基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度控制方法

陈雅媛

(黎明职业大学 实验实训部，福建 泉州 362000)

如今，随着科学技术水平的提高，研究者对实训基地实验室环境的要求也在逐渐提高，实训基地实验室环境的质量对科研成果的影响也越来越大[1].但是经过统计分析近几年的科研成果，发现了实训基地实验室环境的温湿度差异造成科研人员身体患病的概率大大增加，甚至在实训基地实验室中，仍然会出现空气质量不达标而发生人员死亡的事件[2].上述这些问题都在时刻提醒实训基地实验室管理人员，控制好实训基地实验室的环境质量，是实训基地亟需解决的重要问题.

温湿度控制技术已经成为现代技术中最重要的成就之一，随着温湿度控制技术的广泛应用，实验室温湿度控制已经成为实训基地实验室管理中的重要组成部分[3].总体来说，与国外水平较高的温湿度控制技术相比，国内的实训基地实验室温湿度控制还存在很多不足和缺陷.科研项目的不同也导致实训基地实验室温度控制的程度不同，因此对实训基地实验室温湿度控制的方法也不同[4].根据电子信息技术的特点，将共享基础数据引入到了实训基地实验室温湿度控制方法设计中，不仅提高了实训基地实验室温湿度控制水平，又带动了科研项目的发展，促进了国内科研项目向国际的转型，具有非常巨大的发展前景和应用价值.

1 实训基地实验室温湿度控制方法设计

1.1 调节实训基地实验室温湿度

由于实训基地实验室内的温湿度会不断变化，可能会导致实验室内的温湿度出现极端现象，调节实验室温湿度可以扩大温湿度控制的范围.在实训基地实验室温湿度调节过程中，显热冷负荷的计算公式如下：

Qs=CpG(tN-ts)

(1)

式(1)中，G表示实训基地实验室的送风量，kg/s；Cp表示实验室内干空气比热，kJ/(kg·℃)；Qs表示实验室内显热冷负荷，kW；tN、ts表示室内温度和送风温度，℃.

在式(1)中，送风温度是一个恒定值，可以通过调节实验室冷冻水阀来进行控制.将实训基地实验室的温度设定为Ts，然后采用风量控制器来控制风量送入实验室的风量，使实验室将显热量吸收，完成对实训基地实验室温度的调节.实训基地实验室温度调节控制原理图如图1所示.

图1 实训基地实验室温度调节控制原理图

图2 实训基地实验室湿度调节控制原理图

伴随实训基地实验室舒适度的倡导，控制实验室湿度也越来越重要.实验室相对湿度与温度之间存在着一定的耦合现象，实验室相对湿度值对室内温度是非常敏感的，当实验室相对湿度达到90%、实训基地实验室的环境温度偏差为1 ℃时，实验室内相对湿度的变化结果最高可以达到5%[5].但是实验室内绝对湿度与室内温度之间并不存在此现象，针对这一情况，本文引入了基于共享基础数据的绝对湿度，它可以反映出实验室内湿空气中含有水蒸气的质量.当实验室温度不发生改变时，绝对湿度的变化会引起室内相对湿度的变化，基于共享基础数据的绝对湿度可以表示为：

(2)

式(2)中，V表示实训基地实验室内的空气体积，m3；ρ表示实验室内的空气密度，kg/m3；dv表示实验室内空气的绝对湿度，g/m3；W表示室内水蒸气量，kg；dvs表示实验室送风的绝对湿度，g/m3.

实训基地实验室湿度调节控制原理如图2所示.

本文是在共享基础数据的基础上，调节的实训基地实验室的温湿度，采用串级双闭环来控制实验室内的湿度，通过调节送风露点的温度来实现实验室温度的控制，完成了实训基地实验室温湿度的调节.

1.2 构建实训基地实验室温湿度控制模型

在实训基地实验室环境控制中，实验室的建模是非常关键的，而实验室内的不同变量之间会相互影响、控制和耦合，在这种复杂的情况下建立一个精确的控制模型是很难的[6]，因此将共享基础数据应用到了实验室温湿度控制模型的构建中，增加实验室温湿度的控制范围.

在不同的实验室，由于气候的不同，温湿度控制模型的构建也是不同的.本文建立的温湿度控制模型，忽视实验室内空气的热交换，通过实训基地实验室覆盖层交换的热量为：

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

(3)

式(3)中，Tin表示实验室内温度，℃；Tout表示实验室外部的温度，℃；hc表示实验室内覆盖层与气体的换热系数，J·m-2·℃-1；Ac表示实验室覆盖层的面积，m2.

实验室通风时，室内与室外的热量交换为：

Q=ρCρ(Tout(t)-Tin(t))Vin(t)

(4)

式(4)中，ρ表示实验室内空气密度，取值为1.2 kg/m3；Cρ表示实验室内气体定比热容，取值为1.005 J/(kg·℃)；Vin表示实验室内的自然通风率，m3/s.

实验室内气体吸收的热量被定义为固定的函数，由实验室内加热器的数量和启动数量有关，加热装置吸收的热量为：

(5)

根据上述对实训基地实验室内的三个变量分析，可以得到实验室内温度控制模型为：

(6)

根据实训基地实验室内水分的损失和产生，需要在共享基础数据的基础上，建立一个室内湿度控制模型.假设实验室内空气混合均匀，那么湿度就是根据实验室内水汽含量的变化而决定的[7].

科研实验过程中产生的水汽量为：

(7)

式(7)中，Δ表示水蒸气压的曲线斜率；Rn表示实验室表面的净辐射量；es(T)表示T℃下的饱和水汽压；e表示实验室内的实际水汽压；rs表示气孔阻力；γ表示实验室内水蒸发的系数.

实验室通风时，室内水汽的损失量为：

(8)

式(8)中，φvent表示实验室内的通风量；Wout、Win表示实训基地实验室覆盖层前后的含湿量；Ag表示实验室的地表面积.

通过上述实验室内湿度参数的分析，可以得到实训基地实验室湿度控制模型为：

(9)

上述在共享基础数据的基础上，分析了实训基地实验室内的三个温度变量，构建了实验室温度控制模型，根据实训基地实验室内水分的损失和产生，分析了实验室内产生的水汽量和水汽的损失量，构建了实验室湿度控制模型，从而完成了实训基地实验室温湿度控制模型的构建；接下来通过实验室温湿度控制值的确定，来实现实验室温湿度的控制.

1.3 确定温湿度控制值

在对实验室温湿度控制之前，必须先确定实验室的温湿度控制值，在控制值内增加温湿度的控制范围.现在倡导的舒适性实训基地实验室并不是要求室内空气状态控制在一个固定点，而是控制在一定范围内[8].当前倡导舒适性与温湿度相统一，所以在实训基地实验室温湿度控制过程中，如果实验室外的空气状态很低或很高时，实验室内的温湿度控制值可以参考舒适度的上、下限.如果温湿度控制值在舒适度范围内，在控制过程中采用最大的进风量，这样可以在实验室达到舒适度的前提下，实现实验室温湿度的控制.

在共享基础数据的背景下，实训基地实验室温湿度控制过程中，如果控制值从26 ℃升高到28 ℃时，实验室内的负荷能大约下降21%～23%左右，因此确定实验室温湿度控制值，可以保证实验室的舒适度[9].实验室内相对湿度随温度的变化关系如图3所示.

图3 实验室内相对湿度随温度的变化关系图

图4 测点布置示意图

从图3中可以看出，实验室温湿度采集来源于高温、高湿的实验室，当实验室内温度高于38 ℃时，与之对应的相对湿度在75%左右.采用共享基础数据来控制实验室的温湿度，最后将实训基地实验室的温度控制值设定为12 ℃[10].但是在实验室温湿度控制过程中，随着室内温度的降低，相对湿度会不断增大，由于实验室里会摆设各种实验器材和实验材料，导致室内的空气湿度较大，当室内温度降低到25 ℃时，可以将实验室内的相对湿度控制在92%左右，这时实验室的湿度值可以满足实验环境要求，以后随着温度的降低，实验室的湿度基本处于稳定状态，因此最后将实训基地实验室的湿度控制设定为92%.

综上所述，基于共享基础数据计算了实验室显热冷负荷，根据实训基地实验室温度调节控制原理，调节了实验室的温度，通过计算实验室的相对湿度，得到了实验室湿度控制原理，完成了实验室湿度的调节；通过分析实训基地实验室内的三个温度变量，构建了实验室温度控制模型，由于实训基地实验室内水分的损失和产生，分析了实验室内产生的水汽量和水汽的损失量，完成了实验室湿度控制模型的构建；最后在共享基础数据的基础上，确定了实验室内温湿度的控制值，实现了基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度的控制.

2 实验测试分析

2.1 选择测试仪器

实训基地实验室温湿度控制范围测试仪器主要有温湿度计和红外测温仪.温湿度计主要是用来测量实训基地实验室内空气的温湿度，还具有非常强大的温湿度记忆功能；红外测温仪具有使用方便的优点，可以调节发射率，此处主要用于实验室地板和室内温度的测量，将红外测温仪的发射率设置为0.95，两种仪器的主要性能参数如表1所示.

表1温湿度计和红外测温仪的性能参数

2.2 测试内容

实训基地实验室温湿度控制范围实验的测试地点选择一间大约40 m2的实验室，实验室内温度为21.3 ℃，相对湿度为58%.在这种相对湿度的条件下，就可以对实验室内的温湿度控制范围进行测试.

根据实验室内的温度，将实验室的温度设定为24 ℃，供回水温度设置成25 ℃，选择的实验室内温度是缓慢上升的，如果将室内温度设置成30 ℃，在测试过程中的温度达不到30 ℃，因此将实验室内温度设置为40 ℃.

由于实训基地实验室内不同位置的温度可能是不同的，所以在测试之前，先对实验室进行测点布置.测点布置示意图如图4所示.

在实验室内布置4个具有代表性的测试点A、B、C、D，A点在实验室的正中间位置，B点位于实验室的过道处，C点设置成靠近门窗的位置，D点设置在实验室的角落处，布置完成后开始测试.测试开始后，每隔2 min采用测温仪进行一次测量，并做好记录.

图5 实验室温度控制范围对比结果

2.3 实验结果分析

采用上述的测试内容，得到了下列测试结果.如图5所示.

从测试结果中可以看出，两种温湿度控制方法在实验室温湿度控制范围上差别很大，采用传统实验室温湿度控制方法，在B点的控制范围是最大的，可能是因为B点处于实验室的正中间，外部因素对测试的干扰较小，4个测试点的温度控制范围最大为15 ℃，湿度控制范围最大为30%；而采用基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度控制方法，只有在C点的控制范围是最小的，其他三个测试点的温度、湿度控制范围都超过了30 ℃、60%，4个测试点的温度控制范围最大为45 ℃，湿度控制范围最大为90%.因此可以得出基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度控制方法的控制范围大.

3 结束语

本文提出了基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度控制方法.基于共享基础数据计算了实验室显热冷负荷，调节了实验室的温度，通过实验室湿度控制原理，完成了实验室湿度的调节；在分析实训基地实验室内的三个温度变量的前提下，构建了实验室温度控制模型，由于实训基地实验室内水分的损失和产生，分析了实验室内产生的水汽量和水汽的损失量，完成了实验室湿度控制模型的构建；最后在共享基础数据的基础上，确定了实验室内温湿度的控制值，实现了基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度的控制.测试结果显示，基于共享基础数据的实训基地实验室温湿度控制方法与传统温湿度控制方法相比，温湿度控制范围更广.