機械通風環境中的壓差控制

蘇建程

北京市醫療器械檢驗研究院 （北京 101111）

空氣壓力是指空間結構的單位面積上受空氣分子的布朗運動所產生的力。受控區域內的不同空氣壓力形成了壓差，其通常出現在受控環境與非受控環境之間、受控環境與室外、不同級別的受控環境之間和相同級別的受控環境之間?？刂茐翰羁蓪τ绊懯芸丨h境的污染因子進行預防性防護。在國內各行業的相關標準或規定中只提出了靜壓差控制的最低要求，而在實際應用中也并非靜壓差的數值越大越好。機械通風是空間內形成壓差的基礎，通過壓差控制可讓受控環境與周圍環境的縫隙通道形成穩定的定向氣流，當通風技術為受控環境提供正壓時，可預防外源性污染向內進入；當通風技術為受控環境提供負壓時，可預防內源性的污染向外擴散。

1 通風量的控制

評價環境中通風量的技術指標為最小換氣次數，不同功能空間因防控風險水平不同，對換氣次數的要求也有不同[1-3]，當一個空間的受控水平越高，其通風量要求亦越高，見表1。利用換氣通風可將更多的潔凈空氣送入受控環境內，將受控環境內產生的污染因子進行稀釋，換氣次數越高，對空間內單位體積的稀釋效應越強，直接縮短了污染因子在受控環境內的滯留時間，從而降低污染因子的污染風險。以簡化的機械通風系統為例（圖1），當將回風關閉且忽略工程結構的漏風量時，室內的換氣次數已為0次/h，受控室的壓力應為暖通空調（heating，ventilation and air conditioning，HVAC）系統的壓頭減去送風管道的壓降，并非0 Pa。因此，決定通風環境的壓差取決于機械系統中可分配到的壓力大小，壓差與壓力成正相關。在通風環境中，本質上是先有壓力才有通風量，假如機械通風系統不能分配壓力給受控環境，那么該環境內就不會有風量被送達。指標通風量的大小潛在表現了機械通風系統對某個受控環境內的壓力分配能力。

表1 不同功能房間的換氣次數要求

圖1 通風系統示意圖

壓力是源于室內氣體分子間的無規則碰撞產生的力，它與單位體積內的氣體密度、溫度成正相關[4-5]。溫度在機械通風環境中的相對恒定，壓力的大小主要受空間內單位體積的氣體密度影響，受控環境內的總進風量與總出風量之比決定了空間內單位體積的氣體密度，調控機械通風環境的壓力如公式為：

其中，p＆gt;1，表示壓力為正壓；p＆lt;1，表示壓力為負壓。引起壓差波動的原因是室內已平衡的任一風量發生了變化。Q送是系統的分配部分，充沛的HVAC 系統壓頭是保證送風量的基礎，初始壓頭給予單位風量充沛的動能，確保風量在傳送過程中與輸送管道發生沿程摩擦后而不被消耗殆盡；Q回是HVAC 系統的循環部分，主要是利用循環風中的熱濕負荷實現運行的節能，環境中具有潛在生物危害的場景中通風系統不應利用回風；Q損是通風系統的被動損失部分，受通風管道和空間建筑結構因材料偏差而產生施工縫隙的影響，會導致漏風；Q排是主動損失部分，因受控環境在動態操作過程中產生了不可接受的物質，需要利用室內空氣作為載體，借助其他風機的動能強制從受控環境中排出部分風量。

2 壓差的控制要求

壓差的設置應根據受控環境內防控風險的評價結果進行適當選擇，壓差設置過低，易因風量的波動而導致狀態失效；壓差設置過高，會增加通風系統的新風消耗，加重通風系統負荷而不經濟[6]。雖然各行各業對最小壓差控制不盡相同，但均未低于5 Pa[7-10]，見表2。

表2 不同標準中壓差的控制要求（Pa）

2.1 監測位置

測量壓差前，關閉室內的門（窗），如室內有排風需確認排風狀態，最小靜壓差應體現出被監測區域內的最不利狀態，而不應是某個監測點的最小值。壓差監測設備通常安裝在圖2 中的位置1 或2，位置3 因不便于觀測，所以不予考慮。研究發現，較小的空間易出現位置1 處的壓差最大，位置2 處的壓差較弱，位置3 處的壓差最小或逆返。分析此現象由“頂送風、底回風”的設計導致，在較高的換氣次數狀態時，因送風口與回風口的布局設計導致氣流在空間內出現了密度差，位置1 臨近送風口，空間位置處于氣流輸出的上游區域，相比臨近回風口的位置3 處空氣密度大。因此，在選擇靜壓差的監測位置時應考慮受控環境中的最不利位置，確保壓差效應對受控環境的作用是完整的。

圖2 監測位置剖面示意圖

2.2 壓差表安裝方位

壓差表可用于監測2 個空間的壓力差，安裝時可在A 或B 兩個空間內選擇（圖2），選擇安裝方位時應考慮便于抄錄和符合功能間的啟用程序，如在入料緩沖間處，受控區外側人員是啟動傳遞工作的第一人，應首先確認當前的壓差控制狀態后再啟動物料傳遞工作，所以壓差表安裝在填料區域更符合物料傳遞的工作程序。

2.3 壓差表導管連接

壓差表有高壓孔（+）和低壓孔（-）兩極，準確連接導管和測壓孔才能保證產生的壓差效應氣流符合預期。壓差表安裝在低壓區域內，導氣管應連接壓差表的+極；壓差表安裝在高壓區域內，導氣管應連接壓差表-極。壓差表導管連接錯誤后，將導致預期應正壓控制的環境實際控制為負壓狀態，壓差效應不僅未發揮保護意義而且起到了反作用，受控區域外側的氣流將通過建筑結構的縫隙流入受控環境，污染潔凈室。

2.4 壓差表狀態確認

抄錄壓差表前，應先確認設備的表顯讀數已歸零，如存在偏差應置零后再記錄。結合檢驗工作，本研究隨機統計了≤5 m2受控環境內的壓差表100 塊，非工作狀態下指針未歸零的壓差表有42 塊，問題壓差表主要分布在人流出入頻繁的更衣室或緩沖功能間。其原因為，開關房門時會瞬間產生壓力波動，空間越小波動壓力的影響越大，特別是人員使用頻繁的功能間，此處壓差表頻繁被波動壓力影響，導致壓差設備產生機械疲勞。

2.5 壓差調控

分析機械通風環境中的變量屬性，排風量（Q排）是受控環境中動態工作狀況下的剛性需要，除動態工作狀況下的工藝需求外不可作調控，所以可視為固定參數；漏風量（Q損）主要受建筑結構和通風管道的密閉性影響，屬于通風工程的特性指標，所以視為不可調控量。簡化后的公式為p=Q送/Q回，壓差調控的技術手段只限于對送風量與回風量的調配?？貕翰畹年P鍵過程（圖3）：第一步，將整體區域做分層準備，從最外間到最內間最多穿梭8 個房間，所以此區域可分8 個空間層次；第二步，打開區域內所有通風口的閥門，并處于全開狀態，監測各風口的送風量，根據理論需求風量，調整較大風量的風口閥門，使區域內各房間的風量冗余比相似；第三步，明確受控區域內的基準間，可以是處于區域內的中間層房間或相通其他房間最多的功能間，根據圖例的特點選擇相通其他房間最多的走廊作基準間；第四步，明確壓差控制的要求，如區域內最高壓差為灌裝功能間需≥50 Pa，相鄰房間的梯度控制需≥5 Pa，一更衣間對非受控區需≥10 Pa；第五步，計算壓差，如走廊對內方向為3 層，每層≥5 Pa 梯度控制，最內層≥50 Pa，推導出基準間最小壓差為35 Pa，而走廊對外方向為4 層，其中3 層≥5 Pa 的梯度控制，1 層≥10 Pa 壓差要求，推導出基準間最小壓差為25 Pa，因基準間需同時滿足雙向的最小壓差要求，應取最高控制下限，所以確定走廊的壓差應≥35 Pa；第六步，以走廊≥35 Pa 時為區域內的零點調控壓差，按第四步中調控要求，優先利用回風閥門遞推開展各相鄰房間的壓差增減；第七步，壓差調控工作結束后需再次確認受控環境內的通風量是否滿足空間內的最小換氣次數要求。

圖3 受控區平面圖

3 緩沖間與氣閘間的壓差控制

增設緩沖間或氣閘間比只增大核心室壓差的防護效果更理想[11]。因緩沖間與氣閘間在受控區域內均作為輔助功能間使用，且均是為預期保護核心功能間而設置的。功能間的壓差控制是區別緩沖間與氣閘間的最顯著特性，圖4 中的A 間可對進入實驗室1 的外源性污染進行“預洗”，達到保護實驗室1 的作用，因其2 個通道（門）的壓差控制方向一致，所以A 應命名為緩沖間；B 間雖具備A 間的“預洗”功能，但壓差控制方向不同，其4 個通道（門）的壓差被控制為4 個方向，此設置阻斷了實驗室2、實驗室3、實驗室4 在靜態時因結構縫隙的泄漏導致的氣流串通，所以B 間應命名為氣閘間。

圖4 緩沖間與氣閘間壓差控制示意圖

4 結論

通風系統的輸出壓力分配到房間內壓力決定受控環境內壓差，環境的通風量（換氣次數）指標只是表現出已分配給受控環境內壓差的一種表現形式。在調試壓差工作前，必須識別受控環境內是否有Q排風量，應確認環境動態工況下的排風量，避免靜態調控的壓差效應因動態下的Q排風量而失效；且應確認受控環境內的準確最小壓差監測點位置，避免出現非預期的“漏洞”，壓差的保持需建立在滿足最小通風量指標基礎上。相鄰房間的壓差調試原則是風險高的房間優先考慮增大通風量，風險低的房間優先考慮減小通風量。同時，壓差表的誤接會導致氣流的逆向控制，壓差效應適得其反；抄錄檢查前，應確認壓差表的工作狀態，在受控區域內局部觀察時可通過串通法，即打開相鄰房間的隔離門后觀察壓差表是否歸零；全面摸排受控區內的壓差表時可在機械通風系統停機狀態下逐一觀察。氣閘間的功能至少是雙重的，兼具了緩沖間的保護功能，但緩沖間的功能不具備阻隔功能，應根據房間的預期功能準確調控壓差，正確命名。

綜上所述，醫療器械、藥品、化妝品等GMP生產環境，以及醫療機構的潔凈手術部、潔凈病房等診療環境均屬于機械通風環境，而保持受控環境中壓差的預期控制狀態決定了受控環境是否可以持續提供安全保護，本研究結合檢驗工作中的見聞與思考，闡述了在機械通風環境中壓差產生的根源，總結了控制壓差過程中的設備安裝、狀態確認和監測記錄時的重要事項，分析了緩沖間與氣閘間的壓差控制特性，并通過實例介紹了對機械通風系統中各功能間的壓差實施聯調聯控的基本理論與方法，可為相關領域同行在壓差控制的工作中提供參考。