遗址保护厅防凝露控制系统研究

周根明，周少华，郭 霆，唐晓霞

(江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江212003)

某江边的古渡口遗址在考古发掘后，采用遗迹展示式保护方法进行保护并可供游客观赏，即采用钢化玻璃在遗址上方建造了一个透明的保护厅，游客可以站在钢化玻璃上方观赏下面的古渡口遗址，同时也对遗址进行了保护.但这样的透明保护厅形成了一个“温室”，在日光照射下厅内温度会高于室外温度.遗址下方是厚约数米的长江淤沙土层，从而导致厅内比较潮湿.这样，当保护厅外部气温较低时，极易在顶部的钢化玻璃内表面产生凝露现象，这将会产生一系列不良影响:① 遮挡光线、阻挡视野.凝露现象的产生，使钢化玻璃的透明度降低，从而影响游客观赏下方遗址的效果.② 不利于遗址的保护.玻璃凝露影响阳光照射，助长细菌微生物滋生;同时，玻璃上的露珠会掉落下去，其附带的冲击力会对遗址产生损害.③ 减短了钢梁的使用寿命，加速了钢梁的老化和锈蚀.

国内外对类似表面凝露问题有相关的研究，如文献［1］中研究了汽车尾气凝水问题，提出用环境空气来稀释尾气.文献［2］中研究了冷柜玻璃门表面凝露有关问题，采用双层发热导热膜玻璃来解决冷柜玻璃门表面凝露的问题.文献［3］中提出了通风除湿的概念.为解决遗址保护厅钢化玻璃的凝露问题，文中针对其凝露情况进行了研究并研制出了防凝露控制系统.

1 凝露分析与控制方案选择

1.1 钢化玻璃内表面凝露问题分析

遗址保护厅内气温为T1，相对湿度为Φ，厅外气温为T2(T1＞T2，且T1，T2均为干球温度)，钢化玻璃内、外表面温度分别为Tw1和Tw2，保护厅内外温度分布如图1.产生凝露的原因是由于湿空气中温度场的不均匀，致使局部空气中水蒸气达到露点温度而析出［4］.如果要在玻璃内表面凝露，必须满足以下条件:玻璃内表面温度Tw1，必须低于厅内环境工况的露点温度Td，即:Tw1＜Td.保护厅内的环境工况露点温度可由厅内气温T1和相对湿度Φ计算得到.

图1 厅内外温度分布示意图Fig.1 Distribution of the hall′s temperature

1.2 钢化玻璃内表面凝露影响因素分析

环境干球温度和相对湿度变化对环境工况露点的影响如图2.A点:干球温度为T1，相对湿度为Φ1，露点温度为TdA;B点:干球温度为T1、相对湿度为Φ2，露点温度为TdB;C点:干球温度为T2、相对湿度为Φ2，露点温度为 TdC.比较 A，B两点，TA=TB且ΦA＜ΦB，TdA＜TdB;比较 B，C两点，ΦA=ΦB且 TB＞TC，TdB＞TdC.根据以上比较，可得到结论:相对湿度越高或者干球温度越高，露点温度就越高，也就越容易凝露.

图2 干球温度和相对湿度变化对环境工况露点温度的影响Fig.2 Influence of the dry bulb temperature and relative humidity to the dew point

玻璃内表面温度Tw1主要受厅内温度T1、厅外温度T2和钢化玻璃本身的隔热性能决定，显然厅外气温T2越低，或者钢化玻璃隔热性能越差，都将导致玻璃内表面温度Tw1降低，可能使得Tw1＜Td，即产生凝露现象.厅内外温差越大，钢化玻璃内表温度Tw1与厅内气温 T1温差就越大，就越容易凝露.

1.3 露点温度计算

空气的温度和相对湿度的测量较为简单，而露点温度的测量较难实现.所以，在系统开发中需根据测得的干球温度和相对湿度计算得出实时的露点温度.根据遗址保护厅内的空气特点，可采用下面的方法来计算露点温度［5］:

式中:Td为露点温度(℃);t为空气干球温度(℃);U为相对湿度(%).

1.4 控制方案

根据前文分析，本系统采用合理的通风系统，在适当时刻向保护厅内输送环境的低露点空气来降低厅内空气的露点温度，从而解决凝露问题.具体措施是在保护厅东侧安装两台排气风机，在西侧安装引风风道，通过适时通风降低厅内空气湿度.考虑到该地区冬季西北风偏多，所以将进风口设置在西侧.

由于渡口遗址地处江边，地下水位经常会上升，会导致大厅内地表过于潮湿，更容易产生凝露现象，所以采用一台水泵来保持地下水位在允许范围内.水泵的开启/关闭由液位开关控制，当水位超过设定的高水位值时水泵自动开启并开始抽水，当水位下降至另一低水位值时则关闭水泵停止抽水.

2 系统简介及硬件构成

2.1 系统简介

本系统结合LabVIEW以及相应的硬件，实现对温湿度、水泵和风机的测量、显示、保存和控制.系统的功能可以划分为:①温湿度测量与显示;②风机与水泵状态显示与报警;③ 数据处理、存储与查询;④防凝露控制.

2.2 硬件系统

系统由温湿度传感器、数据处理模块、控制电路、计算机和风机组成.系统的主要硬件如表1，整个控制系统可分为监测与控制两部分.监测部分的监测对象有:厅内空气干球温度、相对湿度、钢化玻璃内表面温度以及风机和水泵的工作状态.而控制部分主要是对风机和水泵的控制，风机由上位机通过控制模块和电磁阀控制，水泵由液位开关自动控制启闭.由于本系统中需要采集的信号较少，对传输速率的要求不是很高，所以采用串口通讯方式与计算机通信.

表1 主要硬件Table 1 Main hardware

系统结构框图如图3.温湿度信号由不同的温湿度传感器采集，水泵和风机的开关量信号由干触点提供［6］.计算机定时向ADAM模块下达采集命令，ADAM-4117模块和ADAM-4050模块分别将传感器采集的温湿度和开关量信号按特定格式发送给计算机，经处理后在软件上显示并保存.计算机经过计算和判断，在特定情况下向ADAM-4050下达命令，使其输出通道的数值改变.进而通过继电器实现对风机的启停控制，以控制保护厅内的空气温湿度，提高露点温度，从而避免玻璃内表面凝露.由于ADAM数据采集模块均采用RS-485串行通讯总线传输数据，所以要连接工控I/O模块ADAM-4520实现RS-485到RS-232总线的转换，从而实现与上位计算机的数据通讯，并且使传输距离最长可达1 200 m，可以实现遗址保护厅的远程监测与控制.

图3 系统结构Fig.3 System structure

图4为本系统的控制箱，数据采集卡、控制开关、电磁阀等都安装在控制箱内部.本系统由手动和自动两种控制方式，可在控制箱上根据实际情况选择控制方式，在自动控制系统发生问题时可选择手动控制，提高了系统的可靠性.水泵或风机在运行时，二者在控制箱上和功能软件面板上对应的指示灯会点亮，以显示其工作状态.

图4 防凝露系统控制箱Fig.4 Control cabinet of condensation prevention system

3 软件系统

实现该系统功能的软件是 NI公司的Lab-VIEW.LabVIEW是一种基于图形化的计算机编程语言，是标准的数据采集和仪器控制软件，被工业界、学术界广泛采用，它是一个功能强大且灵活的软件［7］.

3.1 状态监测

要实现防凝露的目的，首先需对保护厅现场的各项参数进行实时监控.考虑到软件的开放性和通用性，采用LabVIEW中的VISA接口模块进行编程.VISA是在 LabVIEW 平台上控制 GPIB，VXI，RS232串口及其他种类仪器的标准I/O应用程序接口，具有与仪器接口无关的特性，可以不考虑仪器的驱动软件，因此非常适于不同类型仪器的程序编程［8］.

图5为实时监控窗口，可以实现对多个参数的实时监控.该程序基于LabVIEW状态机卷标页、循环结构和事件结构等，能根据需要选择显示任意时刻点的温度和任意时间段的温度曲线.前面板中有多个指示灯，可直观地显示出各个硬件的当前状态.若风机或者水泵启动，则相应的状态指示灯会点亮.若系统部分硬件出现故障导致风机不能启动，玻璃上出现凝露现象时，指示灯将会点亮，并且蜂鸣器进行声光报警.

图6为数据采集与保存程序框图.系统中通过VISA Open，根据Resource Name与指定的设备建立通信，需在前面板中选择VISA资源名称.由于需要处理不同仪器采集的数据，考虑程序的通用性，可在程序前面板中手动配置采集卡的参数，如波特率、奇偶位、流控制等［9］.然后将串口初始化，利用串口写操作函数(VISA Write)和串口读操作函数(VISA Read)给数据I/O模块发送读写命令，并能方便地通过ADAM-4050发送指令给继电器来控制风机的启闭.程序中，在调用VISA Read之前添加了一个延时函数，这是因为下位的ADAM-4117模块在接收到命令后要用一定的时间将温湿度等模拟量信号转换为数字量信号，若在A/D转换完成前调用了串口读操作函数，读取数据将会导致ADAM-4117发生故障.

数据进入计算机后使用LabVIEW进行显示和存储.LabVIEW有强大的文件I/O函数，可将采集到的数据以特定的格式存储在文档中.系统设计采用窗体文件对数据进行存储记录.以测量日期作为文档的命名，每天测量的数据存放在一个文本文件中.

图5 实时监控窗口Fig.5 Real-time monitoring window

图6 数据采集与保存程序图Fig.6 Chart of date acquisition and save

3.2 防凝露控制

系统的控制方式如下:采集模块实时采集厅内的空气温度T1、湿度Φ以及玻璃内表面温度Tw2，并发送给计算机，程序根据厅内的空气温度T1和湿度Φ计算出厅内实时露点温度Td，然后再将Tw2与Td进行比较，若Tw2≤Td+1℃，则向开关量控制模块发送命令，使风机上的继电器打开，风机启动，厅内外空气交换，使厅内温湿度下降，露点温度降低;若Tw2≥Td+5℃，则将相应继电器关闭，风机停止工作.程序中需要设定高低两个阈值，二者分别为Td+5℃和Td+1℃，这样可以避免继电器反复工作，确保控制系统稳定运行.

本系统利用LabVIEW自带的VISA串口函数以及公式节点等实现对温湿度的采集和对风机的控制.控制程序流程如图7.首先打开并配置串口，循环开始作一个采样延时，然后向ADAM-4117发送读数命令，等待60 ms即可从ADAM-4117缓存中取出各路数据，每一路的原始数据为8 bit的16进制数.按规则译码后得到相应的湿度、温度等，并将这些数据保存到文本文件中，同时根据实时厅内空气温湿度计算得到实时露点温度.比较玻璃内表面温度值与露点温度值的关系，通过比较之后的结果判断是否需要开启风机.需要开启时则将ADAM-4050相应控制继电器的通道的开关量置“1”，无需开启风机时则置“0”，从而组合成一条二进制的8 bit控制命令，以实现继电器的通断，进而控制风机的启停.最后，若人工选择停止，则程序退出循环，关闭串口并终止运行;若无操作，程序将自动等待至下个10s后进入下一次循环.需要注意的是，由于信号采集存在不可避免的滞后性，为了保证数据采集的可靠性或进行正确的控制，每次发送命令和开关量状态变化之后都应等待合适的时间后才去读数或控制，系统中设定等待时间为1s.

图7 控制程序流程Fig.7 Flow chart of control program

4 运行结果及分析

选取春季某一早晨，开启风机后，保护厅内空气温湿度随时间发生变化.图8显示了风机启动后保护厅内部的温湿度随时间变化的情况，可以看出通风一段时间后，保护厅内部温湿度变化较快，随后变化越来越慢，通风25 min后，温度下降到10℃，湿度达到66%，厅内空气温湿度已经很接近室外空气的温湿度，从而预防了玻璃内表面凝露现象的产生.经过长时间的运行表明，本系统采用通风除湿方法［10］，可以实现遗址保护厅防凝露的目的.

图8 风机启动后厅内空气温湿度随时间的变化Fig.8 Temperature and humidity of air indoors at different time when the fan is working

5 结论

1)本系统现已应用于某遗址保护厅中，成功地实现了对保护厅凝露现象的预防，经过较长时间的运行后证明，该系统具有实时性好、运行可靠、易于操作等优点.

2)使用本系统对遗址保护厅进行防凝露控制，与采用传统的采用空调除湿的方法相比，其初期投资成本低、维护费用少，其日常耗电量远远低于采用空调除湿的耗电量.

3)本系统采用串行式的布线方式，并且所采用的数据I/O模块均有剩余未使用的通道，可方便地添加其他硬件设备，有利于系统进行扩展和升级.

4)监控软件采用LabVIEW中的VISA串口通讯编写，而目前市场上的多数据采集卡都可利用串口进行通讯，所以本系统通用性强.将软硬件作适当的调整之后可应用于其他一些需要防凝露设计的建筑之中，可移植性好，易于升级，具有较为广阔的应用性.

References)

［1］Hood J，Silvis W.Predicting and preventing water condensation in sampled vehicle exhaust for optimal CVS dilution［J］.SAE Transactions，1998，17(4):845-852.

［2］龙建佑，胡勇军，李锡宇.陈列冷柜玻璃门表面凝露问题的试验研究［J］.制冷学报，2010，31(3):46-48.Long Jianyou，Hu Yongjun，Li Xiyu.Condensation on glass surface of refrigerated display case［J］.Journal of Refrigeration，2010，31(3):46-48.(in Chinese)

［3］Wei Jingshu，Zhao Jianing，Chen Qingyan.Energy performance of a dual airflow window under different climates［J］.Energy and Buildings，2010，42(1):111-122.

［4］薛殿华.空气调节［M］.北京:清华大学出版社，1991:9-10.

［5］孚艳浮，伥建华.自动气象站数据处理中的露点温度计算方法探讨［J］.广西质量监督报，2009(10):46-47.

［6］李梅，段晨东，韩旻，等.基于ADAM模块的恒温恒湿空调监控系统［J］.仪表技术与传感器，2008(2):74-75.Li Mei，Duan Chendong，Han Min，et al.Constant temperature and humidity air-conditioning monitoring system based on ADAM modules［J］.Instrument Technique and Sensor，2008(2):74-75.(in Chinese)

［7］陈学树，刘萱.LabVIEW宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011:53-56.

［8］章爱武，谢宇广，刘宏邦，等.基于LabVIEW的多路湿度控制系统［J］.核电子学与探测技术，2011，31(5):504-507.Zhang Aiwu，Xie Yuguang，Liu Hongbang，et al.A multi-channel humidity control system based on LabVIEW［J］.Nuclear Electronics and Detection Technology，2011，31(5):504-507.(in Chinese)

［9］杨国忠，周泓，余峰，等.基于VISA的事件处理方法与实现［J］.测控技术，2000，19(9):45-48.Yang Guozhong，Zhou Hong，Yu Feng，et al.Events handling mechanism ＆ implementation of VISA［J］.Measurement＆ Control Technology，2000，19(9):45-48.(in Chinese)

［10］唐春丽，李红兰，张东辉.射流送风对地下景观内部湿

环境的改善［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2011，25(5):443-446.

Tang Chunli，Li Honglan，Zhang Donghui.Jet air to improve the wet environment in underground landscape［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2011，25(5):443-446.(in Chinese)