周根明，周少華，郭 霆，唐曉霞

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

某江邊的古渡口遺址在考古發(fā)掘后，采用遺跡展示式保護(hù)方法進(jìn)行保護(hù)并可供游客觀(guān)賞，即采用鋼化玻璃在遺址上方建造了一個(gè)透明的保護(hù)廳，游客可以站在鋼化玻璃上方觀(guān)賞下面的古渡口遺址，同時(shí)也對(duì)遺址進(jìn)行了保護(hù).但這樣的透明保護(hù)廳形成了一個(gè)“溫室”，在日光照射下廳內(nèi)溫度會(huì)高于室外溫度.遺址下方是厚約數(shù)米的長(zhǎng)江淤沙土層，從而導(dǎo)致廳內(nèi)比較潮濕.這樣，當(dāng)保護(hù)廳外部氣溫較低時(shí)，極易在頂部的鋼化玻璃內(nèi)表面產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，這將會(huì)產(chǎn)生一系列不良影響:① 遮擋光線(xiàn)、阻擋視野.凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生，使鋼化玻璃的透明度降低，從而影響游客觀(guān)賞下方遺址的效果.② 不利于遺址的保護(hù).玻璃凝露影響陽(yáng)光照射，助長(zhǎng)細(xì)菌微生物滋生;同時(shí)，玻璃上的露珠會(huì)掉落下去，其附帶的沖擊力會(huì)對(duì)遺址產(chǎn)生損害.③ 減短了鋼梁的使用壽命，加速了鋼梁的老化和銹蝕.

國(guó)內(nèi)外對(duì)類(lèi)似表面凝露問(wèn)題有相關(guān)的研究，如文獻(xiàn)［1］中研究了汽車(chē)尾氣凝水問(wèn)題，提出用環(huán)境空氣來(lái)稀釋尾氣.文獻(xiàn)［2］中研究了冷柜玻璃門(mén)表面凝露有關(guān)問(wèn)題，采用雙層發(fā)熱導(dǎo)熱膜玻璃來(lái)解決冷柜玻璃門(mén)表面凝露的問(wèn)題.文獻(xiàn)［3］中提出了通風(fēng)除濕的概念.為解決遺址保護(hù)廳鋼化玻璃的凝露問(wèn)題，文中針對(duì)其凝露情況進(jìn)行了研究并研制出了防凝露控制系統(tǒng).

1 凝露分析與控制方案選擇

1.1 鋼化玻璃內(nèi)表面凝露問(wèn)題分析

遺址保護(hù)廳內(nèi)氣溫為T(mén)1，相對(duì)濕度為Φ，廳外氣溫為T(mén)2(T1＞T2，且T1，T2均為干球溫度)，鋼化玻璃內(nèi)、外表面溫度分別為T(mén)w1和Tw2，保護(hù)廳內(nèi)外溫度分布如圖1.產(chǎn)生凝露的原因是由于濕空氣中溫度場(chǎng)的不均勻，致使局部空氣中水蒸氣達(dá)到露點(diǎn)溫度而析出［4］.如果要在玻璃內(nèi)表面凝露，必須滿(mǎn)足以下條件:玻璃內(nèi)表面溫度Tw1，必須低于廳內(nèi)環(huán)境工況的露點(diǎn)溫度Td，即:Tw1＜Td.保護(hù)廳內(nèi)的環(huán)境工況露點(diǎn)溫度可由廳內(nèi)氣溫T1和相對(duì)濕度Φ計(jì)算得到.

圖1 廳內(nèi)外溫度分布示意圖Fig.1 Distribution of the hall′s temperature

1.2 鋼化玻璃內(nèi)表面凝露影響因素分析

環(huán)境干球溫度和相對(duì)濕度變化對(duì)環(huán)境工況露點(diǎn)的影響如圖2.A點(diǎn):干球溫度為T(mén)1，相對(duì)濕度為Φ1，露點(diǎn)溫度為T(mén)dA;B點(diǎn):干球溫度為T(mén)1、相對(duì)濕度為Φ2，露點(diǎn)溫度為T(mén)dB;C點(diǎn):干球溫度為T(mén)2、相對(duì)濕度為Φ2，露點(diǎn)溫度為 TdC.比較 A，B兩點(diǎn)，TA=TB且ΦA(chǔ)＜ΦB，TdA＜TdB;比較 B，C兩點(diǎn)，ΦA(chǔ)=ΦB且 TB＞TC，TdB＞TdC.根據(jù)以上比較，可得到結(jié)論:相對(duì)濕度越高或者干球溫度越高，露點(diǎn)溫度就越高，也就越容易凝露.

圖2 干球溫度和相對(duì)濕度變化對(duì)環(huán)境工況露點(diǎn)溫度的影響Fig.2 Influence of the dry bulb temperature and relative humidity to the dew point

玻璃內(nèi)表面溫度Tw1主要受廳內(nèi)溫度T1、廳外溫度T2和鋼化玻璃本身的隔熱性能決定，顯然廳外氣溫T2越低，或者鋼化玻璃隔熱性能越差，都將導(dǎo)致玻璃內(nèi)表面溫度Tw1降低，可能使得Tw1＜Td，即產(chǎn)生凝露現(xiàn)象.廳內(nèi)外溫差越大，鋼化玻璃內(nèi)表溫度Tw1與廳內(nèi)氣溫 T1溫差就越大，就越容易凝露.

1.3 露點(diǎn)溫度計(jì)算

空氣的溫度和相對(duì)濕度的測(cè)量較為簡(jiǎn)單，而露點(diǎn)溫度的測(cè)量較難實(shí)現(xiàn).所以，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中需根據(jù)測(cè)得的干球溫度和相對(duì)濕度計(jì)算得出實(shí)時(shí)的露點(diǎn)溫度.根據(jù)遺址保護(hù)廳內(nèi)的空氣特點(diǎn)，可采用下面的方法來(lái)計(jì)算露點(diǎn)溫度［5］:

式中:Td為露點(diǎn)溫度(℃);t為空氣干球溫度(℃);U為相對(duì)濕度(%).

1.4 控制方案

根據(jù)前文分析，本系統(tǒng)采用合理的通風(fēng)系統(tǒng)，在適當(dāng)時(shí)刻向保護(hù)廳內(nèi)輸送環(huán)境的低露點(diǎn)空氣來(lái)降低廳內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，從而解決凝露問(wèn)題.具體措施是在保護(hù)廳東側(cè)安裝兩臺(tái)排氣風(fēng)機(jī)，在西側(cè)安裝引風(fēng)風(fēng)道，通過(guò)適時(shí)通風(fēng)降低廳內(nèi)空氣濕度.考慮到該地區(qū)冬季西北風(fēng)偏多，所以將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在西側(cè).

由于渡口遺址地處江邊，地下水位經(jīng)常會(huì)上升，會(huì)導(dǎo)致大廳內(nèi)地表過(guò)于潮濕，更容易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，所以采用一臺(tái)水泵來(lái)保持地下水位在允許范圍內(nèi).水泵的開(kāi)啟/關(guān)閉由液位開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)水位超過(guò)設(shè)定的高水位值時(shí)水泵自動(dòng)開(kāi)啟并開(kāi)始抽水，當(dāng)水位下降至另一低水位值時(shí)則關(guān)閉水泵停止抽水.

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及硬件構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW以及相應(yīng)的硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、水泵和風(fēng)機(jī)的測(cè)量、顯示、保存和控制.系統(tǒng)的功能可以劃分為:①溫濕度測(cè)量與顯示;②風(fēng)機(jī)與水泵狀態(tài)顯示與報(bào)警;③ 數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與查詢(xún);④防凝露控制.

2.2 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)由溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、控制電路、計(jì)算機(jī)和風(fēng)機(jī)組成.系統(tǒng)的主要硬件如表1，整個(gè)控制系統(tǒng)可分為監(jiān)測(cè)與控制兩部分.監(jiān)測(cè)部分的監(jiān)測(cè)對(duì)象有:廳內(nèi)空氣干球溫度、相對(duì)濕度、鋼化玻璃內(nèi)表面溫度以及風(fēng)機(jī)和水泵的工作狀態(tài).而控制部分主要是對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的控制，風(fēng)機(jī)由上位機(jī)通過(guò)控制模塊和電磁閥控制，水泵由液位開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制啟閉.由于本系統(tǒng)中需要采集的信號(hào)較少，對(duì)傳輸速率的要求不是很高，所以采用串口通訊方式與計(jì)算機(jī)通信.

表1 主要硬件Table 1 Main hardware

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.溫濕度信號(hào)由不同的溫濕度傳感器采集，水泵和風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)由干觸點(diǎn)提供［6］.計(jì)算機(jī)定時(shí)向ADAM模塊下達(dá)采集命令，ADAM-4117模塊和ADAM-4050模塊分別將傳感器采集的溫濕度和開(kāi)關(guān)量信號(hào)按特定格式發(fā)送給計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后在軟件上顯示并保存.計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算和判斷，在特定情況下向ADAM-4050下達(dá)命令，使其輸出通道的數(shù)值改變.進(jìn)而通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟?？刂疲钥刂票Ｗo(hù)廳內(nèi)的空氣溫濕度，提高露點(diǎn)溫度，從而避免玻璃內(nèi)表面凝露.由于A(yíng)DAM數(shù)據(jù)采集模塊均采用RS-485串行通訊總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，所以要連接工控I/O模塊ADAM-4520實(shí)現(xiàn)RS-485到RS-232總線(xiàn)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，并且使傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)1 200 m，可以實(shí)現(xiàn)遺址保護(hù)廳的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 System structure

圖4為本系統(tǒng)的控制箱，數(shù)據(jù)采集卡、控制開(kāi)關(guān)、電磁閥等都安裝在控制箱內(nèi)部.本系統(tǒng)由手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，可在控制箱上根據(jù)實(shí)際情況選擇控制方式，在自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題時(shí)可選擇手動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性.水泵或風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，二者在控制箱上和功能軟件面板上對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)點(diǎn)亮，以顯示其工作狀態(tài).

圖4 防凝露系統(tǒng)控制箱Fig.4 Control cabinet of condensation prevention system

3 軟件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的軟件是 NI公司的Lab-VIEW.LabVIEW是一種基于圖形化的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界廣泛采用，它是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件［7］.

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

要實(shí)現(xiàn)防凝露的目的，首先需對(duì)保護(hù)廳現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.考慮到軟件的開(kāi)放性和通用性，采用LabVIEW中的VISA接口模塊進(jìn)行編程.VISA是在 LabVIEW 平臺(tái)上控制 GPIB，VXI，RS232串口及其他種類(lèi)儀器的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，具有與儀器接口無(wú)關(guān)的特性，可以不考慮儀器的驅(qū)動(dòng)軟件，因此非常適于不同類(lèi)型儀器的程序編程［8］.

圖5為實(shí)時(shí)監(jiān)控窗口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.該程序基于LabVIEW狀態(tài)機(jī)卷標(biāo)頁(yè)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)等，能根據(jù)需要選擇顯示任意時(shí)刻點(diǎn)的溫度和任意時(shí)間段的溫度曲線(xiàn).前面板中有多個(gè)指示燈，可直觀(guān)地顯示出各個(gè)硬件的當(dāng)前狀態(tài).若風(fēng)機(jī)或者水泵啟動(dòng)，則相應(yīng)的狀態(tài)指示燈會(huì)點(diǎn)亮.若系統(tǒng)部分硬件出現(xiàn)故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能啟動(dòng)，玻璃上出現(xiàn)凝露現(xiàn)象時(shí)，指示燈將會(huì)點(diǎn)亮，并且蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警.

圖6為數(shù)據(jù)采集與保存程序框圖.系統(tǒng)中通過(guò)VISA Open，根據(jù)Resource Name與指定的設(shè)備建立通信，需在前面板中選擇VISA資源名稱(chēng).由于需要處理不同儀器采集的數(shù)據(jù)，考慮程序的通用性，可在程序前面板中手動(dòng)配置采集卡的參數(shù)，如波特率、奇偶位、流控制等［9］.然后將串口初始化，利用串口寫(xiě)操作函數(shù)(VISA Write)和串口讀操作函數(shù)(VISA Read)給數(shù)據(jù)I/O模塊發(fā)送讀寫(xiě)命令，并能方便地通過(guò)ADAM-4050發(fā)送指令給繼電器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟閉.程序中，在調(diào)用VISA Read之前添加了一個(gè)延時(shí)函數(shù)，這是因?yàn)橄挛坏腁DAM-4117模塊在接收到命令后要用一定的時(shí)間將溫濕度等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，若在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換完成前調(diào)用了串口讀操作函數(shù)，讀取數(shù)據(jù)將會(huì)導(dǎo)致ADAM-4117發(fā)生故障.

數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)后使用LabVIEW進(jìn)行顯示和存儲(chǔ).LabVIEW有強(qiáng)大的文件I/O函數(shù)，可將采集到的數(shù)據(jù)以特定的格式存儲(chǔ)在文檔中.系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用窗體文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄.以測(cè)量日期作為文檔的命名，每天測(cè)量的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)文本文件中.

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控窗口Fig.5 Real-time monitoring window

圖6 數(shù)據(jù)采集與保存程序圖Fig.6 Chart of date acquisition and save

3.2 防凝露控制

系統(tǒng)的控制方式如下:采集模塊實(shí)時(shí)采集廳內(nèi)的空氣溫度T1、濕度Φ以及玻璃內(nèi)表面溫度Tw2，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，程序根據(jù)廳內(nèi)的空氣溫度T1和濕度Φ計(jì)算出廳內(nèi)實(shí)時(shí)露點(diǎn)溫度Td，然后再將Tw2與Td進(jìn)行比較，若Tw2≤Td+1℃，則向開(kāi)關(guān)量控制模塊發(fā)送命令，使風(fēng)機(jī)上的繼電器打開(kāi)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，廳內(nèi)外空氣交換，使廳內(nèi)溫濕度下降，露點(diǎn)溫度降低;若Tw2≥Td+5℃，則將相應(yīng)繼電器關(guān)閉，風(fēng)機(jī)停止工作.程序中需要設(shè)定高低兩個(gè)閾值，二者分別為T(mén)d+5℃和Td+1℃，這樣可以避免繼電器反復(fù)工作，確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

本系統(tǒng)利用LabVIEW自帶的VISA串口函數(shù)以及公式節(jié)點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的采集和對(duì)風(fēng)機(jī)的控制.控制程序流程如圖7.首先打開(kāi)并配置串口，循環(huán)開(kāi)始作一個(gè)采樣延時(shí)，然后向ADAM-4117發(fā)送讀數(shù)命令，等待60 ms即可從ADAM-4117緩存中取出各路數(shù)據(jù)，每一路的原始數(shù)據(jù)為8 bit的16進(jìn)制數(shù).按規(guī)則譯碼后得到相應(yīng)的濕度、溫度等，并將這些數(shù)據(jù)保存到文本文件中，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)廳內(nèi)空氣溫濕度計(jì)算得到實(shí)時(shí)露點(diǎn)溫度.比較玻璃內(nèi)表面溫度值與露點(diǎn)溫度值的關(guān)系，通過(guò)比較之后的結(jié)果判斷是否需要開(kāi)啟風(fēng)機(jī).需要開(kāi)啟時(shí)則將ADAM-4050相應(yīng)控制繼電器的通道的開(kāi)關(guān)量置“1”，無(wú)需開(kāi)啟風(fēng)機(jī)時(shí)則置“0”，從而組合成一條二進(jìn)制的8 bit控制命令，以實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的啟停.最后，若人工選擇停止，則程序退出循環(huán)，關(guān)閉串口并終止運(yùn)行;若無(wú)操作，程序?qū)⒆詣?dòng)等待至下個(gè)10s后進(jìn)入下一次循環(huán).需要注意的是，由于信號(hào)采集存在不可避免的滯后性，為了保證數(shù)據(jù)采集的可靠性或進(jìn)行正確的控制，每次發(fā)送命令和開(kāi)關(guān)量狀態(tài)變化之后都應(yīng)等待合適的時(shí)間后才去讀數(shù)或控制，系統(tǒng)中設(shè)定等待時(shí)間為1s.

圖7 控制程序流程Fig.7 Flow chart of control program

4 運(yùn)行結(jié)果及分析

選取春季某一早晨，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)后，保護(hù)廳內(nèi)空氣溫濕度隨時(shí)間發(fā)生變化.圖8顯示了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后保護(hù)廳內(nèi)部的溫濕度隨時(shí)間變化的情況，可以看出通風(fēng)一段時(shí)間后，保護(hù)廳內(nèi)部溫濕度變化較快，隨后變化越來(lái)越慢，通風(fēng)25 min后，溫度下降到10℃，濕度達(dá)到66%，廳內(nèi)空氣溫濕度已經(jīng)很接近室外空氣的溫濕度，從而預(yù)防了玻璃內(nèi)表面凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生.經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表明，本系統(tǒng)采用通風(fēng)除濕方法［10］，可以實(shí)現(xiàn)遺址保護(hù)廳防凝露的目的.

圖8 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后廳內(nèi)空氣溫濕度隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature and humidity of air indoors at different time when the fan is working

5 結(jié)論

1)本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于某遺址保護(hù)廳中，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)保護(hù)廳凝露現(xiàn)象的預(yù)防，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后證明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行可靠、易于操作等優(yōu)點(diǎn).

2)使用本系統(tǒng)對(duì)遺址保護(hù)廳進(jìn)行防凝露控制，與采用傳統(tǒng)的采用空調(diào)除濕的方法相比，其初期投資成本低、維護(hù)費(fèi)用少，其日常耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用空調(diào)除濕的耗電量.

3)本系統(tǒng)采用串行式的布線(xiàn)方式，并且所采用的數(shù)據(jù)I/O模塊均有剩余未使用的通道，可方便地添加其他硬件設(shè)備，有利于系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí).

4)監(jiān)控軟件采用LabVIEW中的VISA串口通訊編寫(xiě)，而目前市場(chǎng)上的多數(shù)據(jù)采集卡都可利用串口進(jìn)行通訊，所以本系統(tǒng)通用性強(qiáng).將軟硬件作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整之后可應(yīng)用于其他一些需要防凝露設(shè)計(jì)的建筑之中，可移植性好，易于升級(jí)，具有較為廣闊的應(yīng)用性.

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