微氣候多參數綜合環境模擬實驗平臺建設

孟慶龍,丁 帥,王 元,李彥鵬,趙 凡,韓文生

(1.長安大學環境科學與工程學院,陜西西安 710054;2.西安交通大學能源與動力工程學院,

陜西西安 710049;3.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室,浙江杭州 310058)

微氣候多參數綜合環境模擬實驗平臺建設

孟慶龍1,3,丁 帥1,王 元2,李彥鵬1,趙 凡1,韓文生1

(1.長安大學環境科學與工程學院,陜西西安 710054;2.西安交通大學能源與動力工程學院,

陜西西安 710049;3.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室,浙江杭州 310058)

設計并建立了近地層微氣候環境模擬實驗平臺。分析了實驗室圍護結構的構造特性,完成了實驗室的溫度模擬系統、日光模擬系統、風速模擬系統、計算機控制系統及圍護結構的硬件建設。以典型環境參數為例,給出部分模擬結果。從模擬結果可以看出,該實驗室設計達到了預期目標。該實驗室的建成,為發生在近地層中各類物理現象的可控模擬提供了全新的實驗平臺。

環境模擬實驗平臺;多參數;微氣候

1 環境模擬是進行模擬實驗的前提和基礎

模擬實驗具有重要的價值,而創造模擬環境是進行模擬實驗的前提和基礎,其本身就是一項有重要意義的科學研究工作。環境模擬技術在不斷解決環境模擬和實驗的研究過程中,形成了獨立的理論體系,其整個發展歷程與環境模擬設備息息相關。

環境模擬設備與實驗技術經歷了由靜態到動態、從單參數到多參數、從產品環境到人機環境的發展過程。目前其發展方向是:建立多參數綜合動態環境模擬系統并進行多參數綜合動態人機系統環境實驗[1]。1949年美國溫特(F.W.Went)教授在加利福尼亞州的帕薩迪納(Pasadena)主持建造了世界上首個環境模擬設施,命名為“phytotron”[2]。建造的主要目的是想在室內再現生物或人類所需的各種自然狀態,并免于外界環境的干擾和影響。這個環境模擬設施的出現對當時的生物科學研究起到了極其重要的推動作用。隨后,環境模擬設施如雨后春筍,廣泛應用于航空、航天、海洋、農業、環境等各個領域,多種不同規模和類型的環境模擬設施相繼建立,這些設施為科學研究提供了實驗研究平臺[3-10]。世界上建成的最具代表性的動態綜合環境模擬設施是建立在美國亞利桑那州的生物圈2號(Biosphere 2)[11-23]。按照設計思想,地球被稱為生物圈1號,生物圈2號是地球的縮影。

采用多參數綜合模擬的方法對近地層微氣候環境進行模擬是一種全新的實驗研究手段。與野外實測相比,在模擬環境中,測量容易且精確。與隨時變化的自然條件不同,在人工模擬環境中可以通過重要變量的系統改變和可控調節,在短時間內取得大量數據,從而大大加快研究進程,更快捷、更準確地獲取我們所關心問題的規律。

為在實驗室中更加準確地實現近地層微氣候環境的模擬,除了在人工條件下實現大氣近地層的風度廓線、溫度層結模擬外,還需要對太陽輻射做出準確的模擬。本文的主要目的就是在充分了解近地層特性的基礎上,使用人工方法實現近地層微氣候環境的綜合模擬。

2 環境模擬實驗室簡介

環境模擬實驗室建筑面積約105 m2,屋面平均高度4.8 m,局部為2層,四周墻體為370 mm磚墻,內側做120 mm聚氨酯材料和瀝青的保溫防潮處理;實驗室整個圍護結構進行了保溫、隔熱、防潮處理。屋面為封閉式屋頂。最初為雙層夾膠玻璃,后經改造,在原有基礎上增設具有100 mm后聚氨酯塑料泡沫夾層的彩鋼板。彩鋼板與原屋頂平面間保留30 mm的空隙,以增加熱阻,且屋頂四周做封閉處理,以防外界氣流進入,進一步增強了保溫性能。

整個實驗室按空間位置分成3部分:實驗區、設備室及觀察控制室,其立體結構示意圖見圖1。

圖1 環境模擬實驗室立體結構示意圖

為構造真實近地層的局部地表環境,實驗中心位置處設有6 280(L)×5 040(W)×1 350(D)的地表構造坑。構造坑側墻及底面采用120 mm聚氨酯保溫,為保護保溫層,保溫層外砌120 mm厚磚墻。實驗區上部設置高度可調的全光譜日光模擬器,為將光源發出的熱量排出室外,模擬器配備了通風降溫系統;設備區由半封閉制冷壓縮機組、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、風機、電加熱器、變頻器等設備組成。這些設備為多參數環境的模擬和實驗研究提供了硬件基礎,統稱為環境控制設備(簡稱“環控設備”);模型實驗區進門設于南側風機側面。實驗區南墻嵌入放置3臺軸流送風風機,風機間隙及兩側均充入聚氨酯發泡加以保溫。風機出口布置有收縮段,以改善氣流速度和均勻特性。該墻體2 600 mm以上至屋頂,利用雙層玻璃做墻體。觀察控制室設在局部二層上(下部為設備室,放置壓縮機、表冷器等),實驗人員通過雙層玻璃窗可對實驗區實驗情況進行實時觀測。北側1 400 mm高度以下亦放置3臺軸流式回風風機,與南墻3臺風機軸線一一對應。

圖2和圖3分別給出了實驗室的上、下部平面示意圖。

圖2 環境模擬實驗室下部平面圖

圖3 環境模擬實驗室上部平面圖

3 環境參數模擬系統

3.1 溫度模擬系統

為了實現外界溫度模擬,需要有相應的溫控設備,即空調系統。在實驗室維護結構保溫設計良好的條件下,實驗室內負荷主要是散熱設備(以日光模擬器為主),因此通常室內需要全年供冷。

環境模擬實驗室對溫度控制精度(±0.5℃)的要求較高,且需要進行室外溫度的動態(如日變化)模擬。溫度控制設備有:1臺制冷機(由2臺壓縮機組成)、2臺風冷式冷凝器、3臺變風量送風機、3組(每組8 k W)除霜用加熱器(兼作溫度模擬加熱器)。送風機由變頻器驅動,實現風速可調,以控制進入實驗區的冷量,實現變風量溫度控制。

經綜合考慮,采用混合式溫度環境模擬系統設計。該混合式空氣調節系統示意圖如圖4所示。通過控制壓縮機和加熱器的臺數對溫度進行粗調,通過風機轉速送風溫度微調和風量的調節,而且可以通過控制新風量來協助進行室內溫度的控制。環境模擬實驗室常用的送風方式有側送側回和全面孔板送風,考慮陣風模擬需要,并兼顧實驗室結構,采用了異側下送下回的氣流組織方式。

圖4 環境模擬實驗室溫度控制設備及位置示意圖

同時,在日光模擬器上方設置局部排風罩將模擬器產生的熱量及時排到室外(風量可按燈數自動調節),使工作區輻照度和溫度同時達到環境模擬指標要求。通過計算排風系統總阻力為230 Pa。排風機選用軸流式高溫排煙風機,其具體參數為:轉速960 r/ min,風量14 865 m3/h,全壓287 Pa,電機功率5.5 k W。為了在工作區實現太陽輻射強度的動態模擬,要求排風罩可跟隨日光模擬器在豎直方向上下移動,因此,排風罩與排風管之間設置了可伸縮防火帆布。另外,排風罩內部為鍍鋅鐵皮,其表面平滑,反射率可達30%,可起到反射日光模擬器余光的效果,從而,可進一步提高地表太陽輻射的目的。

3.2 日光模擬系統

太陽輻射模擬實驗研究是多參數綜合環境模擬實驗室的主要內容和重要組成部分。從模擬對象來分,太陽輻射模擬分為空間和地面2種。本文研究的是地面太陽輻射模擬。

太陽輻射模擬設施可在很多領域應用,如材料實驗、太陽能集熱器性能研究、植物生長實驗的人工太陽房特性研究等。太陽輻射熱量的大小用輻射照度來表示,簡稱輻照度,單位為W/m2。

基于經濟和技術的綜合考慮,西安交通大學環境模擬實驗室設計了一種AM1.5型日光模擬器。

3.2.1 光源

研究選用鏑燈作為日光模擬器的光源。該光源是一種高光效(大于75 lm/W)、高顯色性(大于顯色指數80)、長壽命(至少5 000 h)的新型氣體放電光源。它利用充入的碘化鏑、碘化亞鉈、汞等物質發出其特有的密集型光譜,使燈的發光效率及顯色性大為提高。該光譜接近于太陽光譜,是環境模擬較為理想的光源,文獻[24]對這種新型鏑燈的光譜在波長250～2 500 nm范圍內進行了測試,圖5給出了鏑燈光譜與美國材料與測試協會標準ASTM G173-03[25]中大氣質量為1.5(AM1.5)的太陽光譜相對能量對比結果。

圖5 鏑燈與AM1.5光譜相對能量對比圖

可以看出,該光譜范圍與實際大氣質量1.5的太陽輻射光譜范圍接近,只是在可見光區鏑燈能譜較真實太陽輻射光譜低,在部分紅外區較太陽能譜高。按文獻[26]日光模擬器通用規范對鏑燈進行了評價,結果表明,該鏑燈光源的光譜能量在300～2 500 nm波長范圍內完全可以滿足B級標準的要求。

3.2.2 模擬器構造

日光模擬器平面布置和實物照片分別如圖6和圖7所示。

圖6 燈陣平面布置圖

圖7 全光譜日光模擬器(加排風罩前拍攝)

模擬器由燈陣、燈架與降溫裝置組成。燈陣由188個功率為400 W的反射型鏑燈(DDF400)組成。為了滿足光照均勻性的要求,將燈布置成“梅花狀”,燈的間距為295 mm。模擬器的開啟燈組數量與距地高度是影響輻照面上輻照度的主要因素。因此,為了輻照度模擬需要,將燈陣中的188個鏑燈分為4組,分別為42個(A組)、56個(B組)、48個(C組)、42個(D 組)(圖6中已標示了各燈對應的組號),且通過控制裝置可進行各組燈的單獨開關或燈組的組合開關。所有鏑燈固定于4 500 mm×3 880 mm方形鋼制燈架上。燈架由電動裝置驅動,可在電腦控制下在豎直方向自由升降(速度在±0.5 mm/s～±20 mm/s范圍可調),使模擬器與輻照面的間距在1 000 mm～2 500 mm范圍內可自由調節。在模擬器上方安裝排風罩對模擬器通風降溫,且與模擬器燈架形成一體;通過由變頻器驅動的5.5 k W軸流高溫排煙風機將鏑燈產生的熱量排到室外,且其轉速按節能原則可根據燈數實現“多燈高速,少燈低速”的自動調節。

通過燈數的變化和燈架高度調節,可實現有效輻照面上的輻照度的連續調節,通過控制系統可實現諸如光照日變化的輻照度動態模擬。

3.3 風速模擬系統

實驗室內采用6臺風機來模擬自然環境風。3臺低噪聲軸流風機作為送風機布置在實驗室南側(該3臺送風風機兼作制冷空調系統的送風機);3臺低噪聲軸流風機作為回風機布置在北側,回風管從回風風機后的靜壓箱伸出,沿屋頂下側穿過實驗室連接至送風風機的靜壓箱,形成閉式回路。風機是制造自然風的設備,為得到期望的效果,對其精確控制非常關鍵。對送風機和回風機分別用2臺變頻器驅動,通過計算機可自動調節變頻器頻率來實現風速的自動控制,完成所需自然風效果的模擬。

為使風機出口風速進一步提高,在送風機出口設置一收縮段。收縮段立體示意圖見圖8。

圖8 收縮段三維立體示意圖

收縮段入口尺寸(內徑)為4 480 mm×1 260 mm,收縮段出口(內徑)為3 000 mm×1 260 mm,且出口需要固定阻尼網,收縮段長度為1 400 mm。收縮段的頂面和底面不收縮,2個側面按照維托辛斯基收縮曲線設計[27],其曲線軌跡表達式為

為改善實驗區氣流特性和形成期望的風速廓線,采取增設單層或多層不等高的阻尼網,通過合理布置阻尼網的高度和層數,使模型實驗區風場展向均勻且垂向滿足期望得到的風速廓線。研究表明,氣流通過阻尼網在氣流流動方向上會產生壓降,相對較高的來流速度,其壓降也相對較大,這就使得氣流在通過阻尼網后的速度分布的均勻性得到明顯的改善。而且,阻尼網降低軸向湍流度的效果比降低橫向湍流度的效果要好[28]。一些研究還表明,在使用阻尼網時,如果阻尼網的總損失系數相同,則使用小壓力損失系數的多層網(對單層網而言),對降低湍流度的效果會更好[29-30]。網的層數為1～11層,最常用的是2～3層,過多的層數易產生較大的壓降,造成能量損失,網的粗細為4～24目/cm(10～60目/英寸),最常用的是10～12目/cm(24～30目/英寸)。兩層阻尼網間距應大于50倍網孔寬度或500倍網絲直徑[31],以便把上游的一層網產生的湍流度充分衰減后再進入下游的一層網。網的金屬絲直徑應盡量細小,以減小其本身對氣流的擾動和降低阻力。而且,阻尼網的開孔率應大于0.57,太小的開孔率將引起氣流的不穩定。安裝阻尼網時使網架與紗網的接頭埋在壁面內,以免暴露在外面干擾氣流。

為保證阻尼網能夠充分拉緊,避免阻尼網因受載變形而形成凹凸面,阻尼網先被焊接在預先制成的加工框上,然后固定在角鐵架上。文獻[31]考慮到安裝要求及每一層網后應有一段距離衰減旋渦,指出相鄰兩層網之間應相距20～30 cm。

文獻[29]對單層阻尼網在不同高度時(分別1/4, 1/2,3/4風洞高)的風洞氣流特性做了詳細的研究,結果表明,均勻來流經過阻尼網后,會形成回流區,回流區的大小隨來流速度增大而增加。經過阻尼網的速度會“上翹”一個角度,隨后在阻尼網高度范圍內速度較來流速度要降低,其速降與開孔率呈反比。為在實驗區實現期望的溫度和速度廓線,經過反復嘗試,在收縮段出口處布置3層阻尼網,阻尼網寬度分別為收縮段出口高度的1(8目)、1/2(10目)、1/4(12目)倍,并在收縮段出口處底部布置0.35 m高的多孔板,配合恰當的粗糙元,可實現近地層風速和溫度廓線的模擬。

4 實驗結果與分析

能夠模擬氣象參數日變化快慢的程度,由環控設備的控制能力來決定。這里考慮時間縮尺即用約67 min完成對環境參數日變化的模擬。

4.1 溫度日變化模擬

在進行動態模擬時,將坐標支架放置在模型實驗區中心點處,溫度傳感器1～6沿高度方向由上到下布置,得到的動態溫度日變化模擬結果如圖9所示。圖中溫度6—1距地面高度依次為0.15 m,0.2 m,0.3 m,0.45 m,0.67 m和1 m。

圖9 溫度廓線動態控制結果

4.2 正弦風模擬

正弦風速模擬結果如圖10所示。

圖10 正弦風速控制輸出與設定

自然界中的陣風呈隨機特性。這種隨機信號主要能量集中在低頻范圍內,這里僅模擬隨機信號的基次諧波特性,即正弦信號。圖10給出2種正弦風速模擬的控制結果。圖10(a)和(b)分別給出了周期為240 s、480 s的正弦風速信號。由圖可見,在控制器的作用下,實現了期望值的跟蹤。對于其他周期、振幅的正弦風速信號或任意動態期望風速,均可通過控制界面設定,并啟動控制器,實現期望風速的模擬。

4.3 動態輻照度模擬

利用日光模擬控制器控制模擬器距離輻照面的距離和模擬器的燈組,進行輻照度日變化模擬。圖11 (a)、(b)和(c)分別給出了陰天、多云天氣以及晴天情況下對應的低、中、高3種輻照度動態模擬結果。

圖11 動態輻照度模擬

4.4 日變化綜合模擬

開始模擬前將實驗室內部環境參數控制在各環境指標的初始值,并保持一段時間,從而使系統達到充分穩定。然后將各環境參數日變化期望值(如圖12所示)加到Lab VIEW中,啟動控制功能。得到的風速、溫度和輻照度的日變化動態模擬結果如圖12所示。整個模擬耗時約200 min來模擬近地層3晝夜的風速、溫度和輻照度日變化。圖12中的離散點表示實驗室物理模擬測量值,連續的線分別表示各參數的期望值。可以看出,在實驗室模擬過程中,溫度、風速和輻照度的物理模擬測量值整體上能夠跟蹤其各自的期望值,僅在個別點處期望值與測量值存在偏差。對于溫度和速度模擬,由于系統的慣性作用,在變化趨勢改變時,測量值相對于期望值有滯后現象。對于輻照度,受燈數限制在低輻照度時存在模擬偏差。

圖12 風速、溫度和輻照度的日變化動態模擬結果

5 結束語

在分析了實驗室圍護結構特點的基礎上,完成了實驗室的溫度模擬系統、日光模擬系統、風速模擬系統、計算機控制系統軟硬件建設。給出了部分實驗結果,可以看出,實驗室設計達到了預期要求。該實驗室的建成,為發生在近地層中各類物理現象的可控模擬提供了全新的實驗平臺。

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Construction of experimental platform of surface layer microclimate multi-parameter integrated environment simulation

Meng Qinglong1,3,Ding Shuai1,Wang Yuan2,Li Yanpeng1,Zhao Fan1,Han Wensheng1
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China; 2.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China; 3.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmisson and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

A surface layer microclimate simulation laboratory is designed and built further.The structure characteristics of the laboratory envelope are analyzed in detail.The hardware configuration of temperature simulation system,daylight simulation system,velocity simulation system,computer control system and structure are implemented.The laboratory is a new research platform and provides controllable conditions for all kinds of physical phenomena simulation.Taking the typical environmental parameters as an example,the partial simulation results are shown.From the simulation results,the laboratory designed meets the expected goal.The work provides a research platform for control simulation of all kinds of the physical phenomena that occur in the surface layer.

experimental platform of environmental simulation;multi-parameters;microclimate

TU11

A

1002-4956(2015)4-0244-07

2014-09-30修改日期：2014-10-29

國家自然科學基金項目(51208059);流體動力與機電系統國家重點實驗室開放基金項目(GZKF-201215)

孟慶龍(1979—),男,河北邢臺,博士,講師,主要研究方向為環境模擬技術和建筑設備系統自動化.

E-mail:mql19＠163.com