陳雅媛

(黎明職業(yè)大學 實驗實訓部，福建 泉州 362000)

如今，隨著科學技術水平的提高，研究者對實訓基地實驗室環(huán)境的要求也在逐漸提高，實訓基地實驗室環(huán)境的質量對科研成果的影響也越來越大[1].但是經(jīng)過統(tǒng)計分析近幾年的科研成果，發(fā)現(xiàn)了實訓基地實驗室環(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，甚至在實訓基地實驗室中，仍然會出現(xiàn)空氣質量不達標而發(fā)生人員死亡的事件[2].上述這些問題都在時刻提醒實訓基地實驗室管理人員，控制好實訓基地實驗室的環(huán)境質量，是實訓基地亟需解決的重要問題.

溫濕度控制技術已經(jīng)成為現(xiàn)代技術中最重要的成就之一，隨著溫濕度控制技術的廣泛應用，實驗室溫濕度控制已經(jīng)成為實訓基地實驗室管理中的重要組成部分[3].總體來說，與國外水平較高的溫濕度控制技術相比，國內的實訓基地實驗室溫濕度控制還存在很多不足和缺陷.科研項目的不同也導致實訓基地實驗室溫度控制的程度不同，因此對實訓基地實驗室溫濕度控制的方法也不同[4].根據(jù)電子信息技術的特點，將共享基礎數(shù)據(jù)引入到了實訓基地實驗室溫濕度控制方法設計中，不僅提高了實訓基地實驗室溫濕度控制水平，又帶動了科研項目的發(fā)展，促進了國內科研項目向國際的轉型，具有非常巨大的發(fā)展前景和應用價值.

1 實訓基地實驗室溫濕度控制方法設計

1.1 調節(jié)實訓基地實驗室溫濕度

由于實訓基地實驗室內的溫濕度會不斷變化，可能會導致實驗室內的溫濕度出現(xiàn)極端現(xiàn)象，調節(jié)實驗室溫濕度可以擴大溫濕度控制的范圍.在實訓基地實驗室溫濕度調節(jié)過程中，顯熱冷負荷的計算公式如下：

Qs=CpG(tN-ts)

(1)

式(1)中，G表示實訓基地實驗室的送風量，kg/s；Cp表示實驗室內干空氣比熱，kJ/(kg·℃)；Qs表示實驗室內顯熱冷負荷，kW；tN、ts表示室內溫度和送風溫度，℃.

在式(1)中，送風溫度是一個恒定值，可以通過調節(jié)實驗室冷凍水閥來進行控制.將實訓基地實驗室的溫度設定為Ts，然后采用風量控制器來控制風量送入實驗室的風量，使實驗室將顯熱量吸收，完成對實訓基地實驗室溫度的調節(jié).實訓基地實驗室溫度調節(jié)控制原理圖如圖1所示.

圖1 實訓基地實驗室溫度調節(jié)控制原理圖

圖2 實訓基地實驗室濕度調節(jié)控制原理圖

伴隨實訓基地實驗室舒適度的倡導，控制實驗室濕度也越來越重要.實驗室相對濕度與溫度之間存在著一定的耦合現(xiàn)象，實驗室相對濕度值對室內溫度是非常敏感的，當實驗室相對濕度達到90%、實訓基地實驗室的環(huán)境溫度偏差為1 ℃時，實驗室內相對濕度的變化結果最高可以達到5%[5].但是實驗室內絕對濕度與室內溫度之間并不存在此現(xiàn)象，針對這一情況，本文引入了基于共享基礎數(shù)據(jù)的絕對濕度，它可以反映出實驗室內濕空氣中含有水蒸氣的質量.當實驗室溫度不發(fā)生改變時，絕對濕度的變化會引起室內相對濕度的變化，基于共享基礎數(shù)據(jù)的絕對濕度可以表示為：

(2)

式(2)中，V表示實訓基地實驗室內的空氣體積，m3；ρ表示實驗室內的空氣密度，kg/m3；dv表示實驗室內空氣的絕對濕度，g/m3；W表示室內水蒸氣量，kg；dvs表示實驗室送風的絕對濕度，g/m3.

實訓基地實驗室濕度調節(jié)控制原理如圖2所示.

本文是在共享基礎數(shù)據(jù)的基礎上，調節(jié)的實訓基地實驗室的溫濕度，采用串級雙閉環(huán)來控制實驗室內的濕度，通過調節(jié)送風露點的溫度來實現(xiàn)實驗室溫度的控制，完成了實訓基地實驗室溫濕度的調節(jié).

1.2 構建實訓基地實驗室溫濕度控制模型

在實訓基地實驗室環(huán)境控制中，實驗室的建模是非常關鍵的，而實驗室內的不同變量之間會相互影響、控制和耦合，在這種復雜的情況下建立一個精確的控制模型是很難的[6]，因此將共享基礎數(shù)據(jù)應用到了實驗室溫濕度控制模型的構建中，增加實驗室溫濕度的控制范圍.

在不同的實驗室，由于氣候的不同，溫濕度控制模型的構建也是不同的.本文建立的溫濕度控制模型，忽視實驗室內空氣的熱交換，通過實訓基地實驗室覆蓋層交換的熱量為：

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

(3)

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

實驗室通風時，室內與室外的熱量交換為：

Q=ρCρ(Tout(t)-Tin(t))Vin(t)

(4)

式(4)中，ρ表示實驗室內空氣密度，取值為1.2 kg/m3；Cρ表示實驗室內氣體定比熱容，取值為1.005 J/(kg·℃)；Vin表示實驗室內的自然通風率，m3/s.

實驗室內氣體吸收的熱量被定義為固定的函數(shù)，由實驗室內加熱器的數(shù)量和啟動數(shù)量有關，加熱裝置吸收的熱量為：

(5)

根據(jù)上述對實訓基地實驗室內的三個變量分析，可以得到實驗室內溫度控制模型為：

(6)

根據(jù)實訓基地實驗室內水分的損失和產(chǎn)生，需要在共享基礎數(shù)據(jù)的基礎上，建立一個室內濕度控制模型.假設實驗室內空氣混合均勻，那么濕度就是根據(jù)實驗室內水汽含量的變化而決定的[7].

科研實驗過程中產(chǎn)生的水汽量為：

(7)

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

實驗室通風時，室內水汽的損失量為：

(8)

式(8)中，φvent表示實驗室內的通風量；Wout、Win表示實訓基地實驗室覆蓋層前后的含濕量；Ag表示實驗室的地表面積.

通過上述實驗室內濕度參數(shù)的分析，可以得到實訓基地實驗室濕度控制模型為：

(9)

上述在共享基礎數(shù)據(jù)的基礎上，分析了實訓基地實驗室內的三個溫度變量，構建了實驗室溫度控制模型，根據(jù)實訓基地實驗室內水分的損失和產(chǎn)生，分析了實驗室內產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，構建了實驗室濕度控制模型，從而完成了實訓基地實驗室溫濕度控制模型的構建；接下來通過實驗室溫濕度控制值的確定，來實現(xiàn)實驗室溫濕度的控制.

1.3 確定溫濕度控制值

在對實驗室溫濕度控制之前，必須先確定實驗室的溫濕度控制值，在控制值內增加溫濕度的控制范圍.現(xiàn)在倡導的舒適性實訓基地實驗室并不是要求室內空氣狀態(tài)控制在一個固定點，而是控制在一定范圍內[8].當前倡導舒適性與溫濕度相統(tǒng)一，所以在實訓基地實驗室溫濕度控制過程中，如果實驗室外的空氣狀態(tài)很低或很高時，實驗室內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，在控制過程中采用最大的進風量，這樣可以在實驗室達到舒適度的前提下，實現(xiàn)實驗室溫濕度的控制.

在共享基礎數(shù)據(jù)的背景下，實訓基地實驗室溫濕度控制過程中，如果控制值從26 ℃升高到28 ℃時，實驗室內的負荷能大約下降21%～23%左右，因此確定實驗室溫濕度控制值，可以保證實驗室的舒適度[9].實驗室內相對濕度隨溫度的變化關系如圖3所示.

圖3 實驗室內相對濕度隨溫度的變化關系圖

圖4 測點布置示意圖

從圖3中可以看出，實驗室溫濕度采集來源于高溫、高濕的實驗室，當實驗室內溫度高于38 ℃時，與之對應的相對濕度在75%左右.采用共享基礎數(shù)據(jù)來控制實驗室的溫濕度，最后將實訓基地實驗室的溫度控制值設定為12 ℃[10].但是在實驗室溫濕度控制過程中，隨著室內溫度的降低，相對濕度會不斷增大，由于實驗室里會擺設各種實驗器材和實驗材料，導致室內的空氣濕度較大，當室內溫度降低到25 ℃時，可以將實驗室內的相對濕度控制在92%左右，這時實驗室的濕度值可以滿足實驗環(huán)境要求，以后隨著溫度的降低，實驗室的濕度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此最后將實訓基地實驗室的濕度控制設定為92%.

綜上所述，基于共享基礎數(shù)據(jù)計算了實驗室顯熱冷負荷，根據(jù)實訓基地實驗室溫度調節(jié)控制原理，調節(jié)了實驗室的溫度，通過計算實驗室的相對濕度，得到了實驗室濕度控制原理，完成了實驗室濕度的調節(jié)；通過分析實訓基地實驗室內的三個溫度變量，構建了實驗室溫度控制模型，由于實訓基地實驗室內水分的損失和產(chǎn)生，分析了實驗室內產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，完成了實驗室濕度控制模型的構建；最后在共享基礎數(shù)據(jù)的基礎上，確定了實驗室內溫濕度的控制值，實現(xiàn)了基于共享基礎數(shù)據(jù)的實訓基地實驗室溫濕度的控制.

2 實驗測試分析

2.1 選擇測試儀器

實訓基地實驗室溫濕度控制范圍測試儀器主要有溫濕度計和紅外測溫儀.溫濕度計主要是用來測量實訓基地實驗室內空氣的溫濕度，還具有非常強大的溫濕度記憶功能；紅外測溫儀具有使用方便的優(yōu)點，可以調節(jié)發(fā)射率，此處主要用于實驗室地板和室內溫度的測量，將紅外測溫儀的發(fā)射率設置為0.95，兩種儀器的主要性能參數(shù)如表1所示.

表1溫濕度計和紅外測溫儀的性能參數(shù)

2.2 測試內容

實訓基地實驗室溫濕度控制范圍實驗的測試地點選擇一間大約40 m2的實驗室，實驗室內溫度為21.3 ℃，相對濕度為58%.在這種相對濕度的條件下，就可以對實驗室內的溫濕度控制范圍進行測試.

根據(jù)實驗室內的溫度，將實驗室的溫度設定為24 ℃，供回水溫度設置成25 ℃，選擇的實驗室內溫度是緩慢上升的，如果將室內溫度設置成30 ℃，在測試過程中的溫度達不到30 ℃，因此將實驗室內溫度設置為40 ℃.

由于實訓基地實驗室內不同位置的溫度可能是不同的，所以在測試之前，先對實驗室進行測點布置.測點布置示意圖如圖4所示.

在實驗室內布置4個具有代表性的測試點A、B、C、D，A點在實驗室的正中間位置，B點位于實驗室的過道處，C點設置成靠近門窗的位置，D點設置在實驗室的角落處，布置完成后開始測試.測試開始后，每隔2 min采用測溫儀進行一次測量，并做好記錄.

圖5 實驗室溫度控制范圍對比結果

2.3 實驗結果分析

采用上述的測試內容，得到了下列測試結果.如圖5所示.

從測試結果中可以看出，兩種溫濕度控制方法在實驗室溫濕度控制范圍上差別很大，采用傳統(tǒng)實驗室溫濕度控制方法，在B點的控制范圍是最大的，可能是因為B點處于實驗室的正中間，外部因素對測試的干擾較小，4個測試點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數(shù)據(jù)的實訓基地實驗室溫濕度控制方法，只有在C點的控制范圍是最小的，其他三個測試點的溫度、濕度控制范圍都超過了30 ℃、60%，4個測試點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數(shù)據(jù)的實訓基地實驗室溫濕度控制方法的控制范圍大.

3 結束語

本文提出了基于共享基礎數(shù)據(jù)的實訓基地實驗室溫濕度控制方法.基于共享基礎數(shù)據(jù)計算了實驗室顯熱冷負荷，調節(jié)了實驗室的溫度，通過實驗室濕度控制原理，完成了實驗室濕度的調節(jié)；在分析實訓基地實驗室內的三個溫度變量的前提下，構建了實驗室溫度控制模型，由于實訓基地實驗室內水分的損失和產(chǎn)生，分析了實驗室內產(chǎn)生的水汽量和水汽的損失量，完成了實驗室濕度控制模型的構建；最后在共享基礎數(shù)據(jù)的基礎上，確定了實驗室內溫濕度的控制值，實現(xiàn)了基于共享基礎數(shù)據(jù)的實訓基地實驗室溫濕度的控制.測試結果顯示，基于共享基礎數(shù)據(jù)的實訓基地實驗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.