動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的研制

1、動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的研制第36卷第3期2008年3月華南理工大學(xué)(自然科學(xué)版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vo1.36NO.3March2008文章編號:1000565X(2008)03009905動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的研制術(shù)張玉孟慶林陳淵睿(1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院,廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州510640)摘要:研制風(fēng)速,溫度,濕度,熱輻射參數(shù)的小時間步長周期性控制的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重復(fù)性實(shí)驗(yàn),研究多孔建筑材料在自然氣候要素下

2、被動蒸發(fā)降溫問題的重要手段.文中研制了一種熱濕氣候動態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺.該實(shí)驗(yàn)臺除具有可調(diào)低速風(fēng)外,還通過設(shè)置紅外燈,加熱與制冷,加濕與除濕裝置,初步實(shí)現(xiàn)了對室外自然氣候要素如太陽輻射,風(fēng)速及溫濕度環(huán)境的模擬控制.熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)以計算機(jī)為核心,通過數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集,反饋和控制指令輸出,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞中環(huán)境參數(shù)的實(shí)時檢測,數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)保存等.經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)校正,風(fēng)洞內(nèi)輻射照度,風(fēng)速,溫度和濕度的控制精度分別為±10W/m,±0.2m/s,±0.5和±5%.關(guān)鍵詞:風(fēng)洞;熱濕氣候;蒸發(fā)換熱;測控系統(tǒng)中圖分類號:Tu18文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺是針

3、對我國濕熱地區(qū)城市化進(jìn)程中熱島效應(yīng)加劇,建筑能耗持續(xù)增長等問題,在分析建筑氣候資源特點(diǎn),建立熱濕環(huán)境評價體系研究中,對濕熱地區(qū)多孔建筑材料及環(huán)境鋪裝材料的熱濕傳遞和蒸發(fā)換熱等關(guān)鍵性問題進(jìn)行基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)是通過風(fēng)洞技術(shù)再現(xiàn)多孔材料在自然氣候要素周期性作用下的熱濕傳遞和蒸發(fā)換熱過程.熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的構(gòu)建,彌補(bǔ)了現(xiàn)有常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)場檢測不具備動態(tài),重復(fù)性測試比較的技術(shù)條件,為實(shí)現(xiàn)多孔材料熱濕過程的動態(tài)模擬提供了重要的基礎(chǔ)支撐.目前,國際上還未有此類動態(tài)實(shí)驗(yàn)臺.本文中將著重介紹熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的構(gòu)建及風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)構(gòu)成.1熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺構(gòu)造及各環(huán)境要素的模擬度

4、,濕度,太陽輻射照度等.該模擬過程主要實(shí)現(xiàn):(1)穩(wěn)定均勻的氣流場;(2)風(fēng)速在自然風(fēng)速的范圍內(nèi)變化;(3)能模擬濕熱地區(qū)夏季典型氣象日室外氣候溫濕度變化;(4)能模擬實(shí)現(xiàn)全天太陽輻射對測試表面的輻射照度;(5)能逐時測量材料蒸發(fā)量變化;(6)能再現(xiàn)雙向熱濕傳遞過程.1.1風(fēng)洞構(gòu)造熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室平面如圖1所示18791511(自2763:108076510001143L-_幾熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)對影響環(huán)境的各圖1熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室平面圖(單位:)個氣候要素的準(zhǔn)確模擬,其中主要包括風(fēng)速,環(huán)境溫Fig.1P1an0fh.thid.limati.windt11'ab(it:)收稿臼

5、期:20070809$基金項目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(50538040);粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項目(2004A30310001)作者簡介:張玉(1978一),女,博士生,主要從事建筑技術(shù)科學(xué)研究.E-mail:zhangyu-7876163.tom1OO華南理工大學(xué)(自然科學(xué)版)第36卷圖2熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺剖面圖Fig.2SectionplanofhothumidclimaticwindtunnellabP一光源室;Q一空調(diào)室;H一風(fēng)洞主體入口段;lI_一穩(wěn)定段;卜一實(shí)驗(yàn)段;K_吹出輔助段;L一擴(kuò)散段;M一風(fēng)機(jī)段R一電極加濕器;s一柜式空調(diào)器;T一電加熱扇;u一工業(yè)除濕機(jī);V一空調(diào);w一

6、電子天平根據(jù)熱濕氣候風(fēng)洞的使用要求和特點(diǎn),風(fēng)洞由人口段,穩(wěn)定段,試件段,吹出輔助段,擴(kuò)散段和風(fēng)機(jī)段六部分組成.風(fēng)洞內(nèi)表面無凸凹,內(nèi)表面貼鋁箔,洞壁夾層內(nèi)設(shè)置40mm的聚苯乙烯夾層.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段沿風(fēng)流動方向布置了400mm×400mm的5塊試件槽,試件表面是風(fēng)洞內(nèi)表面的一部分培J,見圖2.經(jīng)實(shí)測校驗(yàn)和模擬分析,風(fēng)洞內(nèi)橫向流場的分布優(yōu)于縱向流場分布,對稱性較好,流場基本滿足實(shí)驗(yàn)要求;實(shí)驗(yàn)段主流區(qū)溫度基本不受壁面溫度影響,取值斷面處于速度場和溫度場同程發(fā)展的紊流區(qū)J.1.2風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境風(fēng)速的模擬風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)段設(shè)置了一臺功率為750W的軸流風(fēng)機(jī),其通過計算機(jī)對變頻器的控制以及變頻器控制異步調(diào)速電機(jī)

7、的轉(zhuǎn)速達(dá)到對風(fēng)速的控制,可獲得05m/s范圍內(nèi)較為均勻的主流風(fēng)速J.1.3風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境溫濕度的模擬根據(jù)濕熱地區(qū)歷年夏季室外溫度變換范圍及實(shí)驗(yàn)設(shè)備能力,熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)基礎(chǔ)室溫的控制范圍在2040.在初步保證并假設(shè)實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)空氣溫度控制和調(diào)節(jié)不受外界環(huán)境影響的前提下,通過對柜式空調(diào)機(jī)與電加熱扇的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的模擬.同理確定風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)基礎(chǔ)相對濕度的控制范圍在40%90%.通過控制電極式加濕器與工業(yè)除濕機(jī)實(shí)現(xiàn)對測試環(huán)境濕度的模擬.實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使實(shí)驗(yàn)臺室內(nèi)空氣流動性加強(qiáng),室內(nèi)空氣溫濕度場基本達(dá)到均勻.實(shí)驗(yàn)采用KFRD一60LW/VA(ZXF)空調(diào),BFD一0104電極加濕器,電

8、熱風(fēng)扇和DH一890C工業(yè)除濕機(jī).1.4風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境輻射照度的模擬熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段安裝模擬太陽光源的8盞紅外燈,調(diào)節(jié)8盞燈的輸入功率可獲得測試試件表面不同的輻射照度.輻射光源紅外線燈的光譜能量分布主要波長范圍為3053000nm,基本包含了太陽輻射的中短波輻射2802500nm波長部分.對測試段表面輻射照度進(jìn)行梅花點(diǎn)采樣測量,得到5個試件表面的平均輻射能力基本相等,從試件依次為1017.1,1056.5,1009.6,1063.6,1003.8W/m,局部輻射能力相差0.64%11.34%,與總平均輻射能量1030W/m之問的相對誤差依次為1.25%,2.56%,2.00%,3.25%,2.5

9、6%,基本滿足實(shí)驗(yàn)誤差小于5%的要求.1.5風(fēng)洞內(nèi)材料蒸發(fā)量的模擬與測量材料蒸發(fā)過程的模擬與測量是使測試試件的含水量與已知的降雨量相等.具體操作過程為:首先將試件在105電熱烘箱中烘干至恒重,置于干燥器中自然冷卻至室溫,用電子天平稱取試件的干重.用鋼尺量取試件的外觀尺寸,計算試件在已知降雨量條件下的含水量;把該重量的水均勻地淋濺在試件表面,使水分進(jìn)入試件內(nèi)部.蒸發(fā)過程中用BW一4200H型電子天平(量程為4200g,精度為0.01g)逐時測試蒸發(fā)量數(shù)據(jù),采集點(diǎn)為試件中心1151TIIII×115mm的小試件,如圖2所示.BW一4200H系列的電子天平具有RS一232C/AUX接口,通

10、過電纜與計算機(jī)相連,將數(shù)據(jù)直接傳送到計算機(jī)中.1.6風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺空調(diào)室的設(shè)置空調(diào)室主要用來模擬與室外環(huán)境相對的室內(nèi)環(huán)境或其它測試環(huán)境.在對水平建筑屋面材料蒸發(fā)換熱問題的研究中,實(shí)驗(yàn)臺洞體下部設(shè)置的空調(diào)室保證了測試試件內(nèi)外邊界條件與實(shí)際所處的室內(nèi)熱濕邊界條件相同,空調(diào)室通過空調(diào)機(jī)控制室內(nèi)的溫度第3期張玉等:動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的研制101和相對濕度.2熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)2.1系統(tǒng)硬件組成熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)主要是對風(fēng)洞內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制和反饋數(shù)據(jù)的采集處理.系統(tǒng)以Pc機(jī)為核心,通過USB數(shù)據(jù)采集控制卡把環(huán)境參數(shù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并存入計算機(jī).計算機(jī)對獲取的數(shù)字量進(jìn)行處理得到控制量,

11、并通過采集控制卡的輸出和放大器的放大,控制風(fēng)洞內(nèi)各環(huán)境變量.風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速為開環(huán)控制,溫濕度及輻射照度為閉環(huán)控制J,環(huán)境測控系統(tǒng)硬件組成如圖3所示._口機(jī)羹薹集輸入l信理=善電I調(diào)路D/AI出l功動=>I率電l驅(qū)路鑾圖3環(huán)境測控系統(tǒng)硬件組成Fig.3Hardwareofenvironmentalmeasurementandcontrolsystem2.1.1控制機(jī)與傳感器中心控制PC機(jī)為Intel奔騰(R)D,CPU2.66GHz,160G硬盤,2GB內(nèi)存.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場校測項目共用到兩組溫濕度傳感器和一組輻射計傳感器.兩組電容式濕度傳感器輸出電壓為010V,可檢測范圍為10%95%

12、,測量精度為5%.兩組溫度熱敏電阻25時的阻值為50k1),測溫范圍為1045,測量精度0.5.CM11半球太陽輻射儀輸出范圍為01000W/m,測量精度7W/.2.1.2信號調(diào)理器以上5路傳感器信號均為微弱的壓差信號且差距較大,需配備多通道的且有不同放大倍數(shù)的信號調(diào)理器,信號調(diào)理器由斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650和OP07組成,設(shè)計成兩級放大器的結(jié)構(gòu),增益可達(dá)500或1000倍.2.1.3數(shù)據(jù)采集卡USB數(shù)據(jù)采集卡7333B,其A/D和D/A轉(zhuǎn)換精度均為12位,采樣速率最高可達(dá)10.0x10樣點(diǎn)/s,16路單端或8路差分模擬量輸入,4路模擬量輸出,16路數(shù)字量輸/輸出,3路16位定時/計數(shù)

13、器/測頻/脈沖輸出.測量時用5路模擬量輸入端子分別測量2路溫度信號,2路濕度信號和1路輻射信號;控制則分別用3路模擬量輸出來完成.該卡與Pc機(jī)的USB口連接,可在VB,VC等軟件下通過API接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制.2.2熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)各環(huán)境要素測控原理2.2.1風(fēng)速控制原理熱濕氣候風(fēng)洞風(fēng)速的控制采用直接數(shù)字式開環(huán)控制.動力源為750W三相異步電動機(jī),Pc機(jī)將于風(fēng)速設(shè)定值對應(yīng)的控制頻率信號經(jīng)RS.232輸出和RS232.485轉(zhuǎn)換后輸入變頻器,變頻器采用上述的恒壓頻比控制方式,通過RS一485輸入轉(zhuǎn)換為控制開關(guān)管的占空比,通過一定的控制時序產(chǎn)生的輸出,在工頻時就顯現(xiàn)出一定頻率正弦波形,即可控制三

14、相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,構(gòu)成整個風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng).變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本控制方式是變壓變頻(VVVF),在基頻以下采用恒壓頻比帶定子壓降補(bǔ)償?shù)目刂品绞?經(jīng)專業(yè)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)校正后,整個控制過程精度為±0.2m/s.2.2.2溫濕度測控原理熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)空氣溫度測控原理如下:首先,控制器讀入一定時間間隔設(shè)定的溫度設(shè)定值,然后將NTC熱敏電阻傳感器定時測出的實(shí)際溫度值與下一個期望達(dá)到的溫度值相比較.當(dāng)兩者差值一0.3時,該差值經(jīng)過比例一積分(PI)運(yùn)算后,輸出采樣周期內(nèi)固體繼電器(SSR)的導(dǎo)通時間,啟動電加熱扇加熱.其中,SSR導(dǎo)通時間與采樣周期之比相當(dāng)于實(shí)際平均加熱功率與SSR完全導(dǎo)通時功

15、率之比.當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定值的差值0.3oC時,則通過繼電一接觸器啟動空調(diào)器制冷至溫度設(shè)定值,如圖4所示.經(jīng)專業(yè)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)校正后,整個控制過程精度為±0.5oC.墨日_一1I=T一廠=廣I廣_1堡壁墨廣圖4溫度控制示意圖F.4Sketchoftemperaturecontrol實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)空氣相對濕度的測控原理如下:首先,控制器從文件中讀入按一定時間間隔設(shè)定的相對濕度設(shè)定值,然后將電容式濕度傳感器定時測出的實(shí)際相對濕度值與下一個期望達(dá)到的相對濕度值相比較,當(dāng)差值一3%時,該差值經(jīng)過PI運(yùn)算后,通過USB數(shù)據(jù)采集控制器給電加濕器輸出一個與加濕器的加濕量成正比的010V的直流電壓信號,啟動加濕器

16、加濕至相對濕度設(shè)定值.當(dāng)實(shí)測相對濕度和設(shè)定值的差值3%時,則導(dǎo)通固體繼電器啟動電除一一一一一一一一一一一一一一一華南理工大學(xué)(自然科學(xué)版)第36卷濕機(jī)除濕至設(shè)定值,如圖5所示.經(jīng)專業(yè)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)校正后,整個控制過程精度為±5%._.1除濕機(jī)卜JI濕度傳感器r一圖5相對濕度控制不意圖Fig.5Sketchofrelativehumiditycontrol2.2.3輻射照度控制原理熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)光源輻射照度的控制原理如下:首先,在控制機(jī)的控制軟件中讀人或輸入周期性變化的輻射照度設(shè)定值,實(shí)際光源輻射照度由輻射計CM11測出,經(jīng)由斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650構(gòu)成的兩級放大器后送到數(shù)據(jù)采集控制

17、器的A/D通道進(jìn)行采樣.實(shí)測照度值與設(shè)定值之差經(jīng)過PI運(yùn)算后,通過控制器輸出010V的直流電壓信號給全隔離單相交流調(diào)壓模塊的控制端,調(diào)節(jié)8盞紅外線燈的輸人電壓和功率,使實(shí)測值跟蹤設(shè)定值構(gòu)成輻射照度的負(fù)反饋控制,如圖6所示.經(jīng)專業(yè)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)校正后,整個控制過程精度為±10W/m.圖6光源輻射照度控制示意圖Fig.6Sketchoflampradiantintensitycontrol2.3熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)軟件熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)軟件采用VisualBasic6.0可視化程序設(shè)計語言編成,軟件采用了圖7環(huán)境測控系統(tǒng)軟件界面Fig.7Softwareinterfaceofenvi

18、ronmentalHcontrolsystemWindows圖形界面的風(fēng)格,以多級菜單和窗口實(shí)現(xiàn)控制方式,控制對象,控制值的選擇和輸入,并以數(shù)值顯示和滾動曲線實(shí)時顯示控制過程的主要環(huán)境參數(shù).環(huán)境測控系統(tǒng)軟件操作界面,如圖7所示.3熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)調(diào)試熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)調(diào)試采取了以下措施:(1)根據(jù)各環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn),分別采用不同的控制技術(shù).對輻射和風(fēng)速采用平滑過渡的控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高低反饋的動態(tài)切換,提高了控制精度.溫濕度12001000800越600琵400蓬200Op贈贈莨f窨1OO9O80706O5040o.(時刻(a)輻射照度時刻(b)溫度00000000t"-n

19、0nIn000mIn時刻(c)相對濕度ggg窨尋ggggg暑g留高=三塑璺時刻(d)風(fēng)速圖8熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的實(shí)測值和設(shè)定值tandFig.8Measurementvaluesandinstructionvaluesofenvironmentalparametersinhothumidclimaticwindtunnel壁廠一v一勰第3期張玉等:動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的研制103控制直接按輸入的指令值控制.(2)根據(jù)低速回流風(fēng)洞特點(diǎn),為避免空氣在加熱狀態(tài)下氣流導(dǎo)通困難產(chǎn)生熱淤積,風(fēng)速控制設(shè)定最小保證值為0.2m/s.(3)風(fēng)洞環(huán)境參數(shù)測量周期最小為1s,便于及時更新數(shù)值,曲線顯示以及實(shí)

20、現(xiàn)精確控制.(4)環(huán)境參數(shù)設(shè)定值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試項目實(shí)現(xiàn)自動與手動輸入,完善了運(yùn)行參數(shù)設(shè)置,控制對象和控制方式的選擇及運(yùn)行.經(jīng)過對環(huán)境測控系統(tǒng)的調(diào)試與測試,實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)已基本達(dá)到要求性能指標(biāo),如圖8所示,調(diào)試中出現(xiàn)的短時段誤差將在繼續(xù)的工作中逐步解決,以完全符合實(shí)驗(yàn)臺的測試要求.4結(jié)論熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺在常規(guī)風(fēng)洞模擬技術(shù)基礎(chǔ)上,通過設(shè)置紅外燈,風(fēng)機(jī),加熱,冷卻,加濕和除濕設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對室外自然氣候中太陽輻射,風(fēng)速及溫濕度環(huán)境的模擬,初步構(gòu)成了對濕熱地區(qū)多孔材料熱濕傳遞和蒸發(fā)換熱問題研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).熱濕氣候風(fēng)洞環(huán)境測控系統(tǒng)軟件采用Windows圖形界面的風(fēng)格,以數(shù)值顯示和滾動曲線實(shí)時顯示控

21、制過程的主要環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對四種氣候要素參數(shù)的動態(tài)控制過程.經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)校正,風(fēng)洞內(nèi)輻射照,風(fēng)速,溫度和濕度控制精度分別為±10w/m,±0.2m/s,±0.5oC和±5%.參考文獻(xiàn):孟慶林.建筑表面被動蒸發(fā)冷卻M.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001.孟慶林,胡文斌,張磊,等.建筑蒸發(fā)降溫基礎(chǔ)M.北京:科學(xué)出版社,2006.LiaoChungrain,ChiuKunhung.WindtunnelmodelingthesystemperformanceofalternativeevaporativecoolingpadsinTaiwanregionJ.B

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