大型智能環(huán)境測(cè)試艙的研制

李楠 常兵 于濤

【摘要】 本文介紹了一款大型智能環(huán)境測(cè)試艙，有效測(cè)試體積5～30 m3可調(diào)，解決了大型環(huán)境測(cè)試艙的凝露問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)各類家具產(chǎn)品有毒有害揮發(fā)性氣體的整體檢驗(yàn)。硬件設(shè)計(jì)中為控制系統(tǒng)預(yù)留多項(xiàng)可調(diào)節(jié)功能部件，解決了理論計(jì)算與實(shí)際調(diào)試的不一致性。對(duì)環(huán)境測(cè)試艙運(yùn)行穩(wěn)定后的風(fēng)速、溫度、濕度及有毒氣體本底值指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，其各項(xiàng)指標(biāo)均在國(guó)家相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求以上。

【關(guān)鍵詞】 智能環(huán)境測(cè)試艙;有毒有害;揮發(fā)性氣體;本底值

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.02.015

Abstract： This paper introduces a large-scale intelligent environmental test chamber，which has adjustable effective test volume of 5～30 m3，which can effectively solve the problem of the large-scale environmental test chamber condensation. It solves the condensation problem of large-scale environment test cabin，and? can achieve overall test for toxic and hazardous volatile gases of all kinds of furniture products. The reservation for a number of adjustable features in the control system hardware design can solve the problem of the inconsistency for the theoretical calculations and the actual debugging. The environmental test chamber continuously test the wind speed，temperature，humidity and toxic gases background value indicators at the? stable operation condition，so that all the indicators have reached the national test requirements above.

Key words： intelligent environmental test chamber;toxic and hazardous;volatile gases;background value

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家具制造和家庭裝飾裝修行業(yè)迅猛發(fā)展，其所造成的室內(nèi)空氣污染問(wèn)題也隨之而來(lái)。甲醛、氨、TVOC等揮發(fā)有毒有害氣體，會(huì)嚴(yán)重刺激呼吸道，引起呼吸道水腫、眼刺痛、頭痛、粘膜充血、皮膚過(guò)敏等現(xiàn)象。然而，在國(guó)家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)GB 18584-2001《室內(nèi)裝飾裝修材料 木家具中有害物質(zhì)限量》規(guī)定的家具檢測(cè)項(xiàng)目中，檢測(cè)只是針對(duì)家具生產(chǎn)原料人造板材，而不是日常生活中所使用的成品家具;在檢測(cè)方法上，以成套家具的一小部分板材作為樣品檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不能真實(shí)反映成品家具所有部位的有害物質(zhì)釋放情況，同時(shí)檢驗(yàn)的取樣過(guò)程是破壞性的，這類檢測(cè)會(huì)給家具行業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，研發(fā)可以整體檢測(cè)各類家具有毒有害氣體揮發(fā)的設(shè)備十分必要。

1 大型環(huán)境測(cè)試艙檢測(cè)方法概述

大型環(huán)境測(cè)試艙法是以艙體模擬室內(nèi)環(huán)境，將家具放置其中并進(jìn)行檢測(cè)的方法。它是一種最接近日常實(shí)際使用狀態(tài)，對(duì)有害物質(zhì)釋放量進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法。在檢測(cè)要求的試驗(yàn)條件下（穩(wěn)定的溫度、濕度、艙內(nèi)空氣流速）將整體家具或建材裝飾材料等放置在艙內(nèi)，使空氣氣流平穩(wěn)而均勻地從試樣表面拂過(guò)。這一過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間后，按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采集艙內(nèi)空氣樣品進(jìn)行檢測(cè)，以確定家具或裝飾材料樣品的環(huán)保安全性能[1-3]。本文介紹一種最大有效檢測(cè)體積為30 m3的大型智能環(huán)境測(cè)試艙，主要用于成套家具以及多種建材裝飾材料等有毒有害物質(zhì)揮發(fā)量的測(cè)定，其工作原理就是依據(jù)上述大型環(huán)境測(cè)試艙法。

2 大型環(huán)境測(cè)試艙的設(shè)計(jì)

大型環(huán)境測(cè)試艙采用內(nèi)外艙嵌套結(jié)構(gòu)，環(huán)境艙整體尺寸為長(zhǎng)7500 mm、寬6000 mm、高4500 mm，內(nèi)艙體積為30 m3（4000 mm×3000 mm×2500 mm）。分別采用高密度聚氨酯彩鋼板和304鏡面不銹鋼板材料構(gòu)成。這種設(shè)計(jì)在調(diào)解溫度、濕度、氣流速度時(shí)，可以有效抑制艙內(nèi)室的凝露現(xiàn)象。環(huán)境測(cè)試艙外層的保溫箱體為100 mm厚高密度聚氨酯彩鋼板，艙內(nèi)室箱體為2 mm。

厚鏡面不銹鋼板，內(nèi)艙采用電梯轎廂式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼板采用2 mm厚鏡面不銹鋼板。為確保艙內(nèi)室的密封，在拼接處貼有薄層硅膠膜。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)艙體有凹凸面和焊縫的弊端。工作原理如圖1所示，為保證機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并促進(jìn)了內(nèi)艙與嵌套層之間的熱交換，內(nèi)艙外側(cè)設(shè)計(jì)安裝了不銹鋼翅片組。它不僅能降低能量消耗，同時(shí)也減少了溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要的時(shí)間。不銹鋼翅片組可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加或減少，為控制系統(tǒng)預(yù)留調(diào)節(jié)空間[4-5]。

在艙內(nèi)室長(zhǎng)度方向的兩側(cè)交錯(cuò)安裝了循環(huán)風(fēng)道，共計(jì)14個(gè)循環(huán)風(fēng)道，兩側(cè)各7個(gè)風(fēng)道。如圖2所示。每個(gè)循環(huán)風(fēng)道之間都是彼此獨(dú)立的，即循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的空氣互不干擾。這種設(shè)計(jì)是為了更好地整體控制內(nèi)艙氣體流速，使氣流均勻運(yùn)行。艙內(nèi)設(shè)計(jì)安裝了移動(dòng)隔板，為了實(shí)現(xiàn)更好的密封效果，隔板四周設(shè)置了航空充氣袋。如果隔板需要移動(dòng)，需先將充氣袋泄氣，隔板沿導(dǎo)軌直線方向移動(dòng)，并由導(dǎo)軌支撐實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。環(huán)境艙內(nèi)外艙分別都安裝了艙門，由移動(dòng)隔板分成兩個(gè)測(cè)試艙，這兩個(gè)測(cè)試艙可以同時(shí)使用。

3 進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)速的控制

為了使內(nèi)艙循環(huán)風(fēng)的風(fēng)速達(dá)到國(guó)家相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，用柏努利方程進(jìn)行計(jì)算。

新風(fēng)量增加和排出量相對(duì)30 m3體積可以忽略，并假設(shè)測(cè)試艙內(nèi)氣體質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、連續(xù)體、不可壓縮（即密度不變以及粘度為零）。在此段流程內(nèi)無(wú)流動(dòng)阻力，外部沒(méi)有做功效應(yīng)，即能量損失[∑hf=0]，[We=0]，[P1=P2]，（1）式可簡(jiǎn)化為：

按GB 50325-2010附錄B要求，測(cè)試艙內(nèi)室風(fēng)速為0.1～0.3 m/s，按[Z1=0.4] m（距地面高度），[Z2=0.3] m（地面高度+測(cè)試艙高），內(nèi)艙上方的14個(gè)均壓室均獨(dú)立運(yùn)行，假設(shè)其流入內(nèi)艙空氣流速在0.1～0.3 m/s范圍內(nèi)，則對(duì)應(yīng)每個(gè)均壓室進(jìn)入艙內(nèi)室的空氣流量在0.12～0.36 m3/s（每個(gè)均壓室的有效面積約1.2 m2，循環(huán)風(fēng)道橫截面積為0.046 m2）范圍內(nèi)，由此可得[u1=7.7～10.6] m/s;[u2=2.6～7.8] m/s。

因此，每個(gè)風(fēng)道風(fēng)機(jī)必須保證空氣的最小流速為10.6 m/s，最小流量為0.49 m3/s。風(fēng)機(jī)的選擇和循環(huán)風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)要有余量，避免因空氣流速快，導(dǎo)致噪聲偏大和艙體震動(dòng)的不利影響[6-7]。

4 基于PID算法的溫濕度控制

大型環(huán)境測(cè)試艙的溫濕度控制方案基于傳統(tǒng)PID控制方法設(shè)計(jì)[8]，PID控制程序算法表達(dá)式為：

在溫度控制過(guò)程中為避免常見(jiàn)的凝露現(xiàn)象又能使內(nèi)艙溫度均勻，環(huán)境艙采用的是外艙控制內(nèi)艙的設(shè)計(jì)方案，即升溫或降溫先作用于外艙，內(nèi)艙溫度由鏡面不銹鋼板均勻傳熱控制。根據(jù)現(xiàn)行的GB 50325-2010附錄A中，對(duì)1～40 m3的環(huán)境艙測(cè)試法中，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7～28天;在ASTM E 1333-96（2002）標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試時(shí)間為16～20小時(shí)。因此，溫度控制在1～2小時(shí)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定即可，控制重點(diǎn)在于溫度的均勻性和穩(wěn)定性。由于大型環(huán)境測(cè)試艙體積大，內(nèi)艙中設(shè)計(jì)了溫度傳感器陣列，控制算法中采用的是這些值的平均值。因此，為了彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的個(gè)別區(qū)域溫度控制缺陷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊控制部分[9]，即每個(gè)傳感器實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定溫度值的偏差[e（t）k]，再得出它的一階偏差變化率[Δte（t）k]，由控制系統(tǒng)計(jì)算綜合數(shù)值[Uk]，根據(jù)數(shù)值對(duì)比得出對(duì)該傳感器位置采取的控制補(bǔ)償（如增加翅片量）：

由于很好的避免了凝露現(xiàn)象，濕度控制方面直接將調(diào)節(jié)好濕度的空氣注入內(nèi)艙即可，由內(nèi)艙的進(jìn)風(fēng)口實(shí)時(shí)監(jiān)控即可達(dá)到良好效果。

5 大型環(huán)境測(cè)試艙的性能指標(biāo)

大型環(huán)境測(cè)試艙的實(shí)物圖如圖3所示，其內(nèi)部的鏡面設(shè)計(jì)可以有效避免有毒有害氣體的吸附效應(yīng)。

環(huán)境艙主要性能運(yùn)行測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，圖5。可以看出，樣機(jī)在運(yùn)行1小時(shí)后達(dá)到工作狀態(tài)，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求;整個(gè)系統(tǒng)于2小時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，溫度在±1 ℃之間波動(dòng)，濕度在±4%范圍內(nèi)波動(dòng)，循環(huán)風(fēng)速穩(wěn)定在±0.05 m/s范圍內(nèi)，空氣交換率±3%，艙內(nèi)壓力（26±1） Pa。結(jié)果表明，大型智能環(huán)境測(cè)試艙各項(xiàng)運(yùn)行參量都達(dá)到了目前國(guó)家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)艙內(nèi)空氣樣品進(jìn)行取樣，用去離子水來(lái)吸附甲醛，苯類及TVOC由tenax活性炭管吸附，艙內(nèi)有害物質(zhì)本底值測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，大型環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)有害物質(zhì)本底值很低，完全符合目前國(guó)家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，大型環(huán)境測(cè)試艙體積5～30 m3可調(diào);測(cè)試艙內(nèi)的溫度、濕度以及艙內(nèi)風(fēng)速在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)可調(diào);空氣交換率（0～1.0）次/h±0.05次/h可調(diào);空氣流速0.1～0.5 m/s可調(diào);艙內(nèi)溫度（15.0～45.0） ℃±1.0 ℃可調(diào);相對(duì)濕度（30.0～90.0）%±4.0%可調(diào);氣密性1 Pa以上正壓（工作中）;系統(tǒng)穩(wěn)定后有害物質(zhì)本底值（PPb）甲醛≤6，TVOC≤25，氨≤10，氡≤10，苯類≤6。基本滿足現(xiàn)行國(guó)家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整體家具的甲醛會(huì)發(fā)量等項(xiàng)目進(jìn)行連續(xù)、周期性檢驗(yàn)。

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