CN102095747B - 人工气候综合实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是人工气候综合实验系统，包括自控系统、空调系统、加热系统、制冷系统，其中自控系统中的中控器的第一信号输出/输入端与空调系统中的风冷热泵机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第二信号输出/输入端与空调系统中的组合式空调机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第三信号输出/输入端与加热系统中的模拟环境区温度传感器的第一信号输入/输出端相接，自控系统中的中控器的第四信号输出/输入端与制冷系统中的模拟环境区温度传感器的第二信号输入/输出端对应相接。优点：结构合理，功能强大，工况转换操作方便，实验数据采集精度较高，数据采集和分析系统使用方便，并能保证测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种人工气候综合实验系统，更具体地说涉及人工室内、外环境实验的基础性实验系统。
背景技术
暖通空调技术从问世以来，不断改进、发展和升级换代，已经历了整整100年的历程。作为传统行业，空调装置和空调系统，业已日趋成熟和完善。近十年来，随着全球性能源短缺的加剧和发展中国家工业化程度加速以及人民生活水平的提高，能源危机已成为定局。建立一个多功能的实验平台，广泛开展系统节能方面的试验，从理论上和实验中寻找切实可行的系统节能手段和方法，已迫在眉睫。建立一个能广泛开展节能技术系统试验的多功能实验平台，以便开展系统节能技术的试验与研究，对我国国民经济可持续发展，缩小我国在节能技术领域与国际先进国家的差距有十分重要作用。
目前，已有一些科研院所进行了暖通空调节能技术平台的研究。2005年上海理工大学制冷技术研究所进行了“多功能人工环境试验室的研制”，用于对小型制冷装置节能效果的评价。2006年上海市建筑科学研究院，研制了“一种室内环境测试舱体及其组合式测试系统”，由温、湿度调节、风量风压调节、幅射温度调节等系统组成。2001年武汉市卫生防疫站开展了“建筑装饰材料和室内产品卫生学评价方法的研究和小型环境气候舱的研制”，用于对建筑装饰材料卫生学品质等级的评价，小型环境气候舱能够模拟室内环境的温度，相对湿度、换气量、空气流速和材料负荷等变量。2002年吉林大学开展了“多环境变风量模拟密封舱及计算机测控技术的研究”用于对动物生理学的试验，2005年湖南大学进行了“通风空调过程及人居环境数值仿真的理论与应用研究”采用数值方法仿真通风空调过程及人居环境预测。2005年中国农业科学院畜牧研究所进行了“程控中小型动物人工气候实验室的研制”进行畜禽体内的营养物质的消化、代谢和转化规律的研究。国内对于室内外环境多工况模拟实验系统涉及较少，目前还没有相关文献报道。
发明内容
本发明提出的是一种室内外环境多工况模拟的人工气候综合实验系统，其目的旨在克服上述存在的问题，具有操作简便，功能强大，制造成本低等特点。
本发明的技术解决方案：其结构包括自控系统、空调系统、加热系统、制冷系统，其中自控系统中的中控器的第一信号输出/输入端与空调系统中的风冷热泵机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第二信号输出/输入端与空调系统中的组合式空调机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第三信号输出/输入端与加热系统中的模拟环境区温度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第四信号输出/输入端与制冷系统中的模拟环境区温度传感器的第二信号输入/输出端对应相接。
本发明的有益效果是：结构合理，功能强大，工况转换操作方便，实验数据采集精度较高，数据采集和分析系统使用方便，并能保证测试精度。
附图说明
图1是人工气候综合实验系统的结构示意图；
图2是人工气候综合实验室自控系统的结构示意图。
具体实施方式
对照附图1，人工气候综合实验系统的结构包括自控系统、空调系统、加热系统、制冷系统，其中自控系统中的中控器的第一信号输出/输入端与空调系统中的风冷热泵机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第二信号输出/输入端与空调系统中的组合式空调机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第三信号输出/输入端与加热系统中的模拟环境区温度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第四信号输出/输入端与制冷系统中的模拟环境区温度传感器的第二信号输入/输出端对应相接。
所述的空调系统包括风冷热泵机组、组合式空调机组、试验区，其中风冷热泵机组的第二信号输出/输入端与组合式空调机组的第二信号输入/输出端对应相接，组合式空调机组的第三信号输入/输出端与试验区的第一信号输出/输入端对应相接。
所述的加热系统包括模拟环境温度传感器，红外加热器、辐射光源，模拟环境区，其中模拟环境温度传感器的第三信号输出/输入端与红外加热器、辐射光源的第一信号输入/输出端对应相接，红外加热器、辐射光源的二信号输入/输出端与模拟环境区的第一信号输出/输入端对应相接。
所述的制冷系统包括模拟环境区温度传感器，风机盘管、冷藏机、冷冻机，模拟环境区，其中模拟环境区温度传感器的第四信号输出/输入端与风机盘管、冷藏机、冷冻机的第一信号输出/输入端对应相接，风机盘管、冷藏机、冷冻机的第二信号输出/输入端与模拟环境区第二信号输入/输出端对应相接。
对照附图2，人工气候综合实验室自控系统的结构是自控系统中的中控器的第五信号输出/输入端与模拟环境温度传感器的第五信号输入/输出端对应相接，模拟环境温度传感器的第六信号输入/输出端与风机盘管、冷藏机、冷冻机的第三信号输出/输入端对应相接，模拟环境温度传感器的第七信号输入/输出端与红外加热器、辐射光源的第三信号输出/输入端对应相接，风机盘管、冷藏机、冷冻机的第四信号输出/输入端与模拟环境区第三信号输入/输出端对应相接，红外加热器、辐射光源的第四信号输出/输入端与模拟环境区第四信号输入/输出端对应相接。自控系统中的中控器的第六信号输出/输入端与模拟环境区湿度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，模拟环境区湿度传感器的第二信号输入/输出端与加湿器的第一信号输出/输入端对应相接，加湿器的第二信号输出/输入端与模拟环境区第五信号输入/输出端对应相接；自控系统中的中控器的第七信号输出/输入端与循环风机变频器的第一信号输入/输出端对应相接，循环风机变频器的第二信号输入/输出端与循环风机的第一信号输出/输入端对应相接，循环风机的第二信号输出/输入端与模拟环境区第六信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第八信号输出/输入端与试验区温度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，试验区温度传感器的第二信号输入/输出端与妥斯变风量阀的第一信号输入/输出端对应相接，变风量阀的第二信号输入/输出端与试验区的第二信号输出/输入端对应相接，自控系统中的中控器的第九信号输出/输入端与试验区湿度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，试验区湿度传感器的第二信号输入/输出端与加湿器的第三信号输出/输入端对应相接，加湿器的第二信号输出/输入端与试验区的第三信号输出/输入端对应相接，自控系统中的中控器的第十信号输出/输入端与送风机及冷冻水泵变频器的第一信号输出/输入端对应相接，送风机及冷冻水泵变频器的第二信号输出/输入端与送风机及冷冻水泵的第一信号输入/输出端对应相接，送风机及冷冻水泵的第二信号输出/输入端与试验区的第四信号输入/输出端对应相接，模拟环境区的第一信号输出端与温湿度传感器采集模拟环境区温湿度数据单元的信号输入端相接，温湿度传感器采集模拟环境区温湿度数据单元的信号输出端与中控器的第一信号输入端相接，模拟环境区的第二信号输出端与风速传感器采集模拟环境区风速数据单元的信号输入端相接，风速传感器采集模拟环境区风速数据单元的信号输出端与中控器的第二信号输入端相接，试验区的第一信号输出端与温湿度传感器采集试验区温湿度数据单元的信号输入端相接，试验区的第二信号输出端与风速传感器采集试验区风速数据单元的信号输入端相接，温湿度传感器采集模拟环境区温湿度数据单元的信号输出端与中控器的第三信号输入端相接，风速传感器采集试验区风速数据单元的信号输出端与中控器的第四信号输入端相接。
中控器由电脑主机、控制柜、KINGVIEW软件系统等组成。
中控器完成对空调系统、制冷系统、加热系统进行自动控制。
空调系统：在电脑主机的系统主界面上设置试验区的室内环境参数，自控系统开启组合式空调机组内的送风机、风冷热泵机组内的冷冻水泵及制冷机，风冷热泵机组根据试验区的室内环境参数的设置大小自动进行制热或制冷。空调系统的风量、冷量、热量由妥斯变风量阀、以及送风机和冷冻水泵的变频器来调节。
制冷系统：在电脑主机的系统主界面上设置模拟环境区的环境参数为0～-15℃，自控系统将依据温度设置的大小来开启风机盘管，冷藏机或冷冻机，达到设置温度后自控系统会关闭风机盘管，冷藏机或冷冻机。
加热系统：在电脑主机的系统主界面上设置模拟环境区的环境参数为35～45℃，自控系统将自动开启红外加热器和辐射光源，以加热模拟环境区的空气，达到设置温度后自控系统会关闭红外加热器和辐射光源。
由中控器完成对整个人工气候综合实验系统的自动控制。
试验区：试验区温度传感器采集信号，自控系统控制妥斯变风量阀；湿度传感器采集信号，自控系统控制加湿器。依据送风机及冷冻水泵频率设置的大小自控系统会改变送风机的送风量、冷冻水泵的供水量，从而调节空调系统的风量、冷量、热量。结果使试验区温湿度恒定在tn＝26±1℃，Ф＝55％±5％(夏季)；tn＝18±1℃，Ф＝55％±5％(冬季)。试验区温湿度传感器采集温湿度数据，在电脑主机上记录并显示出温湿度；试验区风速传感器采集风速数据，在电脑主机上记录并显示出风速。
模拟环境区：模拟环境区温度传感器采集信号，自控系统将依据温度设置的大小来开启风机盘管，冷藏机或冷冻机，从而对模拟环境区进行制冷；自控系统也会依据温度设置的大小来开启红外加热器和辐射光源，从而对模拟环境区进行加热。在电脑主机的系统主界面上设置模拟环境区循环风机的频率，自控系统会自动调节循环风机的转速。模拟环境区温湿度传感器采集温湿度数据，在电脑主机上记录并显示出温湿度；模拟环境区风速传感器采集风速数据，在电脑主机上记录并显示出风速。
实施例
实验系统部分是一个内外双层的系统，其总面积约50m2，试验区约25m2，模拟环境区约25m2，系统高度为4.5m。墙板和顶板采用厚为100mm的双面彩钢夹心保温板。系统分上、中、下三层，上层和下层为技术夹层。空调系统配备高精度多功能的组合式空调机组、风冷热泵机组、电加热器等。自控系统配置电动三通风阀联动系统、妥斯变风量阀、变频器、KINGVIEW软件系统等。
冷、热源分三部分使用：第一部分用于新风处理(加热、冷却、过滤)，使送入的新风能在18℃～26℃范围内连续可调，断面温度控制精度在±1℃之内(温度粗调)。第二部分用于组合式空调机组的水温和水量调整，断面温度控制精度在±0.1℃之内(温度精调)。第三部分用于模拟室外的气象条件，使其温度处于-15℃-+45℃、模拟风速3m/s-15m/s。
送、回风系统分上送和下送二个部分：第一部分是上送下回，它能按需要在室内进行置换。断面风速在0.01m/s-0.40m/s内可控可调。气流控制方面，以紊动平缓的均匀气流为主，避免大的涡流产生，主要研究对二氧化碳等气体的置换能力；第二部分是下送上回，它也能按需要在室内进行置换。这二种方式可以相互切换。控制、测量手段：系统内按上、中、下三个层面立体状分布温度、湿度、风速等传感器。
建筑墙体热工性能测定实验，提供实验要求的室内外温度、风速、风向、日照等气象条件；室内空气流场的测定实验以及人体热适应和热舒适反应的测定实验，提供实验要求的室内空气的温度、速度和速度分布等气流条件；遮阳板热工性能的测定实验、散热器热工性能的测定实验、风机盘管热工性能的测定实验，提供实验要求的室内空气的温度、湿度、速度和冷冻水的进出水温及水量等条件。
(1)以不同的风速由顶部均匀垂直向下送风，排风考虑侧排或底排，测量其空气置换的效果。
(2)室内设置发热源，释放热量，造成的上升气流与送风逆向，测量对室内空气流场的影响。
(3)测量低风速送风情况下的温度梯度和压力变化梯度。
人工气候综合实验系统应用实例：
空气流场的测定方法：
开动空气处理设备，调节环境间温度、湿度。制冷工况干球温度为27℃，湿球温度为19℃，制热工况干球温度为21℃，湿球温度无要求。通过调节风阀开度和改变出风口大小来调节风速。
使测试区域的工况到达试验标准要求的设定状态，室内侧、室外侧所有设备均维持在稳定得工作状态。在工作状态稳定后的15，30，45，60，75，90分钟的时刻，对各测点的温度、风速进行采样并记录。测定制热、制冷两种工况的数据。
建筑墙体热工性能测定方法
测试装置由墙体部分、试验区、模拟环境区等三部分组成。待测材料是构件墙体，模拟室外环境部分为低温，温度控制在-20℃；实验室内温度控制在20℃，被测试试件面积为2m2。测量的内容包括热流密度，建筑墙体的内、外表面温度以及热流计的两表面温度。所用的仪表主要是热流计和热电偶。热流计可以获得各被测点的热流密度，热电偶可以获得各点的表面温度，由热流和温度计算出被测墙体的热阻和传热系数。
遮阳板热工性能的测定方法
在模拟室外环境下，用钼光灯模拟太阳对窗户照射，窗户的遮阳装置则对钼光灯有遮挡作用。本实验的室外环境测试系统可以采集和存储模拟室外水平面的“太阳”总辐射、垂直面上的“太阳”总辐射、水平面的“太阳”散射辐射、室外干球温度、相对湿度、风速等环境参数。利用温度、热流数据采集系统对其进行实时采集，通过巡检仪将信号输入计算机，通过对数据进行处理，得到遮阳板的热工性能。
室内空气品质的测定方法：
对人工环境实验室进行现场检测，根据平面大小进行布点。测试时间为一小时，每个测点测试五次。测试仪器应距地面高度0.8-1.5m；距墙面不小于0.5m。测试以下数据：温度、相对湿度、风速、甲醛、臭氧、氡、一氧化碳、二氧化碳、可吸入颗粒物和挥发性有机化合物。将测试值与标准值进行对照，得到超标数据和合格数据。
人体热适应和热舒适反应的测定方法：
运用室内热舒适测试系统，在人工环境实验室内对模拟的冬、夏季室内空气温度、相对湿度、风速等参数进行测试和统计，得到室内物理环境参数、主观热感觉、热舒适计算指标等，统计分析出人体的热舒适适应性行为，分析人体新陈代谢率与操作温度有无线性关系，室内空气流速与操作温度有无线性关系，人体热中性温度与室内温度有无相关性。对人体的热感觉主观反应进行统计，得出冬、夏季的热中性温度与期望温度，确立室内舒适温度与室外空气温度之间的相互适应关系。
散热器热工性能的测定方法：
在人工环境实验室内对模拟的冬季室内、室外环境下，测定空气温度、相对湿度、风速等参数，测定散热器的进出口热水水温、热水水量等数据。对散热器的热工性能进行分析计算得到供热量、传热系数；计算并分析散热器的散热量与热媒体流量和温差的关系，并还可进行散热器的阻力测试。
风机盘管热工性能的测定方法：
在人工环境实验室内对模拟的冬、夏季室内、室外环境下，测定空气温度、相对湿度、风速等参数，测定风机盘管机组的进出口冷热水水温、冷热水水量、风机盘管的回风温湿度、送风温湿度及风量等数据。运用空气侧焓差法或水侧流量计法，对风机盘管机组的热工性能进行分析计算得到风量、供冷量、供热量、能效比等参数。
Claims (3)
1.人工气候综合实验系统，其特征是包括自控系统、空调系统、加热系统、制冷系统，其中自控系统中的中控器的第一信号输出/输入端与空调系统中的风冷热泵机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第二信号输出/输入端与空调系统中的组合式空调机组的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第三信号输出/输入端与加热系统中的模拟环境区温度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第四信号输出/输入端与制冷系统中的模拟环境区温度传感器的第二信号输入/输出端对应相接；所述的自控系统的结构是自控系统中的中控器的第五信号输出/输入端与模拟环境区温度传感器的第五信号输入/输出端对应相接，模拟环境区温度传感器的第六信号输入/输出端与风机盘管、冷藏机、冷冻机的第三信号输出/输入端对应相接，模拟环境区温度传感器的第七信号输入/输出端与红外加热器、辐射光源的第三信号输出/输入端对应相接，风机盘管、冷藏机、冷冻机的第四信号输出/输入端与模拟环境区第三信号输入/输出端对应相接，红外加热器、辐射光源的第四信号输出/输入端与模拟环境区第四信号输入/输出端对应相接；自控系统中的中控器的第六信号输出/输入端与模拟环境区湿度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，模拟环境区湿度传感器的第二信号输入/输出端与加湿器的第一信号输出/输入端对应相接，加湿器的第二信号输出/输入端与模拟环境区第五信号输入/输出端对应相接；自控系统中的中控器的第七信号输出/输入端与循环风机变频器的第一信号输入/输出端对应相接，循环风机变频器的第二信号输入/输出端与循环风机的第一信号输出/输入端对应相接，循环风机的第二信号输出/输入端与模拟环境区第六信号输入/输出端对应相接，自控系统中的中控器的第八信号输出/输入端与试验区温度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，试验区温度传感器的第二信号输入/输出端与妥斯变风量阀的第一信号输入/输出端对应相接，妥斯变风量阀的第二信号输入/输出端与试验区的第二信号输出/输入端对应相接，自控系统中的中控器的第九信号输出/输入端与试验区湿度传感器的第一信号输入/输出端对应相接，试验区湿度传感器的第二信号输入/输出端与加湿器的第三信号输出/输入端对应相接，加湿器的第二信号输出/输入端与试验区的第三信号输出/输入端对应相接，自控系统中的中控器的第十信号输出/输入端与送风机及冷冻水泵变频器的第一信号输出/输入端对应相接，送风机及冷冻水泵变频器的第二信号输出/输入端与送风机及冷冻水泵的第一信号输入/输出端对应相接，送风机及冷冻水泵的第二信号输出/输入端与试验区的第四信号输入/输出端对应相接，模拟环境区的第一信号输出端与温湿度传感器采集模拟环境区温湿度数据单元的信号输入端相接，温湿度传感器采集模拟环境区温湿度数据单元的信号输出端与中控器的第一信号输入端相接，模拟环境区的第二信号输出端与风速传感器采集模拟环境区风速数据单元的信号输入端相接，风速传感器采集模拟环境区风速数据单元的信号输出端与中控器的第二信号输入端相接，试验区的第一信号输出端与温湿度传感器采集试验区温湿度数据单元的信号输入端相接，试验区的第二信号输出端与风速传感器采集试验区风速数据单元的信号输入端相接，温湿度传感器采集试验区温湿度数据单元的信号输出端与中控器的第三信号输入端相接，风速传感器采集试验区风速数据单元的信号输出端与中控器的第四信号输入端相接；空调系统包括风冷热泵机组、组合式空调机组、试验区，其中风冷热泵机组的第二信号输出/输入端与组合式空调机组的第二信号输入/输出端对应相接，组合式空调机组的第三信号输入/输出端与试验区的第一信号输出/输入端对应相接。
2.根据权利要求1所述的人工气候综合实验系统，其特征是加热系统包括模拟环境区温度传感器，红外加热器、辐射光源，模拟环境区，其中模拟环境区温度传感器的第三信号输出/输入端与红外加热器、辐射光源的第一信号输入/输出端对应相接，红外加热器、辐射光源的第二信号输入/输出端与模拟环境区的第一信号输出/输入端对应相接。
3.根据权利要求1所述的人工气候综合实验系统，其特征是制冷系统包括模拟环境区温度传感器，风机盘管、冷藏机、冷冻机，模拟环境区，其中模拟环境区温度传感器的第四信号输出/输入端与风机盘管、冷藏机、冷冻机的第一信号输出/输入端对应相接，风机盘管、冷藏机、冷冻机的第二信号输出/输入端与模拟环境区第二信号输入/输出端对应相接。
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Granted publication date: 20130320 Termination date: 20151119 |
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