大型綜合氣候?qū)嶒?yàn)室基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬建軍，劉海燕，吳敬濤，張慧，吳相甫

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

大型綜合氣候?qū)嶒?yàn)室可模擬極端低溫、高溫、濕熱、降雪、太陽(yáng)輻照、積冰凍雨、淋雨、凍霧等地球表面的氣候環(huán)境[1]，可滿足大型設(shè)備或飛機(jī)整機(jī)的氣候試驗(yàn)需求。在所有的氣候環(huán)境中，溫度、濕度是最基本的氣候因素，風(fēng)、雨、雪、冰、霧等氣候環(huán)境是在溫度和濕度的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加專(zhuān)用環(huán)境模擬設(shè)備而實(shí)現(xiàn)的。因此溫度和濕度環(huán)境的模擬是大型綜合性氣候?qū)嶒?yàn)室的核心功能，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的環(huán)境模擬系統(tǒng)稱(chēng)為基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)。大型綜合氣候?qū)嶒?yàn)室具備以下特點(diǎn)：規(guī)模大，容積超過(guò)100 000 m3；溫濕度范圍寬（-55～74 ℃），并且可在24 h 內(nèi)從常溫降到-55 ℃，在 8 h 內(nèi)升溫至 74 ℃，相對(duì)濕度范圍在10%～95%內(nèi)連續(xù)可調(diào)；模擬氣候種類(lèi)復(fù)雜，熱負(fù)荷變化大（如-55 ℃降溫的熱負(fù)荷約3600 kW，升溫至+75 ℃的冷負(fù)荷約5000 kW，-25 ℃降雪的熱負(fù)荷約需6500 kW 等）。這對(duì)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了極大挑戰(zhàn)。

文中針對(duì)大型綜合性氣候?qū)嶒?yàn)室的特點(diǎn)，并綜合考慮國(guó)內(nèi)外氣候?qū)嶒?yàn)室的設(shè)計(jì)，提出了一種基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度環(huán)境的模擬和精確控制，并且具有安全性和可靠性高、占用空間小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外氣候?qū)嶒?yàn)室

美國(guó)空軍1947 年5 月在佛羅里達(dá)州格林空軍基地建成了目前世界上最大最先進(jìn)的麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室，其主環(huán)境室有效尺寸為：寬76.2 m、深61 m、中間高度22.8 m，附加一個(gè)18.3 m×26.0 m 的小環(huán)境室，用于容納超大型飛機(jī)（如C-5 飛機(jī)）的尾部，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫濕度范圍分別為-55～74 ℃和10%～95%（2～74 ℃）。低溫環(huán)境依靠三套大型離心式R22 復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)R22 的蒸發(fā)對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，三臺(tái)大型天然氣鍋爐用于產(chǎn)生高溫蒸汽，對(duì)空氣進(jìn)行加熱和加濕，除濕則是通過(guò)降低蒸發(fā)器表面溫度以降低露點(diǎn)溫度的方式[2-3]。經(jīng)過(guò)溫度和濕度處理的循環(huán)空氣經(jīng)實(shí)驗(yàn)室上部的散流器均勻地送入實(shí)驗(yàn)室，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且經(jīng)過(guò)多次升級(jí)，實(shí)驗(yàn)室集成度不高，空氣處理系統(tǒng)占地面積是環(huán)境室面積的近2 倍，且由于是直接蒸發(fā)制冷，制冷劑充注量較大，采用的是R22 制冷劑，對(duì)環(huán)境有破壞性。

韓國(guó)ADD 綜合氣候?qū)嶒?yàn)室于2008 年2 月啟用，實(shí)驗(yàn)室面積比麥金利實(shí)驗(yàn)室主環(huán)境室的1/4 還小，環(huán)境室的尺寸為：寬32 m、深42 m、高15 m，實(shí)驗(yàn)室溫度范圍為-54～54 ℃，相對(duì)濕度范圍為10%～100%（20～54 ℃）。該實(shí)驗(yàn)室采用R507 雙級(jí)壓縮制冷，采用載冷劑間接制冷的方式冷卻空氣，載冷劑為HC-30。采用蒸汽換熱器對(duì)空氣加熱及蒸汽加濕器對(duì)空氣加濕，另采用轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組對(duì)空氣除濕，經(jīng)過(guò)溫度和濕度處理的循環(huán)空氣同樣經(jīng)實(shí)驗(yàn)室上部的散流器送入實(shí)驗(yàn)室[4]。

國(guó)內(nèi)汽車(chē)、兵器、高鐵、電力等行業(yè)建立了一些氣候?qū)嶒?yàn)室，但規(guī)模都不大，體積很少超過(guò)1000 m3，且都不是綜合氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，其環(huán)境模擬系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單[5]。

2 基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)用于對(duì)所有實(shí)驗(yàn)室模擬的氣候環(huán)境提供最基本的溫度和濕度環(huán)境，因此其必須具備對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣的加熱、冷卻、加濕和除濕功能，此外還應(yīng)保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓力高于室外，防止室外濕空氣侵入實(shí)驗(yàn)室，破壞試驗(yàn)條件。為實(shí)現(xiàn)以上功能，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，共包括8 個(gè)子系統(tǒng)，其中制冷系統(tǒng)、載冷載熱系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和微正壓系統(tǒng)等5 個(gè)子系統(tǒng)為核心子系統(tǒng)；變頻啟動(dòng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)等3 個(gè)子系統(tǒng)為配套子系統(tǒng)，為常規(guī)設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)的功能如下所述。

1）制冷系統(tǒng)為冷源，產(chǎn)生的冷量輸送給載冷載熱系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)，由此產(chǎn)生的熱量由冷卻水系統(tǒng)帶走。

圖1 基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of primary climatic environment simulation system

2）載冷載熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量和由蒸汽鍋爐輸送的熱量轉(zhuǎn)送給循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)。

3）循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)循環(huán)空氣直接進(jìn)行溫度和濕度處理，將處理好的空氣再送入環(huán)境室，調(diào)節(jié)環(huán)境室內(nèi)的溫濕度。

4）新風(fēng)系統(tǒng)將室外空氣進(jìn)行降溫和除濕，然后再送入循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，與循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室濕度，維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持微正壓。

5）微正壓系統(tǒng)的主要功能是配合新風(fēng)系統(tǒng)共同控制室內(nèi)壓力和濕度。

6）冷卻水系統(tǒng)的功能為將復(fù)疊制冷系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)制冷系統(tǒng)冷凝器中的熱量帶走，或?yàn)锳S-6 載冷載熱系統(tǒng)降溫。

7）變頻啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)以任意需要的順序的變頻啟動(dòng)并無(wú)擾切換至工頻。

8）集成控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的運(yùn)行，控制各設(shè)備的開(kāi)啟和中斷等，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境室溫濕度環(huán)境。

3 核心子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 制冷系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)極端低溫環(huán)境，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度應(yīng)達(dá)到-70 ℃，而實(shí)現(xiàn)如此低的蒸發(fā)溫度主要有兩種制冷方式：雙級(jí)壓縮制冷與復(fù)疊制冷。在較低的蒸發(fā)溫度下，復(fù)疊制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更好[6-7]，而且復(fù)疊系統(tǒng)可采用兩種不同的制冷劑，每種制冷劑都在安全壓力范圍內(nèi)，安全性和可靠性更好。如采用R507 雙級(jí)壓縮制冷（ADD 實(shí)驗(yàn)室），蒸發(fā)溫度為-70 ℃時(shí)，其蒸發(fā)壓力（絕對(duì)壓力）僅為28 kPa，屬于嚴(yán)重負(fù)壓，如圖2 所示。一旦制冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致外界空氣侵入，污染整個(gè)制冷系統(tǒng)。

圖2 R507、R23 制冷劑蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力關(guān)系Fig.2 Relationship between evaporate temperature and pressure of refrigerant R507, R23

綜合考慮安全性、效率、環(huán)保等因素，采用R507/R23 復(fù)疊制冷系統(tǒng)[8]，以實(shí)現(xiàn)極端低溫環(huán)境。此外，不同的氣候試驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)生的熱負(fù)荷差別極大，如極端低溫試驗(yàn)可能只需要3500 kW[9]，但降雪試驗(yàn)由于水的相變釋放出巨大的熱量，熱負(fù)荷可達(dá)低溫環(huán)境的2倍，但溫度又相對(duì)較高。因此，制冷系統(tǒng)還應(yīng)滿足寬溫度、寬熱負(fù)荷的要求。通過(guò)對(duì)不同氣候環(huán)境熱負(fù)荷的全面分析，制冷系統(tǒng)采用“4+3”的組合形式，即4臺(tái)R507 壓縮機(jī)和3 臺(tái)R23 壓縮機(jī)，如圖3 所示。

圖3 復(fù)疊制冷系統(tǒng)Fig.3 Scheme of cascade cooling system

針對(duì)不同的氣候試驗(yàn)項(xiàng)目，制冷系統(tǒng)采用不同的運(yùn)行模式，以覆蓋所有的溫度和熱負(fù)荷，主要有以下4 種。

1）高溫制冷循環(huán)，僅1 和2 號(hào)R507 壓縮機(jī)單級(jí)壓縮運(yùn)行，配套中溫蒸發(fā)器1。主要用于太陽(yáng)輻照、風(fēng)吹雨、環(huán)境溫度～-25 ℃冷浸、環(huán)境溫度～0 ℃瞬態(tài)降溫等室內(nèi)溫度稍高的試驗(yàn)。

2）中溫制冷循環(huán)，僅3 和4 號(hào)R507 壓縮機(jī)單級(jí)壓縮運(yùn)行，配套中溫蒸發(fā)器2。功能與高溫制冷循環(huán)基本相同，通常不單獨(dú)使用，必要時(shí)可作為高溫制冷循環(huán)的備用。

3）高溫制冷循環(huán)與中溫制冷循環(huán)聯(lián)合運(yùn)行。主要用于降雪/風(fēng)吹雪、凍雨積冰等試驗(yàn)溫度相對(duì)較高但熱負(fù)荷超大的試驗(yàn)。

4）復(fù)疊制冷循環(huán)，3 和4 號(hào)R507 壓縮機(jī)與1、2、3 號(hào)R23 壓縮機(jī)組成復(fù)疊制冷循環(huán)，配套低溫蒸發(fā)器，用于-25 ℃以下極端低溫試驗(yàn)。

壓縮機(jī)需要啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)可根據(jù)熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2 載冷載熱系統(tǒng)與循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)

采用制冷劑直接蒸發(fā)冷卻空氣需要在制冷系統(tǒng)內(nèi)充注大量的制冷劑，制冷劑管道內(nèi)壓力變化較大，這對(duì)制冷系統(tǒng)的可靠性提出了較大挑戰(zhàn)，同時(shí)需要精確控制蒸發(fā)溫度和制冷劑流量才能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的精確控制。為規(guī)避以上兩個(gè)問(wèn)題，采用液態(tài)載冷劑間接制冷，以載冷劑為媒介實(shí)現(xiàn)冷量的長(zhǎng)距離傳輸和分配，并實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

綜合考慮載冷劑的安全性和經(jīng)濟(jì)性，選用兩種載冷劑[10-12]：一種是中高溫載冷劑AS-6，工作溫度為-40～100 ℃，與制冷系統(tǒng)的高溫制冷循環(huán)匹配；另一種是低溫載冷劑CH2CL2，工作溫度為-70～0 ℃，與制冷系統(tǒng)的中溫制冷循環(huán)和復(fù)疊制冷循環(huán)匹配。針對(duì)兩種載冷劑對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了兩套載冷載熱系統(tǒng)，分別為AS-6 系統(tǒng)和CH2CL2系統(tǒng)。由于載冷劑AS-6 可工作在高溫下，在AS-6 系統(tǒng)中布置了一臺(tái)蒸汽加熱板換，使得AS-6 系統(tǒng)不僅可以載冷，還可用于載熱。載冷載熱系統(tǒng)將制冷系統(tǒng)的冷量或蒸汽的熱量輸送到循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的換熱器內(nèi)，對(duì)空氣進(jìn)行溫度處理，其原理如圖4 所示。

載冷載熱系統(tǒng)包括一級(jí)循環(huán)和二級(jí)循環(huán)，其中AS-6 系統(tǒng)一級(jí)循環(huán)的設(shè)備主要包括循環(huán)泵、中溫蒸發(fā)器1（介質(zhì)R507/AS-6）、蒸汽加熱板換、冷卻水板換等；二級(jí)循環(huán)的設(shè)備主要包括循環(huán)泵、管道電加熱器、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)換熱器、混溫調(diào)節(jié)閥門(mén)等。CH2CL2系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與AS-6 系統(tǒng)類(lèi)似。

載冷載熱系統(tǒng)一級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)冷量或熱量的長(zhǎng)距離輸運(yùn)，二級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)冷量或熱量的分配。二級(jí)循環(huán)從一級(jí)循環(huán)中取液，送入循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)中的換熱器，通過(guò)控制混溫閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)從一級(jí)循環(huán)中的取液量，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱器的載冷劑溫度和空氣溫度。兩級(jí)循環(huán)均為恒流量設(shè)計(jì)，針對(duì)特定的試驗(yàn)條件，通過(guò)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速使得流過(guò)循環(huán)泵和換熱器的載冷劑流量恒定，消除了一個(gè)控制變量，使溫度控制更容易。同時(shí)一、二級(jí)可以相互獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)制冷系統(tǒng)或蒸汽系統(tǒng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致一級(jí)循環(huán)溫度產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，二級(jí)循環(huán)可最大程度地消除這種波動(dòng)的影響。

在高溫試驗(yàn)結(jié)束后的降溫，或高溫日循環(huán)試驗(yàn)，可啟用冷卻水板換，將溫度較低的冷卻水作為冷源，以節(jié)省能耗。極端低溫試驗(yàn)結(jié)束后，啟動(dòng)二級(jí)循環(huán)中的管道電加熱器進(jìn)行升溫。

循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)包括5 臺(tái)并聯(lián)且可獨(dú)立運(yùn)行的循環(huán)風(fēng)機(jī)組[13]，每臺(tái)機(jī)組包括2 個(gè)獨(dú)立且相同的全溫度通道，每個(gè)通道串聯(lián)內(nèi)布置了1 臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)和3 臺(tái)換熱器。1 臺(tái)結(jié)冰換熱器（HX1 或HX4）和1 臺(tái)中高溫?fù)Q熱器（HX2 或HX5），配套一個(gè)AS-6 二級(jí)循環(huán)，用于-25 ℃以上的試驗(yàn)。1 臺(tái)低溫?fù)Q熱器（HX3 或HX6），配套一個(gè)CH2CL2二級(jí)循環(huán)，用于-25 ℃以下的試驗(yàn)。中溫和低溫?fù)Q熱器同時(shí)工作則用于降雪、凍雨等大熱負(fù)荷試驗(yàn)。因此，在單個(gè)通道內(nèi)，即可將空氣溫度處理至任意一點(diǎn)。每臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)組在換熱器的后方布置了一套干蒸汽加濕系統(tǒng)[14]，用于對(duì)空氣進(jìn)行加濕，最高可使空氣相對(duì)濕度達(dá)到95%以上。為了保證室內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)在1 h 內(nèi)可將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣循環(huán)9 次[15]。

循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下4 點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)：5臺(tái)小型循環(huán)風(fēng)機(jī)組，使得設(shè)備的體積大大減小，可選擇貨架產(chǎn)品，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；全溫度通道設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)上的“冷、熱處理分離”集成到了一個(gè)通道內(nèi)，大大減少了所需建設(shè)空間；實(shí)驗(yàn)室的氣流組織可以分成5 個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)，利于室內(nèi)溫度場(chǎng)的控制，如圖5 所示；5 臺(tái)機(jī)組共計(jì)10 個(gè)獨(dú)立通道，大大增強(qiáng)了循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的冗余度和可靠性，不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)通道問(wèn)題而造成整個(gè)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行，影響試驗(yàn)條件。

3.3 新風(fēng)及微正壓系統(tǒng)

對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行除濕主要依靠新風(fēng)系統(tǒng)，其主要技術(shù)原理如圖6 所示。室外空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)表冷器FHX-1 除去大量的水分，且溫度降至5 ℃。然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行深度除濕，露點(diǎn)溫度可達(dá)-40 ℃，空氣溫度被加熱至30 ℃。小部分低露點(diǎn)空氣經(jīng)過(guò)蒸汽加熱后，再次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行除濕。大部分低露點(diǎn)空氣進(jìn)入后表冷，F(xiàn)HX-2 再次冷卻至5 ℃。為了減輕循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷，新風(fēng)系統(tǒng)配置了一臺(tái)深冷FHX-3，最低可冷卻至-25 ℃。低露點(diǎn)新風(fēng)經(jīng)回風(fēng)管道進(jìn)入循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），經(jīng)進(jìn)一步溫度處理后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行除濕。

配套設(shè)計(jì)了一套R(shí)134a 標(biāo)準(zhǔn)制冷系統(tǒng)，載冷劑為30%乙二醇，為前表冷和后表冷提供冷源。通常情況下，30%乙二醇供液溫度恒定為0 ℃。深冷換熱器則配套了一個(gè)AS-6 二級(jí)循環(huán)，技術(shù)原理與循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)所配置的AS-6 二級(jí)循環(huán)相同。

微正壓系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合工作進(jìn)行除濕，微正壓系統(tǒng)主體為單向機(jī)械式泄壓窗，如圖7 所述。主要組成結(jié)構(gòu)包括保溫箱體、閥門(mén)門(mén)體、配重執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓差傳感器、限位開(kāi)關(guān)、電磁門(mén)吸、風(fēng)口防護(hù)格柵等。通過(guò)調(diào)整配重，限定泄壓窗的開(kāi)啟推力，進(jìn)而限制室內(nèi)的壓力。此外，非除濕時(shí)，微正壓系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合工作，將維持室內(nèi)壓力為25 Pa，防止外界濕空氣浸入室內(nèi)。

圖5 氣候?qū)嶒?yàn)室循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)布置Fig.5 Layout of circulating air system in climatic environment test chamber

3.4 溫度和濕度控制算法

由于實(shí)驗(yàn)室容積大，換氣次數(shù)較低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱沉大，實(shí)驗(yàn)室溫度響應(yīng)存在明顯的滯后，是一個(gè)帶滯后的一階慣性系統(tǒng)[16-17]。與載冷載熱系統(tǒng)兩級(jí)循環(huán)相匹配，溫度控制也分兩級(jí)控制：一級(jí)控制載冷載熱系統(tǒng)一級(jí)循環(huán)的供液溫度，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)；二級(jí)控制載冷載熱系統(tǒng)二級(jí)循環(huán)的供液溫度，實(shí)現(xiàn)精調(diào)。

圖6 新風(fēng)系統(tǒng)Fig.6 Scheme of fresh air system

圖7 微正壓系統(tǒng)Fig.7 Scheme of micro-positive pressure system

一級(jí)溫度控制根據(jù)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)溫度，計(jì)算出所需載冷載熱一級(jí)循環(huán)的供液溫度，供液溫度控制主要由制冷系統(tǒng)自行控制，或調(diào)節(jié)蒸汽板換、冷卻水板換的供汽/供水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。二級(jí)溫度控制采用如圖8 所示的前饋-串級(jí)PID 控制系統(tǒng)[18]，外環(huán)PID 的輸入是實(shí)驗(yàn)室期望溫度。其與實(shí)驗(yàn)室溫度反饋值作差，經(jīng)外環(huán)PID 計(jì)算出送風(fēng)溫度，并作為內(nèi)環(huán)PID 的輸入。內(nèi)環(huán)選擇距離調(diào)節(jié)閥較近、滯后時(shí)間小的送風(fēng)溫度作為被控量，計(jì)算載冷劑混溫閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)口的載冷劑溫度，從而改變送風(fēng)溫度，內(nèi)環(huán)副回路的超前作用控制及時(shí)，達(dá)到快速控制室內(nèi)溫度的目的。對(duì)于前饋環(huán)節(jié)，可采用靜態(tài)型前饋控制器，即計(jì)算出熱負(fù)荷干擾帶來(lái)的送風(fēng)溫度變化值，并引入內(nèi)環(huán)控制器單位時(shí)間經(jīng)過(guò)換熱器的送風(fēng)溫度偏差計(jì)算中，從而達(dá)到抵消熱負(fù)荷干擾的目的。

圖8 二級(jí)溫度控制流程Fig.8 Secondary temperature control process

濕度控制依靠新風(fēng)系統(tǒng)和蒸汽加濕器共同完成，以絕對(duì)含濕量為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)溫濕度解耦控制：室內(nèi)濕度低于目標(biāo)濕度允差下限時(shí)，啟動(dòng)蒸汽加濕器并PID 調(diào)節(jié)加濕量，實(shí)現(xiàn)加濕，此時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)僅小風(fēng)量運(yùn)行，維持室內(nèi)壓力；室內(nèi)濕度高于目標(biāo)濕度允差上限時(shí)，僅啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)并以PID 調(diào)節(jié)新風(fēng)量[19]，實(shí)現(xiàn)除濕。

4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)冰換熱器

結(jié)冰換熱器是保證循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，結(jié)冰換熱器為變片距設(shè)計(jì)[20-21]，迎風(fēng)面片距為24 mm，背風(fēng)面片距為8 mm。在降雪、凍雨等室內(nèi)溫度較低但濕度較大甚至有霧滴、冰晶的情況下，結(jié)冰換熱器可有效對(duì)來(lái)流空氣預(yù)除濕，即使迎風(fēng)面結(jié)冰嚴(yán)重仍能保證換熱器具有一定的空氣流通面積，保護(hù)下游的中溫?fù)Q熱器換熱，有效減緩換熱器性能衰減，保證試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，如圖9 所示。

4.2 載冷載熱定壓子系統(tǒng)

由于載冷載熱系統(tǒng)工作溫度范圍大，溫度引起的熱脹冷縮效應(yīng)非常明顯，若不處理，將導(dǎo)致載冷劑系統(tǒng)管道壓力超限，危及系統(tǒng)運(yùn)行安全。因此，在兩套載冷載熱系統(tǒng)的一級(jí)循環(huán)上均設(shè)計(jì)了定壓系統(tǒng)，如圖10 所示。

圖9 降雪試驗(yàn)時(shí)結(jié)冰換熱器預(yù)除濕的效果Fig.9 Effect of frosting heat exchanger in snow test: a)windward side of ice heat exchanger; b) windward side of medium temperature heat exchanger

圖10 載冷載熱定壓BB 系統(tǒng)Fig.10 Pressure control system for secondary refrigerant and heating system:a) AS-6 pressure control system; b) CH2CL2 pressure control system

AS-6 定壓子系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)閥、定壓罐、安全閥、壓力傳感器等組成，通過(guò)監(jiān)測(cè)一次循環(huán)泵的出口壓力，控制定壓系統(tǒng)相關(guān)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。系統(tǒng)壓力低時(shí)，向定壓罐補(bǔ)充高壓氮?dú)猓▔汗拗械腁S-6流向一級(jí)循環(huán)，為系統(tǒng)增壓；系統(tǒng)壓力高時(shí)，則排出氮?dú)?，AS-6 流回定壓罐，為系統(tǒng)減壓。

由于CH2CL2在常壓下的沸點(diǎn)僅為39.8 ℃，且易揮發(fā)，整個(gè)CH2CL2為閉式系統(tǒng)。CH2CL2定壓子系統(tǒng)主要依靠帶有吸程的高壓屏蔽泵，配合相關(guān)閥門(mén)的開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)壓力低時(shí)，高壓屏蔽泵將定壓罐中的CH2CL2抽出，并泵送到一級(jí)循環(huán)內(nèi)，定壓罐中的壓力降低，CH2CL2汽化填充剩余空間；系統(tǒng)壓力高時(shí)，高壓屏蔽泵將一級(jí)循環(huán)內(nèi)的CH2CL2抽出，并泵送到定壓罐中，定壓罐壓力上升，導(dǎo)致處于氣態(tài)的CH2CL2再次液化。

4.3 載冷載熱輔助子系統(tǒng)

循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)全溫度通道設(shè)計(jì)意味著AS-6 換熱器和CH2CL2 換熱器在任何時(shí)刻都將暴露在基本相同的溫度條件下。AS-6 的冰點(diǎn)為-50 ℃，極端低溫下可能會(huì)結(jié)冰膨脹，造成換熱器損壞。CH2CL2在高溫下面臨沸騰問(wèn)題，引發(fā)換熱器內(nèi)壓力升高，同樣影響系統(tǒng)安全。為此，設(shè)計(jì)了兩套載冷載熱輔助子系統(tǒng)[22]。在極端低溫試驗(yàn)時(shí)，排空AS-6 換熱器中的載冷劑；在高溫試驗(yàn)時(shí)，控制CH2CL2換熱器中的壓力，主要技術(shù)原理如圖11 所示。

在試驗(yàn)溫度降至-40 ℃以下之前，對(duì)AS-6 換熱器進(jìn)行排空操作。排空流程是：關(guān)閉AV122C、122D→打開(kāi)MV123A、123B、123C、123D→打開(kāi)AV122F、122H 和AS-6 輔助循環(huán)泵→打開(kāi)MV123E，向換熱器中充注氮?dú)狻鷵Q熱器液位下降，低于低溫積液包LT12A、12B 中液位開(kāi)關(guān)的位置時(shí)觸發(fā)液位信號(hào)→關(guān)閉MV123E，排空完成，隨后關(guān)閉MV123A、123B、123C、123D 和AV122F、122H，關(guān)閉輔助循環(huán)泵。

圖11 載冷載熱輔助子系統(tǒng)Fig.11 Auxiliary subsystem for secondary refrigerant and heating system

在試驗(yàn)溫度回到-40 ℃時(shí)，重新充注AS-6 換熱器。操作流程是：打開(kāi)MV123A、123B、123C、123D→打開(kāi)AV122I、122G 和AS-6 輔助循環(huán)泵→打開(kāi)MV123F，將氮?dú)馀懦觥鷵Q熱器液位上升，觸發(fā)高位積液包LT12C 中的液位開(kāi)關(guān)→關(guān)閉MV123E，排空完成，隨后關(guān)閉MV123A、123B、123C、123D 和AV122I、122G，關(guān)閉輔助泵。

由排空或充注引起的系統(tǒng)壓力變化將由AS-6 定壓系統(tǒng)自動(dòng)消除。

CH2CL2輔助系統(tǒng)的操作流程與AS-6 輔助系統(tǒng)類(lèi)似，但CH2CL2輔助系統(tǒng)只對(duì)換熱器內(nèi)的壓力進(jìn)行控制，無(wú)須將換熱器排空，為此AS-6 換熱器上安裝有壓力傳感器。

載冷載熱輔助子系統(tǒng)還具有對(duì)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)換熱器進(jìn)行融霜的功能，可對(duì)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)10 個(gè)通道逐個(gè)或多個(gè)并行融霜（同一個(gè)循環(huán)機(jī)組機(jī)的兩個(gè)通道不可同時(shí)融霜）。當(dāng)結(jié)冰換熱器和低溫?fù)Q熱器的前后壓差ΔP 增量大于300 Pa 時(shí)，進(jìn)行融霜操作。以AS-6 輔助子系統(tǒng)及圖4 中的上通道為例：關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥F1、F3→關(guān)閉AV122C →開(kāi)啟AV122E、122G，開(kāi)啟AS-6 輔助循環(huán)泵、蒸汽加熱板換，預(yù)熱AS-6→TI125C 上升至35 ℃時(shí)，打開(kāi)電磁開(kāi)關(guān)閥MV123A、123，同時(shí)緩慢關(guān)閉AV122E，進(jìn)行換熱器融霜→打開(kāi)風(fēng)閥F3，F(xiàn)4，開(kāi)啟融霜吹掃機(jī)組，排出濕氣，正常情況下20 min 即可除霜完成。CH2CL2輔助子系統(tǒng)融霜操作流程與AS-6 輔助子系統(tǒng)類(lèi)似。

在載冷載熱系統(tǒng)二級(jí)循環(huán)泵出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，輔助子系統(tǒng)還可充當(dāng)備用二次循環(huán)使用。以AS-6 輔助子系統(tǒng)為例，操作流程為：關(guān)閉二次循環(huán)泵→關(guān)閉AV122C、122D→打開(kāi)MV123A、123C→打開(kāi)AV122I、122G，開(kāi)啟AS-6 輔助循環(huán)泵，備用二次循環(huán)運(yùn)行。CH2CL2輔助子系統(tǒng)備用操作流程與AS-6 輔助子系統(tǒng)類(lèi)似。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)室的功能和熱負(fù)荷，綜合考慮國(guó)內(nèi)外氣候?qū)嶒?yàn)室設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，并提出了關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：采用“4+3”結(jié)構(gòu)的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足所有試驗(yàn)條件的溫度和熱負(fù)荷要求；采用液態(tài)載冷劑實(shí)現(xiàn)冷量和熱量的長(zhǎng)距離輸運(yùn)和分配，載冷載熱系統(tǒng)的兩級(jí)循環(huán)結(jié)構(gòu)為溫度的精確控制奠定了基礎(chǔ)；5 套小型全溫度雙通道循環(huán)風(fēng)機(jī)組的設(shè)計(jì)，減小了設(shè)備體積和所需建設(shè)空間，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室分區(qū)控溫，提高實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)均勻性；結(jié)冰換熱器的設(shè)計(jì)延緩了循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)在低溫大濕度試驗(yàn)時(shí)的性能衰減速率，增強(qiáng)了試驗(yàn)的可持續(xù)性；載冷載熱定壓系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)保證了載冷載熱系統(tǒng)的安全性和可靠性。初步調(diào)試結(jié)果表明，基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)-55～74 ℃的溫度環(huán)境及5%～95%的濕度環(huán)境，溫度場(chǎng)允差在±3 ℃以?xún)?nèi)，濕度場(chǎng)允差在±5%以?xún)?nèi)，并可支持降雪、凍雨等氣候試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。