基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法

陳雅媛

(黎明職業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)部，福建 泉州 362000)

如今，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，研究者對(duì)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的要求也在逐漸提高，實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的質(zhì)量對(duì)科研成果的影響也越來越大[1].但是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析近幾年的科研成果，發(fā)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫濕度差異造成科研人員身體患病的概率大大增加，甚至在實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室中，仍然會(huì)出現(xiàn)空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而發(fā)生人員死亡的事件[2].上述這些問題都在時(shí)刻提醒實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室管理人員，控制好實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境質(zhì)量，是實(shí)訓(xùn)基地亟需解決的重要問題.

溫濕度控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代技術(shù)中最重要的成就之一，隨著溫濕度控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制已經(jīng)成為實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室管理中的重要組成部分[3].總體來說，與國(guó)外水平較高的溫濕度控制技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制還存在很多不足和缺陷.科研項(xiàng)目的不同也導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫度控制的程度不同，因此對(duì)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制的方法也不同[4].根據(jù)電子信息技術(shù)的特點(diǎn)，將共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引入到了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法設(shè)計(jì)中，不僅提高了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制水平，又帶動(dòng)了科研項(xiàng)目的發(fā)展，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)科研項(xiàng)目向國(guó)際的轉(zhuǎn)型，具有非常巨大的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值.

1 實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度

由于實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度會(huì)不斷變化，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度出現(xiàn)極端現(xiàn)象，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫濕度可以擴(kuò)大溫濕度控制的范圍.在實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度調(diào)節(jié)過程中，顯熱冷負(fù)荷的計(jì)算公式如下：

Qs=CpG(tN-ts)

(1)

式(1)中，G表示實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)量，kg/s；Cp表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)干空氣比熱，kJ/(kg·℃)；Qs表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷，kW；tN、ts表示室內(nèi)溫度和送風(fēng)溫度，℃.

在式(1)中，送風(fēng)溫度是一個(gè)恒定值，可以通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室冷凍水閥來進(jìn)行控制.將實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的溫度設(shè)定為Ts，然后采用風(fēng)量控制器來控制風(fēng)量送入實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)量，使實(shí)驗(yàn)室將顯熱量吸收，完成對(duì)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫度的調(diào)節(jié).實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)控制原理圖如圖1所示.

圖1 實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)控制原理圖

圖2 實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室濕度調(diào)節(jié)控制原理圖

伴隨實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室舒適度的倡導(dǎo)，控制實(shí)驗(yàn)室濕度也越來越重要.實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度與溫度之間存在著一定的耦合現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度值對(duì)室內(nèi)溫度是非常敏感的，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度達(dá)到90%、實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度偏差為1 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)濕度的變化結(jié)果最高可以達(dá)到5%[5].但是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)絕對(duì)濕度與室內(nèi)溫度之間并不存在此現(xiàn)象，針對(duì)這一情況，本文引入了基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的絕對(duì)濕度，它可以反映出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)濕空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量.當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度不發(fā)生改變時(shí)，絕對(duì)濕度的變化會(huì)引起室內(nèi)相對(duì)濕度的變化，基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的絕對(duì)濕度可以表示為：

(2)

式(2)中，V表示實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣體積，m3；ρ表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣密度，kg/m3；dv表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度，g/m3；W表示室內(nèi)水蒸氣量，kg；dvs表示實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)的絕對(duì)濕度，g/m3.

實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室濕度調(diào)節(jié)控制原理如圖2所示.

本文是在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，采用串級(jí)雙閉環(huán)來控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的濕度，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)露點(diǎn)的溫度來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫度的控制，完成了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度的調(diào)節(jié).

1.2 構(gòu)建實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制模型

在實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制中，實(shí)驗(yàn)室的建模是非常關(guān)鍵的，而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的不同變量之間會(huì)相互影響、控制和耦合，在這種復(fù)雜的情況下建立一個(gè)精確的控制模型是很難的[6]，因此將共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用到了實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制模型的構(gòu)建中，增加實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制范圍.

在不同的實(shí)驗(yàn)室，由于氣候的不同，溫濕度控制模型的構(gòu)建也是不同的.本文建立的溫濕度控制模型，忽視實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的熱交換，通過實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室覆蓋層交換的熱量為：

Q=hcAc(Tout(t)-Tin(t))

(3)

式(3)中，Tin表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度，℃；Tout表示實(shí)驗(yàn)室外部的溫度，℃；hc表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)覆蓋層與氣體的換熱系數(shù)，J·m-2·℃-1；Ac表示實(shí)驗(yàn)室覆蓋層的面積，m2.

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)與室外的熱量交換為：

Q=ρCρ(Tout(t)-Tin(t))Vin(t)

(4)

式(4)中，ρ表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣密度，取值為1.2 kg/m3；Cρ表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體定比熱容，取值為1.005 J/(kg·℃)；Vin表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的自然通風(fēng)率，m3/s.

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體吸收的熱量被定義為固定的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加熱器的數(shù)量和啟動(dòng)數(shù)量有關(guān)，加熱裝置吸收的熱量為：

(5)

根據(jù)上述對(duì)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的三個(gè)變量分析，可以得到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度控制模型為：

(6)

根據(jù)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水分的損失和產(chǎn)生，需要在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)室內(nèi)濕度控制模型.假設(shè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣混合均勻，那么濕度就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水汽含量的變化而決定的[7].

科研實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的水汽量為：

(7)

式(7)中，Δ表示水蒸氣壓的曲線斜率；Rn表示實(shí)驗(yàn)室表面的凈輻射量；es(T)表示T℃下的飽和水汽壓；e表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)際水汽壓；rs表示氣孔阻力；γ表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水蒸發(fā)的系數(shù).

實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)水汽的損失量為：

(8)

式(8)中，φvent表示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的通風(fēng)量；Wout、Win表示實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室覆蓋層前后的含濕量；Ag表示實(shí)驗(yàn)室的地表面積.

通過上述實(shí)驗(yàn)室內(nèi)濕度參數(shù)的分析，可以得到實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室濕度控制模型為：

(9)

上述在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的三個(gè)溫度變量，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室溫度控制模型，根據(jù)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水分的損失和產(chǎn)生，分析了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室濕度控制模型，從而完成了實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制模型的構(gòu)建；接下來通過實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制值的確定，來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制.

1.3 確定溫濕度控制值

在對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制之前，必須先確定實(shí)驗(yàn)室的溫濕度控制值，在控制值內(nèi)增加溫濕度的控制范圍.現(xiàn)在倡導(dǎo)的舒適性實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室并不是要求室內(nèi)空氣狀態(tài)控制在一個(gè)固定點(diǎn)，而是控制在一定范圍內(nèi)[8].當(dāng)前倡導(dǎo)舒適性與溫濕度相統(tǒng)一，所以在實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制過程中，如果實(shí)驗(yàn)室外的空氣狀態(tài)很低或很高時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度控制值可以參考舒適度的上、下限.如果溫濕度控制值在舒適度范圍內(nèi)，在控制過程中采用最大的進(jìn)風(fēng)量，這樣可以在實(shí)驗(yàn)室達(dá)到舒適度的前提下，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制.

在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的背景下，實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制過程中，如果控制值從26 ℃升高到28 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的負(fù)荷能大約下降21%～23%左右，因此確定實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制值，可以保證實(shí)驗(yàn)室的舒適度[9].實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)濕度隨溫度的變化關(guān)系如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)濕度隨溫度的變化關(guān)系圖

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

從圖3中可以看出，實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集來源于高溫、高濕的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度高于38 ℃時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度在75%左右.采用共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來控制實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，最后將實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的溫度控制值設(shè)定為12 ℃[10].但是在實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制過程中，隨著室內(nèi)溫度的降低，相對(duì)濕度會(huì)不斷增大，由于實(shí)驗(yàn)室里會(huì)擺設(shè)各種實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)材料，導(dǎo)致室內(nèi)的空氣濕度較大，當(dāng)室內(nèi)溫度降低到25 ℃時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相對(duì)濕度控制在92%左右，這時(shí)實(shí)驗(yàn)室的濕度值可以滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求，以后隨著溫度的降低，實(shí)驗(yàn)室的濕度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此最后將實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室的濕度控制設(shè)定為92%.

綜上所述，基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算了實(shí)驗(yàn)室顯熱冷負(fù)荷，根據(jù)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)控制原理，調(diào)節(jié)了實(shí)驗(yàn)室的溫度，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)濕度，得到了實(shí)驗(yàn)室濕度控制原理，完成了實(shí)驗(yàn)室濕度的調(diào)節(jié)；通過分析實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的三個(gè)溫度變量，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室溫度控制模型，由于實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水分的損失和產(chǎn)生，分析了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，完成了實(shí)驗(yàn)室濕度控制模型的構(gòu)建；最后在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度的控制值，實(shí)現(xiàn)了基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

2.1 選擇測(cè)試儀器

實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制范圍測(cè)試儀器主要有溫濕度計(jì)和紅外測(cè)溫儀.溫濕度計(jì)主要是用來測(cè)量實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的溫濕度，還具有非常強(qiáng)大的溫濕度記憶功能；紅外測(cè)溫儀具有使用方便的優(yōu)點(diǎn)，可以調(diào)節(jié)發(fā)射率，此處主要用于實(shí)驗(yàn)室地板和室內(nèi)溫度的測(cè)量，將紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率設(shè)置為0.95，兩種儀器的主要性能參數(shù)如表1所示.

表1溫濕度計(jì)和紅外測(cè)溫儀的性能參數(shù)

2.2 測(cè)試內(nèi)容

實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制范圍實(shí)驗(yàn)的測(cè)試地點(diǎn)選擇一間大約40 m2的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為21.3 ℃，相對(duì)濕度為58%.在這種相對(duì)濕度的條件下，就可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度控制范圍進(jìn)行測(cè)試.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度，將實(shí)驗(yàn)室的溫度設(shè)定為24 ℃，供回水溫度設(shè)置成25 ℃，選擇的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度是緩慢上升的，如果將室內(nèi)溫度設(shè)置成30 ℃，在測(cè)試過程中的溫度達(dá)不到30 ℃，因此將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度設(shè)置為40 ℃.

由于實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同位置的溫度可能是不同的，所以在測(cè)試之前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置.測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖4所示.

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布置4個(gè)具有代表性的測(cè)試點(diǎn)A、B、C、D，A點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室的正中間位置，B點(diǎn)位于實(shí)驗(yàn)室的過道處，C點(diǎn)設(shè)置成靠近門窗的位置，D點(diǎn)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室的角落處，布置完成后開始測(cè)試.測(cè)試開始后，每隔2 min采用測(cè)溫儀進(jìn)行一次測(cè)量，并做好記錄.

圖5 實(shí)驗(yàn)室溫度控制范圍對(duì)比結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用上述的測(cè)試內(nèi)容，得到了下列測(cè)試結(jié)果.如圖5所示.

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，兩種溫濕度控制方法在實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制范圍上差別很大，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法，在B點(diǎn)的控制范圍是最大的，可能是因?yàn)锽點(diǎn)處于實(shí)驗(yàn)室的正中間，外部因素對(duì)測(cè)試的干擾較小，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度控制范圍最大為15 ℃，濕度控制范圍最大為30%；而采用基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法，只有在C點(diǎn)的控制范圍是最小的，其他三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度、濕度控制范圍都超過了30 ℃、60%，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度控制范圍最大為45 ℃，濕度控制范圍最大為90%.因此可以得出基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法的控制范圍大.

3 結(jié)束語

本文提出了基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法.基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算了實(shí)驗(yàn)室顯熱冷負(fù)荷，調(diào)節(jié)了實(shí)驗(yàn)室的溫度，通過實(shí)驗(yàn)室濕度控制原理，完成了實(shí)驗(yàn)室濕度的調(diào)節(jié)；在分析實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的三個(gè)溫度變量的前提下，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室溫度控制模型，由于實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水分的損失和產(chǎn)生，分析了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，完成了實(shí)驗(yàn)室濕度控制模型的構(gòu)建；最后在共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度的控制值，實(shí)現(xiàn)了基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制.測(cè)試結(jié)果顯示，基于共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)基地實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制方法與傳統(tǒng)溫濕度控制方法相比，溫濕度控制范圍更廣.