就可以大大改善系统的J性能。然而，即便如此，噪音依然达到了信号的3倍，当扰动发生后，控制系统仍需要超过60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HVAC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1000CFM，而噪声(各种扰动)约能达到1000FM，信号噪声比可以高达10 : 1。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。

           4、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0.5%(具体见空调专业设计要求)。