李楠 常兵 于濤

【摘要】 本文介紹了一款大型智能環(huán)境測試艙，有效測試體積5～30 m3可調(diào)，解決了大型環(huán)境測試艙的凝露問題，可以實現(xiàn)各類家具產(chǎn)品有毒有害揮發(fā)性氣體的整體檢驗。硬件設計中為控制系統(tǒng)預留多項可調(diào)節(jié)功能部件，解決了理論計算與實際調(diào)試的不一致性。對環(huán)境測試艙運行穩(wěn)定后的風速、溫度、濕度及有毒氣體本底值指標進行連續(xù)測試，其各項指標均在國家相關檢驗標準要求以上。

【關鍵詞】 智能環(huán)境測試艙;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

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(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)空氣污染問題也隨之而來。甲醛、氨、TVOC等揮發(fā)有毒有害氣體，會嚴重刺激呼吸道，引起呼吸道水腫、眼刺痛、頭痛、粘膜充血、皮膚過敏等現(xiàn)象。然而，在國家現(xiàn)行的標準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)定的家具檢測項目中，檢測只是針對家具生產(chǎn)原料人造板材，而不是日常生活中所使用的成品家具;在檢測方法上，以成套家具的一小部分板材作為樣品檢測，檢測結(jié)果不能真實反映成品家具所有部位的有害物質(zhì)釋放情況，同時檢驗的取樣過程是破壞性的，這類檢測會給家具行業(yè)造成經(jīng)濟損失。因此，研發(fā)可以整體檢測各類家具有毒有害氣體揮發(fā)的設備十分必要。

1 大型環(huán)境測試艙檢測方法概述

大型環(huán)境測試艙法是以艙體模擬室內(nèi)環(huán)境，將家具放置其中并進行檢測的方法。它是一種最接近日常實際使用狀態(tài)，對有害物質(zhì)釋放量進行測試評價的試驗方法。在檢測要求的試驗條件下（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。這一過程持續(xù)一定時間后，按照相關國家標準規(guī)定采集艙內(nèi)空氣樣品進行檢測，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體積為30 m3的大型智能環(huán)境測試艙，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)量的測定，其工作原理就是依據(jù)上述大型環(huán)境測試艙法。

2 大型環(huán)境測試艙的設計

大型環(huán)境測試艙采用內(nèi)外艙嵌套結(jié)構，環(huán)境艙整體尺寸為長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成。這種設計在調(diào)解溫度、濕度、氣流速度時，可以有效抑制艙內(nèi)室的凝露現(xiàn)象。環(huán)境測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)構設計，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。這種設計避免了傳統(tǒng)艙體有凹凸面和焊縫的弊端。工作原理如圖1所示，為保證機械結(jié)構穩(wěn)定，并促進了內(nèi)艙與嵌套層之間的熱交換，內(nèi)艙外側(cè)設計安裝了不銹鋼翅片組。它不僅能降低能量消耗，同時也減少了溫度達到穩(wěn)態(tài)需要的時間。不銹鋼翅片組可以根據(jù)實際情況適當增加或減少，為控制系統(tǒng)預留調(diào)節(jié)空間[4-5]。

在艙內(nèi)室長度方向的兩側(cè)交錯安裝了循環(huán)風道，共計14個循環(huán)風道，兩側(cè)各7個風道。如圖2所示。每個循環(huán)風道之間都是彼此獨立的，即循環(huán)風道內(nèi)的空氣互不干擾。這種設計是為了更好地整體控制內(nèi)艙氣體流速，使氣流均勻運行。艙內(nèi)設計安裝了移動隔板，為了實現(xiàn)更好的密封效果，隔板四周設置了航空充氣袋。如果隔板需要移動，需先將充氣袋泄氣，隔板沿導軌直線方向移動，并由導軌支撐實現(xiàn)系統(tǒng)機械結(jié)構穩(wěn)定。環(huán)境艙內(nèi)外艙分別都安裝了艙門，由移動隔板分成兩個測試艙，這兩個測試艙可以同時使用。

3 進風量和風速的控制

為了使內(nèi)艙循環(huán)風的風速達到國家相關檢驗標準要求，用柏努利方程進行計算。

新風量增加和排出量相對30 m3體積可以忽略，并假設測試艙內(nèi)氣體質(zhì)量守恒、動量守恒、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)無流動阻力，外部沒有做功效應，即能量損失[∑hf=0]，[We=0]，[P1=P2]，（1）式可簡化為：

按GB 50325-2010附錄B要求，測試艙內(nèi)室風速為0.1～0.3 m/s，按[Z1=0.4] m（距地面高度），[Z2=0.3] m（地面高度+測試艙高），內(nèi)艙上方的14個均壓室均獨立運行，假設其流入內(nèi)艙空氣流速在0.1～0.3 m/s范圍內(nèi)，則對應每個均壓室進入艙內(nèi)室的空氣流量在0.12～0.36 m3/s（每個均壓室的有效面積約1.2 m2，循環(huán)風道橫截面積為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，每個風道風機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。風機的選擇和循環(huán)風道設計時要有余量，避免因空氣流速快，導致噪聲偏大和艙體震動的不利影響[6-7]。

4 基于PID算法的溫濕度控制

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

在溫度控制過程中為避免常見的凝露現(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)艙的設計方案，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1～40 m3的環(huán)境艙測試法中，測試時間長達7～28天;在ASTM E 1333-96（2002）標準中測試時間為16～20小時。因此，溫度控制在1～2小時內(nèi)達到穩(wěn)定即可，控制重點在于溫度的均勻性和穩(wěn)定性。由于大型環(huán)境測試艙體積大，內(nèi)艙中設計了溫度傳感器陣列，控制算法中采用的是這些值的平均值。因此，為了彌補可能出現(xiàn)的個別區(qū)域溫度控制缺陷，系統(tǒng)設計了一個特殊控制部分[9]，即每個傳感器實際測量值與設定溫度值的偏差[e（t）k]，再得出它的一階偏差變化率[Δte（t）k]，由控制系統(tǒng)計算綜合數(shù)值[Uk]，根據(jù)數(shù)值對比得出對該傳感器位置采取的控制補償（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)艙的進風口實時監(jiān)控即可達到良好效果。

5 大型環(huán)境測試艙的性能指標

大型環(huán)境測試艙的實物圖如圖3所示，其內(nèi)部的鏡面設計可以有效避免有毒有害氣體的吸附效應。

環(huán)境艙主要性能運行測試結(jié)果見圖4，圖5。可以看出，樣機在運行1小時后達到工作狀態(tài)，各項運行參數(shù)達到了檢驗標準要求;整個系統(tǒng)于2小時進入穩(wěn)定狀態(tài)，溫度在±1 ℃之間波動，濕度在±4%范圍內(nèi)波動，循環(huán)風速穩(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)境測試艙各項運行參量都達到了目前國家檢驗標準的要求。

系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對艙內(nèi)空氣樣品進行取樣，用去離子水來吸附甲醛，苯類及TVOC由tenax活性炭管吸附，艙內(nèi)有害物質(zhì)本底值測定結(jié)果見表1。從表1可以看出，大型環(huán)境測試艙內(nèi)有害物質(zhì)本底值很低，完全符合目前國家檢驗標準要求。

6 結(jié)論

根據(jù)測試結(jié)果，大型環(huán)境測試艙體積5～30 m3可調(diào);測試艙內(nèi)的溫度、濕度以及艙內(nèi)風速在標準要求范圍內(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?；緷M足現(xiàn)行國家檢驗標準的要求，即可實現(xiàn)對整體家具的甲醛會發(fā)量等項目進行連續(xù)、周期性檢驗。

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