CN113757971A - 一种双控制结合的洁净室压力控制系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双控制结合的洁净室压力控制系统及其应用，利用风阀对洁净室的压力进行宽域调节，使进风量与出风量的差值接近预设余风量，再利用温度控制的方法对余风量调节后的洁净室的压力进行窄域调节，实现预设压力；特别适用于级别为ABSL‑3的实验室的b2类的压力控制、级别为BSL‑4或ABSL‑4的实验室的压力控制。本发明系统应用于洁净室，特别是高等级生物安全实验室中，可以通过调节洁净室的进风温度，获得较高精度的压力控制效果，从而使洁净室内达到理想的、稳定的压力控制水平。
Description
技术领域
本发明涉及空气调节；通风；空气流作为屏蔽的应用的技术领域，特别涉及一种双控制结合的洁净室压力控制系统及其应用。
背景技术
洁净室(Clean Room)，也称无尘室，是指空气中的尘埃粒子数量和微生物数量严格受限，并且将室内的压力、温度、湿度等参数都控制在一定范围内的房间，在电子、制药、医疗、科研等领域均有广泛应用。
洁净室的压力是洁净室的关键参数之一，对于防止洁净室的污染和交叉污染起着决定性作用。根据不同的工艺要求，有的洁净室需要保持正压，有的洁净室需要保持负压，但是，无一例外，洁净室都需要保持稳定的、恰当的压力水平，以避免污染和交叉污染。对于不同级别的洁净室，各室之间还应形成不同的压力差，即有序的压力梯度，以保证空气的定向流动，气流应从高洁净级别的房间流向低洁净级别的房间，从无污染的房间流向产生污染的房间。压力控制不稳定，波动超出允许值的洁净室是不合格的，都将产生严重的后果。
目前，控制洁净室压力一般都采用余风量法，指通过控制房间进出风量的差值，从而控制房间的压力，当余风量为正值时，房间处于相对正压状态，空气将从房间向四周流出，当余风量为负值时则相反；当让余风量保持在恒定的值时，就能获得稳定的正压或负压，这种保持余风量的操作可以通过调整进风管的风阀开度和出风管的风阀开度实现，如专利号为202021577232.0的中国专利“一种用于工业洁净室的风量及压力装置”。
余风量法对于一般的洁净室，如电子厂房洁净室、医药厂房洁净室等，都能很好适用，目前，调节精度最高的风阀，其精度已可达到±3％。这些阀门在洁净室工程中得到了广泛的应用，在多数洁净室也取得了很好的效果。
然而，洁净室的范畴内还存在有更为高等级的生物安全实验室。作为用于做生物实验的洁净室，生物安全实验室，特别是高等级的生物安全实验室可用于诸如新冠病毒、SARS病毒的研究实验，而由于这些病毒的传染性极强，必须防止其在实验过程中的泄漏，生物安全实验室的密封性能要求非常高，在国家标准《生物安全实验室建筑技术规范》(GB50346-2011)中有严格的规定。对于这些生物安全实验室，采用上述传统的方法往往无法取得满意的效果，在这些生物安全实验室中，压力的失控将可能导致诸如无菌药品的微生物污染、危险微生物(如新冠病毒、SARS病毒)的泄漏等严重的后果。
因此，如何使得这些特殊的洁净室的压力得到令人满意的控制是亟需解决的。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的双控制结合的洁净室压力控制系统及其应用，利用余风量法进行室内压力的粗调，让进风量与出风量的差值接近实际需要的余风量，再利用空气热胀冷缩的特性，采用温度控制的方法对余风量进行精准调节，从而精准控制洁净室，特别是高等级生物安全实验室的压力。
本发明所采用的技术方案是，一种双控制结合的洁净室压力控制系统，所述系统利用风阀对洁净室的压力进行宽域调节，使进风量与出风量的差值接近预设余风量，再利用温度控制的方法对余风量调节后的洁净室的压力进行窄域调节，实现预设压力。
优选地，所述系统包括配合洁净室设置的送风通道和出风通道，配合所述送风通道设有送风设备和电加热器，配合所述送风通道和出风通道设有风量测试机构，所述送风设备、风量测试机构和电加热器配合设有控制器。
优选地，配合所述送风通道和洁净室间设有空气过滤器。
优选地，所述系统的控制方法为：
步骤1：计算进风温度变化对进风体积变化的影响；
步骤2：基于步骤1的结果，获得适用的洁净室的标准；
步骤3：基于步骤2的标准，对电加热器进行配置；
步骤4：以控制器控制送风设备送风，以送风通道和出风通道的风量测试机构完成余风量检测；
步骤5：控制器计算温度差值，基于温度差值调节电加热器的输出。
优选地，所述步骤1中，进风温度变化对进风体积变化的影响为
其中，V1和V2分别为控制前和控制后的进风体积，ΔV为进风体积变化量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
优选地，所述步骤3中，将电加热器的可调功率范围配置为P，
P＝2Q＝2cmΔT＝2cm(T1-T2)
其中，c为洁净室内的空气比热，m为洁净室内的空气质量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
优选地，电加热器的初始输出功率设置为Q，实现功率由Q至0、由Q至P的调节。
优选地，将电加热器的输出变化控制为若干级，对应任一级实现余风量和温度控制的量化。
一种所述的双控制结合的洁净室压力控制系统的应用，所述系统应用于级别为ABSL-3的实验室的b2类的压力控制。
一种所述的双控制结合的洁净室压力控制系统的应用，所述系统应用于级别为BSL-4或ABSL-4的实验室的压力控制。
本发明涉及一种优化的双控制结合的洁净室压力控制系统及其应用，利用风阀对洁净室的压力进行宽域调节，使进风量与出风量的差值接近预设余风量，再利用温度控制的方法对余风量调节后的洁净室的压力进行窄域调节，实现预设压力；特别适用于级别为ABSL-3的实验室的b2类的压力控制、级别为BSL-4或ABSL-4的实验室的压力控制。
本发明系统应用于洁净室，特别是高等级生物安全实验室中，可以通过调节洁净室的进风温度，获得较高精度的压力控制效果，从而使洁净室内达到理想的、稳定的压力控制水平。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图，其中，箭头所示为送风方向；
图2为本发明的系统的控制方法框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例基于长、宽、吊顶高度分别为8m、5m、2.7m的实验室，室内温度为22℃，湿度为65％；为保证房间洁净度，洁净送风的换气次数为15次/小时，送风量为S＝8x5x2.7x15＝1620m3/h；风阀的最高精度为±3％，其误差范围为1620x3％＝48.6m3/h。
参考《生物安全实验室建筑技术规范》(GB 50346-2011)，其中，对生物安全主实验室二级屏障的主要技术指标如表1所示；
表1生物安全主实验室二级屏障的主要技术指标
包括：
若实验室级别为ABSL-3中的b2类，“房间相对负压值维持在-250Pa时，房间内每小时泄漏的空气量不应超过受测房间净容积的10％”；
若实验室级别为BSL-4或ABSL-4，“房间相对负压值达到-500Pa，经20min自然衰减后，其相对负压值不应高于-250Pa”。
现有技术中，若此实验室的级别为ABSL-3中的b2类，则在室内压力为-250Pa时，其漏风量s1不超过10.8m3/h，又因缝隙漏风量与压差成正比，当实际工程中需要维持-80Pa时，其漏风量s2应不超过3.5m3/h；即，
s1＝8x5x2.7x10％＝10.8m3/h，
若实验室级别为BSL-4或ABSL-4，则当室内相对负压值取-500Pa与-250Pa的平均值-375Pa时，其漏风量s3不应超过0.74m3/h，而缝隙漏风量与压差成正比，因此，在实际工程中-100Pa时，其漏风量s4应不超过0.2m3/h；基于克拉伯龙方程pV＝nRT，其中，p为空气的绝对压力，单位为Pa，V为空气体积，单位为m3，n为气体摩尔量，单位为mol，R为通用气体常数8.314J/(mol·K)，T为空气热力学温度，单位为K，得到，
其中，22.4是指温度为0℃(273.15K)和压强为101.325kPa(1标准大气压，760mmHg)的情况下，1mol任何气体的体积，t为时间，20min为1小时的1/3；
可见，生物安全实验室的严密性非常好，这使得即使少许的余风量变化也会引起很大的压差变化，现有的风阀的误差范围在48.6m3/h，远大于3.5m3/h，更远远大于0.2m3/h。
在要求系统必须具备极小风量的调节能力以满足对房间压力精准控制的要求的基础上，本发明涉及一种双控制结合的洁净室压力控制系统，所述系统利用风阀1对洁净室2的压力进行宽域调节，使进风量与出风量的差值接近预设余风量，再利用温度控制的方法对余风量调节后的洁净室2的压力进行窄域调节，实现预设压力。
所述系统包括配合洁净室2设置的送风通道3和出风通道4，配合所述送风通道3设有送风设备5和电加热器6，配合所述送风通道3和出风通道4设有风量测试机构7，所述送风设备5、风量测试机构7和电加热器6配合设有控制器。
配合所述送风通道3和洁净室2间设有空气过滤器8。
本发明中，生物安全实验室可接受的温度范围为18～25度，在此较宽泛的温度范围下，可在此温度范围内实现压力的准确控制。
本发明中，可以为送风设备5配置电加热器6，事实上也可以在送风通道3处设置电加热器6，以电加热器6调节送风温度，进而调节洁净室2的压力。
所述系统的控制方法为：
步骤1：计算进风温度变化对进风体积变化的影响；
所述步骤1中，进风温度变化对进风体积变化的影响为
其中，V1和V2分别为控制前和控制后的进风体积，ΔV为进风体积变化量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
本发明中，常温常压下的空气可看作是理想气体，根据理想气体状态方程可知，在T1为22℃的标准状态下，温度变化1℃，其送风体积变化ΔV的计算为：
即，温度在22℃基础上，变化1℃，可使送风量由1620m3/h变化为1620±5.5m3/h，即可使房间的余风量产生±5.5m3/h的变化。
步骤2：基于步骤1的结果，获得适用的洁净室2的标准；
本发明中，若存在技术手段，可以将温度的变化控制在0.1℃，则可以将余风量的变化控制在±0.55m3/h的范围，从而达到实验室级别为ABSL-3中的b2类的压力控制要求。
本发明中，若存在技术手段，可以将温度的变化控制在0.01℃，则可以将余风量的变化控制在±0.055m3/h的范围，从而达到实验室级别为BSL-4或ABSL-4的压力控制要求。
基于此，本发明的系统可以实现应用于级别为ABSL-3的实验室的b2类的压力控制，或级别为BSL-4或ABSL-4的实验室的压力控制。
步骤3：基于步骤2的标准，对电加热器6进行配置；
所述步骤3中，将电加热器6的可调功率范围配置为P，
P＝2Q＝2cmΔT＝2cm(T1-T2)
其中，c为洁净室2内的空气比热，m为洁净室2内的空气质量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
电加热器6的初始输出功率设置为Q，实现功率由Q至0、由Q至P的调节。
将电加热器6的输出变化控制为若干级，对应任一级实现余风量和温度控制的量化。
本发明中，令洁净室2的空气的比热为1.03kJ/(kg·K)，密度为1.2kg/m3，按1℃温差计算，可以得到调节的需求功率Q为
Q＝cmΔT＝cm(T1-T2)
＝1.03×1620×1.2×1
＝2002.32W≈2kW
此处便于运算，将功率进行取整处理，在实际工程应用中，为了保证调节的精度，一般应当取到小数点后两位。
本发明中，为了让电加热器6具有升温和降温双向调节功能，故对于其可调功率范围配置一般取两倍的Q；在本实施例中，则是配置4kW的电加热器6，并将电加热器6设置为预作用2kW，即以电加热器6的输出为2kW为起点，在这种情况下，电加热器6既可在2kW的基础上再加载2kW，也可在2kW的基础上再减载2kW，实现0～4kW的输出调节要求，进而达到在实际运行过程中，进行±1℃范围调节的目的，1℃温差造成的温度变化范围为：21～23℃，满足表1规定的18～25℃的范围。
本发明中，控制电加热量6的稳定输出就可使温度按技术需求进行变化，从而使得送风体积变化，最终达到控制洁净室2压力的目标；在实际的应用中，还可将电加热器6每0.02kW(即20W)分为一级，在这种设置前提下，每级可提供0.01℃的温度变化，达到将余风量的变化控制在±0.055m3/h的范围的控制目标，进而达到实验室级别为BSL-4或ABSL-4的压力控制要求。
步骤4：以控制器控制送风设备5送风，以送风通道3和出风通道4的风量测试机构7完成余风量检测；
步骤5：控制器计算温度差值，基于温度差值调节电加热器6的输出。
本发明还涉及双控制结合的洁净室2压力控制系统的应用，所述系统应用于级别为ABSL-3的实验室的b2类的压力控制，或级别为BSL-4或ABSL-4的实验室的压力控制。
Claims (10)
1.一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：所述系统利用风阀对洁净室的压力进行宽域调节，使进风量与出风量的差值接近预设余风量，再利用温度控制的方法对余风量调节后的洁净室的压力进行窄域调节，实现预设压力。
2.根据权利要求1所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：所述系统包括配合洁净室设置的送风通道和出风通道，配合所述送风通道设有送风设备和电加热器，配合所述送风通道和出风通道设有风量测试机构，所述送风设备、风量测试机构和电加热器配合设有控制器。
3.根据权利要求2所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：配合所述送风通道和洁净室间设有空气过滤器。
4.根据权利要求2所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：所述系统的控制方法为：
步骤1：计算进风温度变化对进风体积变化的影响；
步骤2：基于步骤1的结果，获得适用的洁净室的标准；
步骤3：基于步骤2的标准，对电加热器进行配置；
步骤4：以控制器控制送风设备送风，以送风通道和出风通道的风量测试机构完成余风量检测；
步骤5：控制器计算温度差值，基于温度差值调节电加热器的输出。
5.根据权利要求4所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：所述步骤1中，进风温度变化对进风体积变化的影响为
其中，V1和V2分别为控制前和控制后的进风体积，ΔV为进风体积变化量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
6.根据权利要求4所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：所述步骤3中，将电加热器的可调功率范围配置为P，
P＝2Q＝2cmΔT＝2cm(T1-T2)
其中，c为洁净室内的空气比热，m为洁净室内的空气质量，T1和T2分别为控制前和控制后的进风温度。
7.根据权利要求6所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：电加热器的初始输出功率设置为Q，实现功率由Q至0、由Q至P的调节。
8.根据权利要求7所述的一种双控制结合的洁净室压力控制系统，其特征在于：将电加热器的输出变化控制为若干级，对应任一级实现余风量和温度控制的量化。
9.一种权利要求1～8之一所述的双控制结合的洁净室压力控制系统的应用，其特征在于：所述系统应用于级别为ABSL-3的实验室的b2类的压力控制。
10.一种权利要求1～8之一所述的双控制结合的洁净室压力控制系统的应用，其特征在于：所述系统应用于级别为BSL-4或ABSL-4的实验室的压力控制。
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2021
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