微氣候多參數(shù)綜合環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

孟慶龍,丁 帥,王 元,李彥鵬,趙 凡,韓文生

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,

陜西西安 710049;3.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310058)

微氣候多參數(shù)綜合環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

孟慶龍1,3,丁 帥1,王 元2,李彥鵬1,趙 凡1,韓文生1

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,

陜西西安 710049;3.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310058)

設(shè)計(jì)并建立了近地層微氣候環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。分析了實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性,完成了實(shí)驗(yàn)室的溫度模擬系統(tǒng)、日光模擬系統(tǒng)、風(fēng)速模擬系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的硬件建設(shè)。以典型環(huán)境參數(shù)為例,給出部分模擬結(jié)果。從模擬結(jié)果可以看出,該實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)室的建成,為發(fā)生在近地層中各類物理現(xiàn)象的可控模擬提供了全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);多參數(shù);微氣候

1 環(huán)境模擬是進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的前提和基礎(chǔ)

模擬實(shí)驗(yàn)具有重要的價(jià)值,而創(chuàng)造模擬環(huán)境是進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的前提和基礎(chǔ),其本身就是一項(xiàng)有重要意義的科學(xué)研究工作。環(huán)境模擬技術(shù)在不斷解決環(huán)境模擬和實(shí)驗(yàn)的研究過程中,形成了獨(dú)立的理論體系,其整個(gè)發(fā)展歷程與環(huán)境模擬設(shè)備息息相關(guān)。

環(huán)境模擬設(shè)備與實(shí)驗(yàn)技術(shù)經(jīng)歷了由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從單參數(shù)到多參數(shù)、從產(chǎn)品環(huán)境到人機(jī)環(huán)境的發(fā)展過程。目前其發(fā)展方向是:建立多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬系統(tǒng)并進(jìn)行多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)[1]。1949年美國溫特(F.W.Went)教授在加利福尼亞州的帕薩迪納(Pasadena)主持建造了世界上首個(gè)環(huán)境模擬設(shè)施,命名為“phytotron”[2]。建造的主要目的是想在室內(nèi)再現(xiàn)生物或人類所需的各種自然狀態(tài),并免于外界環(huán)境的干擾和影響。這個(gè)環(huán)境模擬設(shè)施的出現(xiàn)對(duì)當(dāng)時(shí)的生物科學(xué)研究起到了極其重要的推動(dòng)作用。隨后,環(huán)境模擬設(shè)施如雨后春筍,廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域,多種不同規(guī)模和類型的環(huán)境模擬設(shè)施相繼建立,這些設(shè)施為科學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)[3-10]。世界上建成的最具代表性的動(dòng)態(tài)綜合環(huán)境模擬設(shè)施是建立在美國亞利桑那州的生物圈2號(hào)(Biosphere 2)[11-23]。按照設(shè)計(jì)思想,地球被稱為生物圈1號(hào),生物圈2號(hào)是地球的縮影。

采用多參數(shù)綜合模擬的方法對(duì)近地層微氣候環(huán)境進(jìn)行模擬是一種全新的實(shí)驗(yàn)研究手段。與野外實(shí)測相比,在模擬環(huán)境中,測量容易且精確。與隨時(shí)變化的自然條件不同,在人工模擬環(huán)境中可以通過重要變量的系統(tǒng)改變和可控調(diào)節(jié),在短時(shí)間內(nèi)取得大量數(shù)據(jù),從而大大加快研究進(jìn)程,更快捷、更準(zhǔn)確地獲取我們所關(guān)心問題的規(guī)律。

為在實(shí)驗(yàn)室中更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)近地層微氣候環(huán)境的模擬,除了在人工條件下實(shí)現(xiàn)大氣近地層的風(fēng)度廓線、溫度層結(jié)模擬外,還需要對(duì)太陽輻射做出準(zhǔn)確的模擬。本文的主要目的就是在充分了解近地層特性的基礎(chǔ)上,使用人工方法實(shí)現(xiàn)近地層微氣候環(huán)境的綜合模擬。

2 環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室簡介

環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室建筑面積約105 m2,屋面平均高度4.8 m,局部為2層,四周墻體為370 mm磚墻,內(nèi)側(cè)做120 mm聚氨酯材料和瀝青的保溫防潮處理;實(shí)驗(yàn)室整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了保溫、隔熱、防潮處理。屋面為封閉式屋頂。最初為雙層夾膠玻璃,后經(jīng)改造,在原有基礎(chǔ)上增設(shè)具有100 mm后聚氨酯塑料泡沫夾層的彩鋼板。彩鋼板與原屋頂平面間保留30 mm的空隙,以增加熱阻,且屋頂四周做封閉處理,以防外界氣流進(jìn)入,進(jìn)一步增強(qiáng)了保溫性能。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)室按空間位置分成3部分:實(shí)驗(yàn)區(qū)、設(shè)備室及觀察控制室,其立體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室立體結(jié)構(gòu)示意圖

為構(gòu)造真實(shí)近地層的局部地表環(huán)境,實(shí)驗(yàn)中心位置處設(shè)有6 280(L)×5 040(W)×1 350(D)的地表構(gòu)造坑。構(gòu)造坑側(cè)墻及底面采用120 mm聚氨酯保溫,為保護(hù)保溫層,保溫層外砌120 mm厚磚墻。實(shí)驗(yàn)區(qū)上部設(shè)置高度可調(diào)的全光譜日光模擬器,為將光源發(fā)出的熱量排出室外,模擬器配備了通風(fēng)降溫系統(tǒng);設(shè)備區(qū)由半封閉制冷壓縮機(jī)組、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)、電加熱器、變頻器等設(shè)備組成。這些設(shè)備為多參數(shù)環(huán)境的模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供了硬件基礎(chǔ),統(tǒng)稱為環(huán)境控制設(shè)備(簡稱“環(huán)控設(shè)備”);模型實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)門設(shè)于南側(cè)風(fēng)機(jī)側(cè)面。實(shí)驗(yàn)區(qū)南墻嵌入放置3臺(tái)軸流送風(fēng)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)間隙及兩側(cè)均充入聚氨酯發(fā)泡加以保溫。風(fēng)機(jī)出口布置有收縮段,以改善氣流速度和均勻特性。該墻體2 600 mm以上至屋頂,利用雙層玻璃做墻體。觀察控制室設(shè)在局部二層上(下部為設(shè)備室,放置壓縮機(jī)、表冷器等),實(shí)驗(yàn)人員通過雙層玻璃窗可對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。北側(cè)1 400 mm高度以下亦放置3臺(tái)軸流式回風(fēng)風(fēng)機(jī),與南墻3臺(tái)風(fēng)機(jī)軸線一一對(duì)應(yīng)。

圖2和圖3分別給出了實(shí)驗(yàn)室的上、下部平面示意圖。

圖2 環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室下部平面圖

圖3 環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室上部平面圖

3 環(huán)境參數(shù)模擬系統(tǒng)

3.1 溫度模擬系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)外界溫度模擬,需要有相應(yīng)的溫控設(shè)備,即空調(diào)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)良好的條件下,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)負(fù)荷主要是散熱設(shè)備(以日光模擬器為主),因此通常室內(nèi)需要全年供冷。

環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度控制精度(±0.5℃)的要求較高,且需要進(jìn)行室外溫度的動(dòng)態(tài)(如日變化)模擬。溫度控制設(shè)備有:1臺(tái)制冷機(jī)(由2臺(tái)壓縮機(jī)組成)、2臺(tái)風(fēng)冷式冷凝器、3臺(tái)變風(fēng)量送風(fēng)機(jī)、3組(每組8 k W)除霜用加熱器(兼作溫度模擬加熱器)。送風(fēng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)速可調(diào),以控制進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)的冷量,實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量溫度控制。

經(jīng)綜合考慮,采用混合式溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該混合式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。通過控制壓縮機(jī)和加熱器的臺(tái)數(shù)對(duì)溫度進(jìn)行粗調(diào),通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速送風(fēng)溫度微調(diào)和風(fēng)量的調(diào)節(jié),而且可以通過控制新風(fēng)量來協(xié)助進(jìn)行室內(nèi)溫度的控制。環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室常用的送風(fēng)方式有側(cè)送側(cè)回和全面孔板送風(fēng),考慮陣風(fēng)模擬需要,并兼顧實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu),采用了異側(cè)下送下回的氣流組織方式。

圖4 環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室溫度控制設(shè)備及位置示意圖

同時(shí),在日光模擬器上方設(shè)置局部排風(fēng)罩將模擬器產(chǎn)生的熱量及時(shí)排到室外(風(fēng)量可按燈數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)),使工作區(qū)輻照度和溫度同時(shí)達(dá)到環(huán)境模擬指標(biāo)要求。通過計(jì)算排風(fēng)系統(tǒng)總阻力為230 Pa。排風(fēng)機(jī)選用軸流式高溫排煙風(fēng)機(jī),其具體參數(shù)為:轉(zhuǎn)速960 r/ min,風(fēng)量14 865 m3/h,全壓287 Pa,電機(jī)功率5.5 k W。為了在工作區(qū)實(shí)現(xiàn)太陽輻射強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)模擬,要求排風(fēng)罩可跟隨日光模擬器在豎直方向上下移動(dòng),因此,排風(fēng)罩與排風(fēng)管之間設(shè)置了可伸縮防火帆布。另外,排風(fēng)罩內(nèi)部為鍍鋅鐵皮,其表面平滑,反射率可達(dá)30%,可起到反射日光模擬器余光的效果,從而,可進(jìn)一步提高地表太陽輻射的目的。

3.2 日光模擬系統(tǒng)

太陽輻射模擬實(shí)驗(yàn)研究是多參數(shù)綜合環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室的主要內(nèi)容和重要組成部分。從模擬對(duì)象來分,太陽輻射模擬分為空間和地面2種。本文研究的是地面太陽輻射模擬。

太陽輻射模擬設(shè)施可在很多領(lǐng)域應(yīng)用,如材料實(shí)驗(yàn)、太陽能集熱器性能研究、植物生長實(shí)驗(yàn)的人工太陽房特性研究等。太陽輻射熱量的大小用輻射照度來表示,簡稱輻照度,單位為W/m2。

基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的綜合考慮,西安交通大學(xué)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種AM1.5型日光模擬器。

3.2.1 光源

研究選用鏑燈作為日光模擬器的光源。該光源是一種高光效(大于75 lm/W)、高顯色性(大于顯色指數(shù)80)、長壽命(至少5 000 h)的新型氣體放電光源。它利用充入的碘化鏑、碘化亞鉈、汞等物質(zhì)發(fā)出其特有的密集型光譜,使燈的發(fā)光效率及顯色性大為提高。該光譜接近于太陽光譜,是環(huán)境模擬較為理想的光源,文獻(xiàn)[24]對(duì)這種新型鏑燈的光譜在波長250～2 500 nm范圍內(nèi)進(jìn)行了測試,圖5給出了鏑燈光譜與美國材料與測試協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G173-03[25]中大氣質(zhì)量為1.5(AM1.5)的太陽光譜相對(duì)能量對(duì)比結(jié)果。

圖5 鏑燈與AM1.5光譜相對(duì)能量對(duì)比圖

可以看出,該光譜范圍與實(shí)際大氣質(zhì)量1.5的太陽輻射光譜范圍接近,只是在可見光區(qū)鏑燈能譜較真實(shí)太陽輻射光譜低,在部分紅外區(qū)較太陽能譜高。按文獻(xiàn)[26]日光模擬器通用規(guī)范對(duì)鏑燈進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明,該鏑燈光源的光譜能量在300～2 500 nm波長范圍內(nèi)完全可以滿足B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2.2 模擬器構(gòu)造

日光模擬器平面布置和實(shí)物照片分別如圖6和圖7所示。

圖6 燈陣平面布置圖

圖7 全光譜日光模擬器(加排風(fēng)罩前拍攝)

模擬器由燈陣、燈架與降溫裝置組成。燈陣由188個(gè)功率為400 W的反射型鏑燈(DDF400)組成。為了滿足光照均勻性的要求,將燈布置成“梅花狀”,燈的間距為295 mm。模擬器的開啟燈組數(shù)量與距地高度是影響輻照面上輻照度的主要因素。因此,為了輻照度模擬需要,將燈陣中的188個(gè)鏑燈分為4組,分別為42個(gè)(A組)、56個(gè)(B組)、48個(gè)(C組)、42個(gè)(D 組)(圖6中已標(biāo)示了各燈對(duì)應(yīng)的組號(hào)),且通過控制裝置可進(jìn)行各組燈的單獨(dú)開關(guān)或燈組的組合開關(guān)。所有鏑燈固定于4 500 mm×3 880 mm方形鋼制燈架上。燈架由電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),可在電腦控制下在豎直方向自由升降(速度在±0.5 mm/s～±20 mm/s范圍可調(diào)),使模擬器與輻照面的間距在1 000 mm～2 500 mm范圍內(nèi)可自由調(diào)節(jié)。在模擬器上方安裝排風(fēng)罩對(duì)模擬器通風(fēng)降溫,且與模擬器燈架形成一體;通過由變頻器驅(qū)動(dòng)的5.5 k W軸流高溫排煙風(fēng)機(jī)將鏑燈產(chǎn)生的熱量排到室外,且其轉(zhuǎn)速按節(jié)能原則可根據(jù)燈數(shù)實(shí)現(xiàn)“多燈高速,少燈低速”的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

通過燈數(shù)的變化和燈架高度調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)有效輻照面上的輻照度的連續(xù)調(diào)節(jié),通過控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)諸如光照日變化的輻照度動(dòng)態(tài)模擬。

3.3 風(fēng)速模擬系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用6臺(tái)風(fēng)機(jī)來模擬自然環(huán)境風(fēng)。3臺(tái)低噪聲軸流風(fēng)機(jī)作為送風(fēng)機(jī)布置在實(shí)驗(yàn)室南側(cè)(該3臺(tái)送風(fēng)風(fēng)機(jī)兼作制冷空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī));3臺(tái)低噪聲軸流風(fēng)機(jī)作為回風(fēng)機(jī)布置在北側(cè),回風(fēng)管從回風(fēng)風(fēng)機(jī)后的靜壓箱伸出,沿屋頂下側(cè)穿過實(shí)驗(yàn)室連接至送風(fēng)風(fēng)機(jī)的靜壓箱,形成閉式回路。風(fēng)機(jī)是制造自然風(fēng)的設(shè)備,為得到期望的效果,對(duì)其精確控制非常關(guān)鍵。對(duì)送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)分別用2臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng),通過計(jì)算機(jī)可自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的自動(dòng)控制,完成所需自然風(fēng)效果的模擬。

為使風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速進(jìn)一步提高,在送風(fēng)機(jī)出口設(shè)置一收縮段。收縮段立體示意圖見圖8。

圖8 收縮段三維立體示意圖

收縮段入口尺寸(內(nèi)徑)為4 480 mm×1 260 mm,收縮段出口(內(nèi)徑)為3 000 mm×1 260 mm,且出口需要固定阻尼網(wǎng),收縮段長度為1 400 mm。收縮段的頂面和底面不收縮,2個(gè)側(cè)面按照維托辛斯基收縮曲線設(shè)計(jì)[27],其曲線軌跡表達(dá)式為

為改善實(shí)驗(yàn)區(qū)氣流特性和形成期望的風(fēng)速廓線,采取增設(shè)單層或多層不等高的阻尼網(wǎng),通過合理布置阻尼網(wǎng)的高度和層數(shù),使模型實(shí)驗(yàn)區(qū)風(fēng)場展向均勻且垂向滿足期望得到的風(fēng)速廓線。研究表明,氣流通過阻尼網(wǎng)在氣流流動(dòng)方向上會(huì)產(chǎn)生壓降,相對(duì)較高的來流速度,其壓降也相對(duì)較大,這就使得氣流在通過阻尼網(wǎng)后的速度分布的均勻性得到明顯的改善。而且,阻尼網(wǎng)降低軸向湍流度的效果比降低橫向湍流度的效果要好[28]。一些研究還表明,在使用阻尼網(wǎng)時(shí),如果阻尼網(wǎng)的總損失系數(shù)相同,則使用小壓力損失系數(shù)的多層網(wǎng)(對(duì)單層網(wǎng)而言),對(duì)降低湍流度的效果會(huì)更好[29-30]。網(wǎng)的層數(shù)為1～11層,最常用的是2～3層,過多的層數(shù)易產(chǎn)生較大的壓降,造成能量損失,網(wǎng)的粗細(xì)為4～24目/cm(10～60目/英寸),最常用的是10～12目/cm(24～30目/英寸)。兩層阻尼網(wǎng)間距應(yīng)大于50倍網(wǎng)孔寬度或500倍網(wǎng)絲直徑[31],以便把上游的一層網(wǎng)產(chǎn)生的湍流度充分衰減后再進(jìn)入下游的一層網(wǎng)。網(wǎng)的金屬絲直徑應(yīng)盡量細(xì)小,以減小其本身對(duì)氣流的擾動(dòng)和降低阻力。而且,阻尼網(wǎng)的開孔率應(yīng)大于0.57,太小的開孔率將引起氣流的不穩(wěn)定。安裝阻尼網(wǎng)時(shí)使網(wǎng)架與紗網(wǎng)的接頭埋在壁面內(nèi),以免暴露在外面干擾氣流。

為保證阻尼網(wǎng)能夠充分拉緊,避免阻尼網(wǎng)因受載變形而形成凹凸面,阻尼網(wǎng)先被焊接在預(yù)先制成的加工框上,然后固定在角鐵架上。文獻(xiàn)[31]考慮到安裝要求及每一層網(wǎng)后應(yīng)有一段距離衰減旋渦,指出相鄰兩層網(wǎng)之間應(yīng)相距20～30 cm。

文獻(xiàn)[29]對(duì)單層阻尼網(wǎng)在不同高度時(shí)(分別1/4, 1/2,3/4風(fēng)洞高)的風(fēng)洞氣流特性做了詳細(xì)的研究,結(jié)果表明,均勻來流經(jīng)過阻尼網(wǎng)后,會(huì)形成回流區(qū),回流區(qū)的大小隨來流速度增大而增加。經(jīng)過阻尼網(wǎng)的速度會(huì)“上翹”一個(gè)角度,隨后在阻尼網(wǎng)高度范圍內(nèi)速度較來流速度要降低,其速降與開孔率呈反比。為在實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)期望的溫度和速度廓線,經(jīng)過反復(fù)嘗試,在收縮段出口處布置3層阻尼網(wǎng),阻尼網(wǎng)寬度分別為收縮段出口高度的1(8目)、1/2(10目)、1/4(12目)倍,并在收縮段出口處底部布置0.35 m高的多孔板,配合恰當(dāng)?shù)拇植谠?可實(shí)現(xiàn)近地層風(fēng)速和溫度廓線的模擬。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

能夠模擬氣象參數(shù)日變化快慢的程度,由環(huán)控設(shè)備的控制能力來決定。這里考慮時(shí)間縮尺即用約67 min完成對(duì)環(huán)境參數(shù)日變化的模擬。

4.1 溫度日變化模擬

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí),將坐標(biāo)支架放置在模型實(shí)驗(yàn)區(qū)中心點(diǎn)處,溫度傳感器1～6沿高度方向由上到下布置,得到的動(dòng)態(tài)溫度日變化模擬結(jié)果如圖9所示。圖中溫度6—1距地面高度依次為0.15 m,0.2 m,0.3 m,0.45 m,0.67 m和1 m。

圖9 溫度廓線動(dòng)態(tài)控制結(jié)果

4.2 正弦風(fēng)模擬

正弦風(fēng)速模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 正弦風(fēng)速控制輸出與設(shè)定

自然界中的陣風(fēng)呈隨機(jī)特性。這種隨機(jī)信號(hào)主要能量集中在低頻范圍內(nèi),這里僅模擬隨機(jī)信號(hào)的基次諧波特性,即正弦信號(hào)。圖10給出2種正弦風(fēng)速模擬的控制結(jié)果。圖10(a)和(b)分別給出了周期為240 s、480 s的正弦風(fēng)速信號(hào)。由圖可見,在控制器的作用下,實(shí)現(xiàn)了期望值的跟蹤。對(duì)于其他周期、振幅的正弦風(fēng)速信號(hào)或任意動(dòng)態(tài)期望風(fēng)速,均可通過控制界面設(shè)定,并啟動(dòng)控制器,實(shí)現(xiàn)期望風(fēng)速的模擬。

4.3 動(dòng)態(tài)輻照度模擬

利用日光模擬控制器控制模擬器距離輻照面的距離和模擬器的燈組,進(jìn)行輻照度日變化模擬。圖11 (a)、(b)和(c)分別給出了陰天、多云天氣以及晴天情況下對(duì)應(yīng)的低、中、高3種輻照度動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。

圖11 動(dòng)態(tài)輻照度模擬

4.4 日變化綜合模擬

開始模擬前將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)控制在各環(huán)境指標(biāo)的初始值,并保持一段時(shí)間,從而使系統(tǒng)達(dá)到充分穩(wěn)定。然后將各環(huán)境參數(shù)日變化期望值(如圖12所示)加到Lab VIEW中,啟動(dòng)控制功能。得到的風(fēng)速、溫度和輻照度的日變化動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果如圖12所示。整個(gè)模擬耗時(shí)約200 min來模擬近地層3晝夜的風(fēng)速、溫度和輻照度日變化。圖12中的離散點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)室物理模擬測量值,連續(xù)的線分別表示各參數(shù)的期望值?？梢钥闯?在實(shí)驗(yàn)室模擬過程中,溫度、風(fēng)速和輻照度的物理模擬測量值整體上能夠跟蹤其各自的期望值,僅在個(gè)別點(diǎn)處期望值與測量值存在偏差。對(duì)于溫度和速度模擬,由于系統(tǒng)的慣性作用,在變化趨勢改變時(shí),測量值相對(duì)于期望值有滯后現(xiàn)象。對(duì)于輻照度,受燈數(shù)限制在低輻照度時(shí)存在模擬偏差。

圖12 風(fēng)速、溫度和輻照度的日變化動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

5 結(jié)束語

在分析了實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,完成了實(shí)驗(yàn)室的溫度模擬系統(tǒng)、日光模擬系統(tǒng)、風(fēng)速模擬系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件建設(shè)。給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求。該實(shí)驗(yàn)室的建成,為發(fā)生在近地層中各類物理現(xiàn)象的可控模擬提供了全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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Construction of experimental platform of surface layer microclimate multi-parameter integrated environment simulation

Meng Qinglong1,3,Ding Shuai1,Wang Yuan2,Li Yanpeng1,Zhao Fan1,Han Wensheng1
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China; 2.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China; 3.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmisson and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

A surface layer microclimate simulation laboratory is designed and built further.The structure characteristics of the laboratory envelope are analyzed in detail.The hardware configuration of temperature simulation system,daylight simulation system,velocity simulation system,computer control system and structure are implemented.The laboratory is a new research platform and provides controllable conditions for all kinds of physical phenomena simulation.Taking the typical environmental parameters as an example,the partial simulation results are shown.From the simulation results,the laboratory designed meets the expected goal.The work provides a research platform for control simulation of all kinds of the physical phenomena that occur in the surface layer.

experimental platform of environmental simulation;multi-parameters;microclimate

TU11

A

1002-4956(2015)4-0244-07

2014-09-30修改日期：2014-10-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208059);流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(GZKF-201215)

孟慶龍(1979—),男,河北邢臺(tái),博士,講師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境模擬技術(shù)和建筑設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)化.

E-mail:mql19＠163.com