微气候多参数综合环境模拟实验平台建设

孟庆龙,丁 帅,王 元,李彦鹏,赵 凡,韩文生

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安 710054;2.西安交通大学能源与动力工程学院,

陕西西安 710049;3.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310058)

微气候多参数综合环境模拟实验平台建设

孟庆龙1,3,丁 帅1,王 元2,李彦鹏1,赵 凡1,韩文生1

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安 710054;2.西安交通大学能源与动力工程学院,

陕西西安 710049;3.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310058)

设计并建立了近地层微气候环境模拟实验平台。分析了实验室围护结构的构造特性,完成了实验室的温度模拟系统、日光模拟系统、风速模拟系统、计算机控制系统及围护结构的硬件建设。以典型环境参数为例,给出部分模拟结果。从模拟结果可以看出,该实验室设计达到了预期目标。该实验室的建成,为发生在近地层中各类物理现象的可控模拟提供了全新的实验平台。

环境模拟实验平台;多参数;微气候

1 环境模拟是进行模拟实验的前提和基础

模拟实验具有重要的价值,而创造模拟环境是进行模拟实验的前提和基础,其本身就是一项有重要意义的科学研究工作。环境模拟技术在不断解决环境模拟和实验的研究过程中,形成了独立的理论体系,其整个发展历程与环境模拟设备息息相关。

环境模拟设备与实验技术经历了由静态到动态、从单参数到多参数、从产品环境到人机环境的发展过程。目前其发展方向是:建立多参数综合动态环境模拟系统并进行多参数综合动态人机系统环境实验[1]。1949年美国温特(F.W.Went)教授在加利福尼亚州的帕萨迪纳(Pasadena)主持建造了世界上首个环境模拟设施,命名为“phytotron”[2]。建造的主要目的是想在室内再现生物或人类所需的各种自然状态,并免于外界环境的干扰和影响。这个环境模拟设施的出现对当时的生物科学研究起到了极其重要的推动作用。随后,环境模拟设施如雨后春笋,广泛应用于航空、航天、海洋、农业、环境等各个领域,多种不同规模和类型的环境模拟设施相继建立,这些设施为科学研究提供了实验研究平台[3-10]。世界上建成的最具代表性的动态综合环境模拟设施是建立在美国亚利桑那州的生物圈2号(Biosphere 2)[11-23]。按照设计思想,地球被称为生物圈1号,生物圈2号是地球的缩影。

采用多参数综合模拟的方法对近地层微气候环境进行模拟是一种全新的实验研究手段。与野外实测相比,在模拟环境中,测量容易且精确。与随时变化的自然条件不同,在人工模拟环境中可以通过重要变量的系统改变和可控调节,在短时间内取得大量数据,从而大大加快研究进程,更快捷、更准确地获取我们所关心问题的规律。

为在实验室中更加准确地实现近地层微气候环境的模拟,除了在人工条件下实现大气近地层的风度廓线、温度层结模拟外,还需要对太阳辐射做出准确的模拟。本文的主要目的就是在充分了解近地层特性的基础上,使用人工方法实现近地层微气候环境的综合模拟。

2 环境模拟实验室简介

环境模拟实验室建筑面积约105 m2,屋面平均高度4.8 m,局部为2层,四周墙体为370 mm砖墙,内侧做120 mm聚氨酯材料和沥青的保温防潮处理;实验室整个围护结构进行了保温、隔热、防潮处理。屋面为封闭式屋顶。最初为双层夹胶玻璃,后经改造,在原有基础上增设具有100 mm后聚氨酯塑料泡沫夹层的彩钢板。彩钢板与原屋顶平面间保留30 mm的空隙,以增加热阻,且屋顶四周做封闭处理,以防外界气流进入,进一步增强了保温性能。

整个实验室按空间位置分成3部分:实验区、设备室及观察控制室,其立体结构示意图见图1。

图1 环境模拟实验室立体结构示意图

为构造真实近地层的局部地表环境,实验中心位置处设有6 280(L)×5 040(W)×1 350(D)的地表构造坑。构造坑侧墙及底面采用120 mm聚氨酯保温,为保护保温层,保温层外砌120 mm厚砖墙。实验区上部设置高度可调的全光谱日光模拟器,为将光源发出的热量排出室外,模拟器配备了通风降温系统;设备区由半封闭制冷压缩机组、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、风机、电加热器、变频器等设备组成。这些设备为多参数环境的模拟和实验研究提供了硬件基础,统称为环境控制设备(简称“环控设备”);模型实验区进门设于南侧风机侧面。实验区南墙嵌入放置3台轴流送风风机,风机间隙及两侧均充入聚氨酯发泡加以保温。风机出口布置有收缩段,以改善气流速度和均匀特性。该墙体2 600 mm以上至屋顶,利用双层玻璃做墙体。观察控制室设在局部二层上(下部为设备室,放置压缩机、表冷器等),实验人员通过双层玻璃窗可对实验区实验情况进行实时观测。北侧1 400 mm高度以下亦放置3台轴流式回风风机,与南墙3台风机轴线一一对应。

图2和图3分别给出了实验室的上、下部平面示意图。

图2 环境模拟实验室下部平面图

图3 环境模拟实验室上部平面图

3 环境参数模拟系统

3.1 温度模拟系统

为了实现外界温度模拟,需要有相应的温控设备,即空调系统。在实验室维护结构保温设计良好的条件下,实验室内负荷主要是散热设备(以日光模拟器为主),因此通常室内需要全年供冷。

环境模拟实验室对温度控制精度(±0.5℃)的要求较高,且需要进行室外温度的动态(如日变化)模拟。温度控制设备有:1台制冷机(由2台压缩机组成)、2台风冷式冷凝器、3台变风量送风机、3组(每组8 k W)除霜用加热器(兼作温度模拟加热器)。送风机由变频器驱动,实现风速可调,以控制进入实验区的冷量,实现变风量温度控制。

经综合考虑,采用混合式温度环境模拟系统设计。该混合式空气调节系统示意图如图4所示。通过控制压缩机和加热器的台数对温度进行粗调,通过风机转速送风温度微调和风量的调节,而且可以通过控制新风量来协助进行室内温度的控制。环境模拟实验室常用的送风方式有侧送侧回和全面孔板送风,考虑阵风模拟需要,并兼顾实验室结构,采用了异侧下送下回的气流组织方式。

图4 环境模拟实验室温度控制设备及位置示意图

同时,在日光模拟器上方设置局部排风罩将模拟器产生的热量及时排到室外(风量可按灯数自动调节),使工作区辐照度和温度同时达到环境模拟指标要求。通过计算排风系统总阻力为230 Pa。排风机选用轴流式高温排烟风机,其具体参数为:转速960 r/ min,风量14 865 m3/h,全压287 Pa,电机功率5.5 k W。为了在工作区实现太阳辐射强度的动态模拟,要求排风罩可跟随日光模拟器在竖直方向上下移动,因此,排风罩与排风管之间设置了可伸缩防火帆布。另外,排风罩内部为镀锌铁皮,其表面平滑,反射率可达30%,可起到反射日光模拟器余光的效果,从而,可进一步提高地表太阳辐射的目的。

3.2 日光模拟系统

太阳辐射模拟实验研究是多参数综合环境模拟实验室的主要内容和重要组成部分。从模拟对象来分,太阳辐射模拟分为空间和地面2种。本文研究的是地面太阳辐射模拟。

太阳辐射模拟设施可在很多领域应用,如材料实验、太阳能集热器性能研究、植物生长实验的人工太阳房特性研究等。太阳辐射热量的大小用辐射照度来表示,简称辐照度,单位为W/m2。

基于经济和技术的综合考虑,西安交通大学环境模拟实验室设计了一种AM1.5型日光模拟器。

3.2.1 光源

研究选用镝灯作为日光模拟器的光源。该光源是一种高光效(大于75 lm/W)、高显色性(大于显色指数80)、长寿命(至少5 000 h)的新型气体放电光源。它利用充入的碘化镝、碘化亚铊、汞等物质发出其特有的密集型光谱,使灯的发光效率及显色性大为提高。该光谱接近于太阳光谱,是环境模拟较为理想的光源,文献[24]对这种新型镝灯的光谱在波长250～2 500 nm范围内进行了测试,图5给出了镝灯光谱与美国材料与测试协会标准ASTM G173-03[25]中大气质量为1.5(AM1.5)的太阳光谱相对能量对比结果。

图5 镝灯与AM1.5光谱相对能量对比图

可以看出,该光谱范围与实际大气质量1.5的太阳辐射光谱范围接近,只是在可见光区镝灯能谱较真实太阳辐射光谱低,在部分红外区较太阳能谱高。按文献[26]日光模拟器通用规范对镝灯进行了评价,结果表明,该镝灯光源的光谱能量在300～2 500 nm波长范围内完全可以满足B级标准的要求。

3.2.2 模拟器构造

日光模拟器平面布置和实物照片分别如图6和图7所示。

图6 灯阵平面布置图

图7 全光谱日光模拟器(加排风罩前拍摄)

模拟器由灯阵、灯架与降温装置组成。灯阵由188个功率为400 W的反射型镝灯(DDF400)组成。为了满足光照均匀性的要求,将灯布置成“梅花状”,灯的间距为295 mm。模拟器的开启灯组数量与距地高度是影响辐照面上辐照度的主要因素。因此,为了辐照度模拟需要,将灯阵中的188个镝灯分为4组,分别为42个(A组)、56个(B组)、48个(C组)、42个(D 组)(图6中已标示了各灯对应的组号),且通过控制装置可进行各组灯的单独开关或灯组的组合开关。所有镝灯固定于4 500 mm×3 880 mm方形钢制灯架上。灯架由电动装置驱动,可在电脑控制下在竖直方向自由升降(速度在±0.5 mm/s～±20 mm/s范围可调),使模拟器与辐照面的间距在1 000 mm～2 500 mm范围内可自由调节。在模拟器上方安装排风罩对模拟器通风降温,且与模拟器灯架形成一体;通过由变频器驱动的5.5 k W轴流高温排烟风机将镝灯产生的热量排到室外,且其转速按节能原则可根据灯数实现“多灯高速,少灯低速”的自动调节。

通过灯数的变化和灯架高度调节,可实现有效辐照面上的辐照度的连续调节,通过控制系统可实现诸如光照日变化的辐照度动态模拟。

3.3 风速模拟系统

实验室内采用6台风机来模拟自然环境风。3台低噪声轴流风机作为送风机布置在实验室南侧(该3台送风风机兼作制冷空调系统的送风机);3台低噪声轴流风机作为回风机布置在北侧,回风管从回风风机后的静压箱伸出,沿屋顶下侧穿过实验室连接至送风风机的静压箱,形成闭式回路。风机是制造自然风的设备,为得到期望的效果,对其精确控制非常关键。对送风机和回风机分别用2台变频器驱动,通过计算机可自动调节变频器频率来实现风速的自动控制,完成所需自然风效果的模拟。

为使风机出口风速进一步提高,在送风机出口设置一收缩段。收缩段立体示意图见图8。

图8 收缩段三维立体示意图

收缩段入口尺寸(内径)为4 480 mm×1 260 mm,收缩段出口(内径)为3 000 mm×1 260 mm,且出口需要固定阻尼网,收缩段长度为1 400 mm。收缩段的顶面和底面不收缩,2个侧面按照维托辛斯基收缩曲线设计[27],其曲线轨迹表达式为

为改善实验区气流特性和形成期望的风速廓线,采取增设单层或多层不等高的阻尼网,通过合理布置阻尼网的高度和层数,使模型实验区风场展向均匀且垂向满足期望得到的风速廓线。研究表明,气流通过阻尼网在气流流动方向上会产生压降,相对较高的来流速度,其压降也相对较大,这就使得气流在通过阻尼网后的速度分布的均匀性得到明显的改善。而且,阻尼网降低轴向湍流度的效果比降低横向湍流度的效果要好[28]。一些研究还表明,在使用阻尼网时,如果阻尼网的总损失系数相同,则使用小压力损失系数的多层网(对单层网而言),对降低湍流度的效果会更好[29-30]。网的层数为1～11层,最常用的是2～3层,过多的层数易产生较大的压降,造成能量损失,网的粗细为4～24目/cm(10～60目/英寸),最常用的是10～12目/cm(24～30目/英寸)。两层阻尼网间距应大于50倍网孔宽度或500倍网丝直径[31],以便把上游的一层网产生的湍流度充分衰减后再进入下游的一层网。网的金属丝直径应尽量细小,以减小其本身对气流的扰动和降低阻力。而且,阻尼网的开孔率应大于0.57,太小的开孔率将引起气流的不稳定。安装阻尼网时使网架与纱网的接头埋在壁面内,以免暴露在外面干扰气流。

为保证阻尼网能够充分拉紧,避免阻尼网因受载变形而形成凹凸面,阻尼网先被焊接在预先制成的加工框上,然后固定在角铁架上。文献[31]考虑到安装要求及每一层网后应有一段距离衰减旋涡,指出相邻两层网之间应相距20～30 cm。

文献[29]对单层阻尼网在不同高度时(分别1/4, 1/2,3/4风洞高)的风洞气流特性做了详细的研究,结果表明,均匀来流经过阻尼网后,会形成回流区,回流区的大小随来流速度增大而增加。经过阻尼网的速度会“上翘”一个角度,随后在阻尼网高度范围内速度较来流速度要降低,其速降与开孔率呈反比。为在实验区实现期望的温度和速度廓线,经过反复尝试,在收缩段出口处布置3层阻尼网,阻尼网宽度分别为收缩段出口高度的1(8目)、1/2(10目)、1/4(12目)倍,并在收缩段出口处底部布置0.35 m高的多孔板,配合恰当的粗糙元,可实现近地层风速和温度廓线的模拟。

4 实验结果与分析

能够模拟气象参数日变化快慢的程度,由环控设备的控制能力来决定。这里考虑时间缩尺即用约67 min完成对环境参数日变化的模拟。

4.1 温度日变化模拟

在进行动态模拟时,将坐标支架放置在模型实验区中心点处,温度传感器1～6沿高度方向由上到下布置,得到的动态温度日变化模拟结果如图9所示。图中温度6—1距地面高度依次为0.15 m,0.2 m,0.3 m,0.45 m,0.67 m和1 m。

图9 温度廓线动态控制结果

4.2 正弦风模拟

正弦风速模拟结果如图10所示。

图10 正弦风速控制输出与设定

自然界中的阵风呈随机特性。这种随机信号主要能量集中在低频范围内,这里仅模拟随机信号的基次谐波特性,即正弦信号。图10给出2种正弦风速模拟的控制结果。图10(a)和(b)分别给出了周期为240 s、480 s的正弦风速信号。由图可见,在控制器的作用下,实现了期望值的跟踪。对于其他周期、振幅的正弦风速信号或任意动态期望风速,均可通过控制界面设定,并启动控制器,实现期望风速的模拟。

4.3 动态辐照度模拟

利用日光模拟控制器控制模拟器距离辐照面的距离和模拟器的灯组,进行辐照度日变化模拟。图11 (a)、(b)和(c)分别给出了阴天、多云天气以及晴天情况下对应的低、中、高3种辐照度动态模拟结果。

图11 动态辐照度模拟

4.4 日变化综合模拟

开始模拟前将实验室内部环境参数控制在各环境指标的初始值,并保持一段时间,从而使系统达到充分稳定。然后将各环境参数日变化期望值(如图12所示)加到Lab VIEW中,启动控制功能。得到的风速、温度和辐照度的日变化动态模拟结果如图12所示。整个模拟耗时约200 min来模拟近地层3昼夜的风速、温度和辐照度日变化。图12中的离散点表示实验室物理模拟测量值,连续的线分别表示各参数的期望值。可以看出,在实验室模拟过程中,温度、风速和辐照度的物理模拟测量值整体上能够跟踪其各自的期望值,仅在个别点处期望值与测量值存在偏差。对于温度和速度模拟,由于系统的惯性作用,在变化趋势改变时,测量值相对于期望值有滞后现象。对于辐照度,受灯数限制在低辐照度时存在模拟偏差。

图12 风速、温度和辐照度的日变化动态模拟结果

5 结束语

在分析了实验室围护结构特点的基础上,完成了实验室的温度模拟系统、日光模拟系统、风速模拟系统、计算机控制系统软硬件建设。给出了部分实验结果,可以看出,实验室设计达到了预期要求。该实验室的建成,为发生在近地层中各类物理现象的可控模拟提供了全新的实验平台。

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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

国家自然科学基金项目(51208059);流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金项目(GZKF-201215)

孟庆龙(1979—),男,河北邢台,博士,讲师,主要研究方向为环境模拟技术和建筑设备系统自动化.

E-mail:mql19＠163.com