汪寧 ，林煜琛 ，張學(xué)軍*

（1-浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江杭州 310027；2-浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027）

0 引言

由于缺乏有效的文物環(huán)境保護(hù)方法，許多文物自發(fā)掘以來(lái)逐漸受破壞損毀[1-3]，造成難以估量的損失[4]?？梢?jiàn)，博物館文物保存環(huán)境的控制系統(tǒng)亟需優(yōu)化。多方面的研究表明，空氣相對(duì)濕度對(duì)文物的生物、化學(xué)和物理作用產(chǎn)生直接影響[5-6]，因此，合適的濕度環(huán)境對(duì)于文物的保存和展覽至關(guān)重要。

目前，獨(dú)立展柜主要采用小型獨(dú)立恒濕處理系統(tǒng)營(yíng)造恒濕環(huán)境，其中運(yùn)用最廣泛的除濕技術(shù)是冷卻除濕，適用范圍廣、除濕效果好且成本低。但是若采用傳統(tǒng)的制冷機(jī)作為冷卻除濕冷源，存在維護(hù)復(fù)雜、制冷劑不環(huán)保和耗電量大的不足[7-8]。目前研究主要針對(duì)采用新型制冷技術(shù)作為除濕冷源，如半導(dǎo)體制冷、擴(kuò)散吸收式制冷等制冷技術(shù)，其中研究最多的是半導(dǎo)體制冷。加拿大某公司早在1984 年生產(chǎn)了第一臺(tái)半導(dǎo)體恒濕控制系統(tǒng)，并在皇家安大略博物館首次使用。VIáN等[9]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)常規(guī)壓縮制冷系統(tǒng)，采用兩級(jí)半導(dǎo)體制冷實(shí)現(xiàn)冷卻除濕的應(yīng)用前景更好。鄭愛(ài)平[10]基于半導(dǎo)體制冷設(shè)計(jì)了一種展柜，很好地保存了華盛頓總統(tǒng)的委任狀。國(guó)內(nèi)某博物館[11]采用小型恒濕機(jī)為小型桌柜提供穩(wěn)定恒濕環(huán)境，并通過(guò)正壓無(wú)回風(fēng)的送風(fēng)方式。該恒濕機(jī)系統(tǒng)利用空氣與水箱中的水進(jìn)行熱質(zhì)交換達(dá)到恒濕要求，水溫由制冷系統(tǒng)和加熱器控制。劉樹(shù)林等[12]結(jié)合半導(dǎo)體制冷和單片機(jī)控制技術(shù)，為文物展柜設(shè)計(jì)了一種空氣處理裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)空氣過(guò)濾、加濕和除濕功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)70 m3的展柜，在外環(huán)境相對(duì)濕度大于60%時(shí)，該系統(tǒng)可在一小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度0.6%的下降。韓耀明[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了在恒溫恒濕小空間內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體制冷除濕的影響因素，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化提高了除濕效率。田茹等[14]介紹了一種新型恒溫恒濕箱，通過(guò)改變半導(dǎo)體輸入功率，精確實(shí)現(xiàn)了加熱、制冷和除濕功能。楊小玲等[15]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于半導(dǎo)體制冷的控濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度維持在60%～90%范圍內(nèi)，并且相對(duì)濕度的精度為±3%。陳香玉[16]設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷結(jié)合離子風(fēng)扇的文物展柜恒濕系統(tǒng)，并通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)研究了展柜的恒濕特性。王恒旭[17]針對(duì)基于擴(kuò)散吸收式制冷的恒濕展柜控制系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)展柜相對(duì)濕度連續(xù)可控在40%～75%，且波動(dòng)值能控制在2%。該系統(tǒng)對(duì)于制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)布置有要求，大規(guī)模生產(chǎn)存在一定的限制。綜上所述，目前獨(dú)立展柜的除濕主要以半導(dǎo)體制冷為冷源，但該方式存在制冷量較低[18-19]，僅適合用于體積較小的展柜文物保存的不足。另外，半導(dǎo)體制冷技術(shù)熱端散熱要求較高[20-22]，耗電較大，一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

針對(duì)目前采用半導(dǎo)體等制冷技術(shù)作為除濕冷源存在的不足，基于斯特林制冷機(jī)制冷量大，制冷效率高、制冷劑環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[23-24]，本文設(shè)計(jì)搭建了一臺(tái)基于斯特林制冷的恒濕獨(dú)立展柜裝置，并在不同工況下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，探究其恒濕的動(dòng)態(tài)特性。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 裝置設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足小型文物獨(dú)立展柜的適用性要求，所設(shè)計(jì)的恒濕裝置需在具備空氣恒濕調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)緊湊且體積小巧，搬運(yùn)便利。本文設(shè)計(jì)的恒濕獨(dú)立展柜設(shè)備主要由斯特林制冷機(jī)、加熱棒、風(fēng)機(jī)、水箱換熱器和展柜等部件組成，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 恒濕獨(dú)立展柜設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的恒濕通過(guò)控制制冷機(jī)和加熱棒來(lái)控制，具體原理如下：除濕時(shí)，制冷機(jī)對(duì)水箱內(nèi)水進(jìn)行降溫，流經(jīng)的空氣與降溫后的水進(jìn)行換熱，空氣溫度被降低，低于露點(diǎn)溫度時(shí)即發(fā)生冷凝，從而達(dá)到除濕目的。系統(tǒng)的加濕原理即通過(guò)加熱棒加熱提高水溫，進(jìn)而提高水面的水蒸氣分壓力，加快水面水蒸氣的蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)空氣流經(jīng)水面被加濕。

1.2 設(shè)備選型

恒濕獨(dú)立展柜通過(guò)制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)除濕功能，對(duì)于系統(tǒng)所用的斯特林制冷機(jī)，需同時(shí)滿(mǎn)足以下三個(gè)階段的制冷量需求：1）啟動(dòng)階段，在除濕前一定時(shí)間內(nèi)，制冷機(jī)需將水箱換熱器內(nèi)水溫冷卻至空氣露點(diǎn)溫度以下，為系統(tǒng)除濕做準(zhǔn)備；2）除濕階段，從展柜開(kāi)始除濕至穩(wěn)定過(guò)程中，一定時(shí)間內(nèi)需將展柜內(nèi)初始相對(duì)濕度處理到目標(biāo)值；3）恒濕階段，系統(tǒng)維持在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，需補(bǔ)償展柜對(duì)外環(huán)境的漏濕。

三階段的制冷量需求計(jì)算如式(1)～式(4)所示：

啟動(dòng)階段：

除濕階段：

恒濕階段：

式中，Q為制冷量，W；ρa(bǔ)ir和ρwater分別為空氣和水的密度，kg/m3；Vwater為水箱的體積，m3；水箱的長(zhǎng)寬高尺寸為217 mm×18 mm×78 mm；c為水的比容，J/(kg·℃)，取4 200 J/(kg·℃）；t1、t2為分別為初始水溫和終態(tài)水溫，℃；τ為時(shí)間，s；Vcabinet為展柜內(nèi)空氣體積，m3；i1和i2分別為展柜內(nèi)空氣初始和目標(biāo)焓值，kJ/kga；m為展柜外部向內(nèi)泄漏的水分質(zhì)量，kg/s；di和do為展柜內(nèi)外空氣含濕量，g/(kg 干空氣)；n為展柜的換氣率，d-1，取48 d-1；r為水的潛熱，取2 260 kJ/kg。

在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，設(shè)定制冷機(jī)需在10 min內(nèi)將水溫從20 ℃降至7 ℃，同時(shí)考慮到水箱漏熱，給定冗余量1.2。在除濕階段，取夏季極端工況計(jì)算最大所需制冷量，假定展柜外環(huán)境溫濕度分別為20 ℃和90%，展柜內(nèi)初始溫濕度與展柜外保持一致，展柜內(nèi)目標(biāo)溫濕度為20 ℃和40%，設(shè)置系統(tǒng)須在10 min 內(nèi)將展柜內(nèi)初始濕度除濕到目標(biāo)相對(duì)濕度。綜上分析計(jì)算，為滿(mǎn)足展柜高效率除濕要求，所選制冷機(jī)的制冷量需同時(shí)滿(mǎn)足啟動(dòng)階段、除濕階段和穩(wěn)定階段展柜的除濕要求。依據(jù)計(jì)算，三個(gè)階段中設(shè)備所需的制冷量最大需34 W，因此，本實(shí)驗(yàn)選取華自由活塞式斯特林制冷機(jī)作為除濕冷源。

為保證展柜恒濕性能，選擇防水型風(fēng)機(jī)，最大流速可達(dá)到0.8 m3/min，可滿(mǎn)足展柜的循環(huán)風(fēng)量需求。本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量設(shè)備分別是溫濕度傳感器和鉑電阻溫度計(jì)，其中展柜內(nèi)溫濕度測(cè)量將傳感器置于展柜中央，模擬博物館中文物存放的位置，外環(huán)境溫濕度測(cè)量將傳感器放在距離展柜20 cm 處。

1.3 裝置搭建

根據(jù)設(shè)計(jì)的恒濕獨(dú)立展柜系統(tǒng)，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2 所示，整體實(shí)驗(yàn)裝置主要包括獨(dú)立展柜和恒濕機(jī)裝置。獨(dú)立展柜上部分為透明玻璃結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬高尺寸為600 mm×600 mm×1 000 mm，厚度為10 mm，文物展覽區(qū)一般位于展柜底面的中心位置。為了避免循環(huán)空氣串流，展柜空氣系統(tǒng)的送回風(fēng)口分別布置在展柜底面的對(duì)角線上；獨(dú)立展柜的下部分為恒濕機(jī)設(shè)備的安裝空間，為節(jié)省安裝空間，方便實(shí)驗(yàn)布置及觀察，將恒濕機(jī)裝置分別布置在由亞克力有機(jī)玻璃板制成的上下兩層空間內(nèi)，整體裝置布置整齊，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 獨(dú)立展柜整體結(jié)構(gòu)

恒濕機(jī)裝置主要由控制器、傳感器、制冷機(jī)和水箱換熱器組成，其中制冷機(jī)與水箱換熱器連接，置于亞克力板的下層空間，如圖3(b)所示，水箱為不銹鋼材質(zhì)，外面覆蓋保溫棉以減少漏熱，水箱進(jìn)出口分別采用風(fēng)管與展柜連接進(jìn)行空氣循環(huán)；恒濕機(jī)裝置的其他部分置于亞克力板的上層，主要包括兩個(gè)分別測(cè)量展柜內(nèi)外溫濕度的傳感器、測(cè)量水溫的鉑電阻、PLC 的CPU 與輸入模塊EM231、電源等部分。各部件間的連線通過(guò)軋帶固定在亞克力板預(yù)留的間縫里。

圖3 恒濕機(jī)結(jié)構(gòu)

1.4 誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差主要源于隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，其中本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)在儀器誤差，考慮到系統(tǒng)的連接組合造成儀器間誤差相互作用影響實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Root-Sum-Square 方法[25]對(duì)儀器總測(cè)量誤差進(jìn)行分析，以溫濕度傳感器為例進(jìn)行分析。

該傳感器溫度和相對(duì)濕度測(cè)量的不確定度：

式中，R為相對(duì)濕度，%。

數(shù)據(jù)采集儀的電流信號(hào)與測(cè)試的溫濕度成線性關(guān)系，其測(cè)得溫濕度不確定度為0.08 %。因此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫濕度的總不確定度分別為：

溫度不確定度：

相對(duì)濕度不確定：

式中，δG為數(shù)據(jù)采集儀的不確定度。

隨機(jī)誤差指在測(cè)試條件保持一致情況下，對(duì)同一物理量的多次等精度測(cè)量時(shí)，不確定因素干擾產(chǎn)生的測(cè)量誤差。該誤差存在隨機(jī)性，服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)基于貝塞爾法[26]對(duì)傳感器測(cè)量進(jìn)行誤差分析，同樣以溫濕度傳感器為例，取某一實(shí)驗(yàn)工況環(huán)境，保持測(cè)試環(huán)境不變，固定傳感器位置，每5 min 測(cè)一次數(shù)據(jù)，共計(jì)16 次，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算16 次測(cè)量的平均值和偏差j，根據(jù)下式分別求出溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1 ℃和1.4%。

因此，測(cè)試結(jié)果為：

依據(jù)上式，本實(shí)驗(yàn)工況在置信度為99.7%時(shí)，溫度和相對(duì)濕度的隨機(jī)誤差分別為(13.3±0.3) ℃和(49.9±4.2)%。通過(guò)上述計(jì)算分析可得，本文實(shí)驗(yàn)裝置所用儀器的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明了數(shù)據(jù)測(cè)量采集的有效性。

1.5 控制策略

實(shí)驗(yàn)中，PLC 控制器共有2 個(gè)輸出信號(hào)，包括一個(gè)模擬量輸出和一個(gè)數(shù)字量輸出，分別用于控制斯特林制冷機(jī)和加熱棒。同時(shí)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Agilent 數(shù)據(jù)采集儀對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保存，整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在布置恒濕獨(dú)立展柜實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，分別布置有大型空氣處理機(jī)組和柜式空調(diào)機(jī)，用于為實(shí)驗(yàn)營(yíng)造不同的展柜外環(huán)境。該空氣處理機(jī)組是基于雙回路表冷器的溫濕度解耦獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)[27]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣的加熱/降溫、加濕/除濕功能，并且整體能耗較低。柜式空調(diào)機(jī)可用于實(shí)現(xiàn)展柜外環(huán)境的溫濕度在設(shè)定值上下呈規(guī)律性變化，以模擬獨(dú)立展柜實(shí)際應(yīng)用環(huán)境變化，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供需要的工況調(diào)節(jié)。

圖4 恒濕展柜實(shí)驗(yàn)裝置

由于恒濕控制的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)采用PID 方法實(shí)現(xiàn)。確定濕度控制方案時(shí)，考慮到斯特林制冷機(jī)使用效率和壽命，開(kāi)機(jī)后的制冷機(jī)需10 min 內(nèi)逐漸升高輸入功率。由于空氣加濕（除濕）過(guò)程的起點(diǎn)是以水面溫度高于（低于）空氣露點(diǎn)溫度為界限，因此，為提高加濕（除濕）效率，控制風(fēng)機(jī)在水面溫度高于（低于）空氣露點(diǎn)溫度時(shí)開(kāi)啟。綜合上述控制思路，確定具體控濕策略，如圖5 所示。由圖5 可知：根據(jù)反饋值計(jì)算相對(duì)濕度誤差，判斷誤差小于0.5%時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)，為保護(hù)制冷機(jī)，根據(jù)計(jì)時(shí)的時(shí)長(zhǎng)，如果系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)間小于5 min，賦給制冷機(jī)輸出控制信號(hào)AQW0 的值為1 000，如果時(shí)間在5～10 min 內(nèi)，給AQW0 賦值3 000，如果時(shí)間大于10 min，即可直接進(jìn)入PID 運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果賦值A(chǔ)QW0。當(dāng)相對(duì)濕度誤差大于0.5%時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入加濕狀態(tài)，通過(guò)PID 計(jì)算輸出控制加熱棒對(duì)水箱升溫，實(shí)現(xiàn)空氣加濕。

圖5 恒濕控制流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述控制策略，對(duì)展柜恒濕控制進(jìn)行多次調(diào)試，最終確定斯特林制冷機(jī)的PID 參數(shù)分別為-10、10 和0.08；加熱棒控制PID 參數(shù)為20、10 和0.08。接下來(lái)將基于調(diào)試的參數(shù)對(duì)除濕和加濕兩種工況下分別開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)上述控制策略切換運(yùn)行加熱棒和制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)恒濕，下文的除濕工況和加濕工況主要指在整體恒濕控制中除濕或加濕過(guò)程為主。

2.1 除濕工況

根據(jù)上述控制策略和PID 參數(shù)，在除濕工況下對(duì)展柜恒濕特性開(kāi)展研究，控制展柜外初始溫濕度分別為20.6 ℃和70.4%，展柜內(nèi)初始溫濕度為21.2 ℃和71.9%，相對(duì)濕度設(shè)為60%，過(guò)程中改變展柜外環(huán)境，調(diào)節(jié)過(guò)程中溫濕度變化如圖6所示。由圖6 可知：展柜內(nèi)相對(duì)濕度約在45 min達(dá)到目標(biāo)值，之后在目標(biāo)值上下浮動(dòng)，波動(dòng)范圍在±0.8%內(nèi)，對(duì)應(yīng)水溫在10 ℃。當(dāng)外界相對(duì)濕度從約64%陡升到約78%時(shí)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度隨外界變化上升，上升幅度約達(dá)4%，但系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，約50 min 后重新達(dá)到目標(biāo)值，對(duì)應(yīng)最低水溫約3.7 ℃。之后在外界高濕環(huán)境下，展柜內(nèi)相對(duì)濕度保持在目標(biāo)值附近波動(dòng)。當(dāng)展柜外相對(duì)濕度從70%上升到約80%再下降至55%時(shí)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度也存在較小的先上升再下降的幅度，但均在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，并在外界較低相對(duì)濕度環(huán)境下，保持穩(wěn)定。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，展柜內(nèi)溫度變化不大，主要隨展柜外溫度變化趨勢(shì)變化。因此在展柜外環(huán)境變化時(shí)，采用上述控制方式和調(diào)節(jié)參數(shù)可較好實(shí)現(xiàn)展柜內(nèi)恒濕。

圖6 除濕整定過(guò)程中溫濕度變化

進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，觀察全天候高濕工況下，展柜內(nèi)的除濕效果，實(shí)驗(yàn)中保持展柜外環(huán)境相對(duì)濕度在74%～80%變化，展柜內(nèi)相對(duì)濕度目標(biāo)值為60%，觀察自系統(tǒng)開(kāi)啟后700 min 內(nèi)的溫濕度變化情況，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 展柜外高濕工況下控濕效果

由圖7 可知：在高濕工況下，系統(tǒng)在50 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在±1%以?xún)?nèi)，穩(wěn)定狀態(tài)下保持系統(tǒng)持續(xù)工作狀態(tài)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度不受展柜外環(huán)境變化影響，水溫保持在約7 ℃；并且，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界溫度存在+2 ℃波動(dòng)時(shí)，展柜內(nèi)溫度保持18 ℃穩(wěn)定，這是由于斯特林制冷量大，在除濕過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)展柜內(nèi)溫度進(jìn)行小幅降溫，減弱了展柜外小幅升溫的影響。

為進(jìn)一步探究系統(tǒng)在除濕狀態(tài)下展柜內(nèi)溫度變化情況，控制展柜外溫度保持穩(wěn)定，開(kāi)啟系統(tǒng)的除濕狀態(tài)，觀察展柜內(nèi)氣溫及水溫變化，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知：展柜外的空氣溫度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)對(duì)展柜進(jìn)行除濕時(shí)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度從75%降到62%，對(duì)應(yīng)水溫從約12 ℃降至0 ℃。展柜內(nèi)空氣溫度隨水溫下降，降幅約1 ℃，這主要是因?yàn)樗固亓种评錂C(jī)的制冷量較大，除濕的同時(shí)可承擔(dān)部分的展柜熱負(fù)荷，用于減緩?fù)饨绛h(huán)境波動(dòng)的影響。

圖8 除濕工況參數(shù)變化（展柜外氣溫不變）

為研究在除濕過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外界溫度波動(dòng)影響的延緩程度，保持展柜外環(huán)境溫度上升，觀察除濕過(guò)程中展柜內(nèi)空氣的溫度變化，結(jié)果如圖9所示。由圖9 可知：系統(tǒng)對(duì)展柜進(jìn)行除濕時(shí)，展柜內(nèi)相對(duì)濕度從62%降到50%，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定時(shí)水溫約2 ℃，此時(shí)展柜外的空氣溫度持續(xù)上升，升幅約為2 ℃，但展柜內(nèi)空氣溫度呈先上升再下降再上升狀態(tài)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，水溫高于展柜內(nèi)空氣的干球溫度，空氣被加熱，當(dāng)水面溫度低于空氣干球溫度后，展柜內(nèi)空氣逐漸降溫，由于受展柜外升溫的影響，內(nèi)部氣溫逐漸升高，但升幅相對(duì)較小，在觀察周期內(nèi)升幅小于0.5 ℃。因此，可以得出，系統(tǒng)在除濕工況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)展柜內(nèi)空氣的小幅度降溫，一定程度上可減緩展柜升溫的影響。

圖9 除濕工況參數(shù)變化（柜外氣溫變化）

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)[15, 17]，選取與本文工況相近的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比采用斯特林制冷機(jī)、半導(dǎo)體制冷機(jī)和擴(kuò)散吸收式制冷機(jī)對(duì)展柜的除濕效果，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：采用斯特林制冷為冷源，達(dá)到穩(wěn)定后波動(dòng)范圍最小，擴(kuò)散吸收式制冷次之，半導(dǎo)體制冷最低，日波動(dòng)范圍不超過(guò)5%，均在文物展柜波動(dòng)范圍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。并且，對(duì)比展柜體積和冷源尺寸可以發(fā)現(xiàn)，若換算成相等展柜體積，原半導(dǎo)體尺寸體積需增加為原來(lái)的3 倍，而斯特林的尺寸相對(duì)另外兩種冷源緊湊較多。因此，斯特林制冷用于獨(dú)立展柜除濕具備結(jié)構(gòu)緊湊、控制精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

表1 不同冷源除濕效果對(duì)比

2.2 加濕工況

基于上述的控制策略及調(diào)試參數(shù)，針對(duì)目標(biāo)加濕工況開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中控制展柜外相對(duì)濕度在30%～57%波動(dòng)，且變化較大，設(shè)置展柜內(nèi)目標(biāo)相對(duì)濕度為60%，調(diào)節(jié)過(guò)程中溫濕度變化如圖10所示。

圖10 加濕整定過(guò)程中溫濕度變化

由圖10 可知：在系統(tǒng)控濕作用下，展柜內(nèi)相對(duì)濕度約在時(shí)間為40 min 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后在59.4%～60.2%波動(dòng)，水溫約在11～14 ℃波動(dòng)。另外，在實(shí)驗(yàn)期間，展柜外相對(duì)濕度存在兩次較大的變化，但展柜內(nèi)相對(duì)濕度并沒(méi)有受到影響，說(shuō)明系統(tǒng)的加濕效率高，不受展柜外變化影響，這是因?yàn)榧訜岚舻募訜嵝氏鄬?duì)較高。

進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，觀察低濕工況下，展柜內(nèi)的加濕效果，實(shí)驗(yàn)中保持展柜外環(huán)境相對(duì)濕度穩(wěn)定在60%，展柜內(nèi)相對(duì)濕度目標(biāo)值為80%，觀察自系統(tǒng)開(kāi)啟后200 min 內(nèi)的溫濕度變化情況，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知：展柜外溫濕度在較小波動(dòng)范圍內(nèi)，水溫從約6 ℃升到20 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)展柜內(nèi)相對(duì)濕度從約60%升到目標(biāo)值78.5%，并在接下來(lái)的3 h 內(nèi)保持穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在±0.8%內(nèi)。另外，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)展柜外溫度保持不變時(shí)，展柜內(nèi)溫度存在約1 ℃的增幅，這是因?yàn)榧訚襁^(guò)程水溫上升，高于展柜內(nèi)空氣的溫度時(shí)，空氣流過(guò)水箱與水面進(jìn)行了熱交換，引起了小幅升溫。

圖11 展柜外低濕工況下控濕效果

3 結(jié)論

本文針對(duì)基于斯特林制冷的恒濕獨(dú)立展柜裝置開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，基于設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用PID 切換控制加熱棒和制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)展柜恒濕，分析了在除濕和加濕工況下展柜的動(dòng)態(tài)特性，得到如下結(jié)論：

1）除濕工況下，展柜外環(huán)境變化分別在劇烈和平穩(wěn)兩種情況時(shí)，展柜均能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，波動(dòng)范圍均在±1%以?xún)?nèi)；對(duì)比相似工況下以半導(dǎo)體制冷和擴(kuò)散吸收式制冷為冷源的恒濕展柜特性，發(fā)現(xiàn)以斯特林制冷為除濕冷源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸最小，且穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)范圍為±1%，相對(duì)最小；

2）在除濕過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)展柜內(nèi)空氣溫度存在1 ℃溫降，可用于延緩抵消展柜外溫升對(duì)展柜造成的影響；

3）加濕工況下，展柜內(nèi)相對(duì)濕度受展柜外環(huán)境影響較小，加濕效率相對(duì)較高，穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)范圍在±0.8%內(nèi)。