人工干旱环境气候室的设计和作用

来源：　类别：技术文章　更新时间：2013-11-27　阅读次

　　我国旱作面积占总耕地面积的 52.5%, 如何抵御干旱是我国旱地农业生产与生态环境改善面临的重大科技问题。在农业与资源环境领域的科技项目中，以土壤—植被—大气界面水分传输、植物和植被群落水分的水分生理生态、植被恢复与干旱环境的关系等始终是科学研究的核心问题，而自然环境的复杂多变及不可重显性限制了研究工作的定量化和进程，人工气候室在充分利用自然资源的基础上 , 综合运用生物科学、信息科学和自动控制科学等相关学科知识 , 对特定小环境内各个环境因子 , 如温度、湿度、光照和 CO2浓度等 , 进行控制和调节 , 以满足科学研究对特定环境的需求。
　　以中国科学院大型仪器设备研制计划—人工干旱环境气候室研制项目的实体原型为基础，总结论述科学研究型人工干旱环境气候室的特点及模拟和控制温度、湿度、光照和 CO2浓度 4 个环境因素的技术方案。实现了温度、湿度、光照和 CO2浓度等参数的程序控制，满足了恒定或渐变的要求，即温、湿度的变化过程连续，不产生阶梯式变化；配置符合植物生长发育的光源，光源谱线与太阳光谱线相似，照度均匀，可分组按设定光照强度自动启闭，最小可调时间单位为 1min，并进行 24h 循环；配置有新风和排风系统，气流组织、制热、制冷方式合理，节能效果好；具有网络化分层管理及远程管理功能，并具有手机无线信号提供设备非正常运行的报警功能。该气候室可为当前旱地农业发展和生态环境建设等的科研工作提供理想的研究环境。
　　1　人工干旱环境气候室技术指标设计
　　1.1　技术指标的选定
　　根据人工干旱环境气候室的研制目标，选定植物生长发育所需的光照、温度、湿度和 CO2浓度 4个主要气候因子为模拟和控制的主要对象，并以科学研究为用途。因此，各受控气候要素并不一定为理想的植物生长发育环境，而更注重创造植物生长发育的各种极端气候条件，如低温、低湿、长日照、高光强等。从气候资料统计结果来看，气候环境的这些特征在我国西北地区普遍存在，因而成为气候室技术指标设计的现实需要。另一方面，本气候室在相对湿度下限、光照强度上限、温度下限三个指标段比常规的气候室有更高的要求。据调研和文献报道，普通气候室的温度范围在 10 ～ 40℃，相对湿度范围在 50% ～ 90%，光量子通量密度范围在200 ～ 800μmol/m2·s，而本气候室设计的温度范围是 -10 ～ 40℃、相对湿度下限为 30% ～ 90%、光量子通量密度为 200 ～ 1200μmol/m2·s。这一技术指标为模拟干旱、低温、高光强的气候环境提供了可能。由于受控要素的变化范围增大，控制难度亦随之增大。例如，由于光照强度的增大，连带出光源的辐射热增多，这给温度调节增加了难度。气候室的技术指标如表 1 所示。
　　表 1 人工干旱环境气候室技术指标

表 1 人工干旱环境气候室技术指标
　　1.2　气候室布局与建设工艺
　　气候室位于西北农林科技大学水土保持研究所，共 2 层，一层为可准确控制温度、湿度、光照和CO2浓度人工智能气候室，二层为温、湿度在一定范围内可调控的一般温室，此次重点介绍人工智能气候室。
　　人工智能气候室划分为 6 个控制单体，每个单体可分别模拟温度、湿度、光照和 CO2浓度 4 个环境因素。为了减少实验过程中开关门引起的环境因素波动，在气候室外设计了缓冲间�；撼寮淅锷柚昧� CO2气源钢瓶和减压设备，并安装有水池、实验台等设施，气候室现场控制箱采用暗藏式装于墙壁。气候室各单体在建筑框架内，加装了高密度聚氨酯彩钢板整体组合箱体，箱体几何尺寸为：4.0m×2.5m×2.0m, 有效容积为 20m3。箱体工艺按照国家《GMP》标准设计制作，使得气候室具有防火、防水、保温、隔热、隔音、无毒、无味、抗静电等作用。在箱体的顶部设计有设备层，所有的制热、制冷、加湿、通风、光照及 CO2配送管路均安装在设备层。
　　2　人工干旱环境气候室各因子的调控
　　2.1　温度的调控
　　温度调控由两个系统承担，一是空调系统，二是气流组织系统�？盏飨低程峁┪露壬档娜仍春屠湓矗髯橹低吃蚴前讶仍椿蚶湓春侠淼氖渌偷狡蚴�，从而提供设定的温度环境。
　　2.1.1　空调负荷特点分析
　　气候室温度的变化来源于两个方面。
　�。�1）温度的年变化和日变化。作为人工环境气候室必须克服这种变化，建立人工可控的温度范围和变化过程。但这种客观存在是建立人工可控的温度范围和变化过程的本底条件，它是设计空调系统必须考虑的因素。
　�。�2）人工光源产生的辐射热。为了满足植物生长发育的光条件，气候室设计了光和有效辐射为200 ～ 1000μmol/m2·s 的顶置光源，光源电功率达16.8kW。人工光源的光 - 电转换效率约为 35%，大量的热量以辐射热和对流热的形态进入气候室内。
　　辐射热被气候室内的地面、墙面、实验仪器设备和实验材料吸收并存储，而后再慢慢释放，这种辐射热的吸收 - 存储 - 释放过程，形成了气候室空调系统的滞后热量负荷。对流热是随着气流进入气候室内，形成空调系统的即时热量负荷。
　　2.1.2　空调系统的设计
　　从气候室热负荷分析和气候室的研制目标可见：热负荷变动大、热惰性差和高精度调控是气候室空调系统必须解决的问题。通过试验和比较，空调系统方案采用了变负荷制冷的智能化技术方案，其核心是每个气候室单体采用双机组和数码冷量调节技术。亦即根据热负荷的大小，自动切换机组运行的数量；同时，在制冷循环中，对制冷压缩机实施变冷煤控制。也就是说，控制系统根据室内需要的制冷量或制热量，由控制系统采集气候室内的温度并与设定的温度进行比较，通过 PID（ProportionIntegration Differentiation 比率综合鉴别）控制及模糊控制算法，由计算机自动控制机组的运行数量和压缩机冷煤量，从而精确控制输入气候室的能量，使得气候室输入的能量与气侯室耗散的能量平衡，并减少“震荡”，从而达到控制精确、温度升降变化平稳、节约能源之目的。经实际测评，智能控制机组较普通控制机组可降低用电量 40%。智能控制机组与普通机组温度控制波动性比较和升温速度比较示意如图 1，实测能耗对比如图 2 所示。
　　图 1 智能控制机组与普通机组温度控制波动性比较示意图

图 1 智能控制机组与普通机组温度控制波动性比较示意图
　　图 2 智能控制机组与普通机组的能耗对比

图 2 智能控制机组与普通机组的能耗对比
　　2.1.3　气流组织形式的设计
　　每个气候室单体由一个箱体组成，并置于一个更大的建筑空间内，气候室空调系统的室内机组安装在设备层内并通过风管与气侯室箱体相连。气流循环采用侧送侧回的循环方式。气流自气候室一侧的多个散流器格栅水平吹出，经气候室扩散后从气候室另一侧的回风格栅返回，在气候室内形成水平单项气流，从而使得气流分布均匀，温度场合理。气候室采用顶置光源灯箱结构，灯箱内设计有灯具风冷系统，将光源产生的辐射热带出气候室外，从而减轻空调系统的负荷。气流组织示意图如图 3 所示。
　　图 3 气流组织示意图

图 3 气流组织示意图
　　2.2　光照调控
　　人工气候室光源的设计的 2 个原则：一是光源的光谱类同于太阳光的光谱；二是光源的光照强度大于所栽培植物生长发育所需的光饱和点。
　　图 4 钠灯和金卤灯的光谱各波段组成图

图 4 钠灯和金卤灯的光谱各波段组成图
　　研究表明：植物进行光合作用所需的谱线并不包括所有的太阳光谱线，其所需谱线主要分布在400~500nm 紫光区和 600~700nm 的红光区，其他谱线对植物的光合作用贡献不大。综合比较国内外各种植物型人工光源的光谱曲线，选定了荷兰飞利浦农艺钠灯和金卤灯，利用钠灯和金卤灯组合得到的光谱性能很好的满足了植物光合作用对光照的要求，其光谱各波段的组成如图 4 所示。假设最大光谱强度为 1，其它波段的光谱强度为占最大光谱强度的相对比例。
　　为了提供不同光照强度的光环境，将所有钠灯和金卤灯光源分为高、中、低 3 档，并进行组合交替排列，从而提供植物生长发育均衡的光照环境。
　　2.3　湿度的调控
　　湿度的调控分为加湿和除湿两个功能相反的子系统。
　　2.3.1　加湿子系统
　　气候室采用不锈钢电加热式加湿器。其工作原理是电加热管浸没在水中，当电热管通电后，电热管产生热量，从而使水变成水蒸气。该加湿器内置恒温及预热系统，以确�？焖俅锏剿璧募邮�。电加热管采用低功率高密度设计，采用特殊的阻垢技术处理，适用于各种水质，大大延长了电热管的寿命。为了保证加湿过程的可靠性，气候室内安装有加湿器专用的供水和排水管路。湿度的控制过程是：
　　湿度传感器采集气候室的湿度参数，由计算机与实验设定的湿度参数比较，通过 PID 及模糊控制算法，控制加湿器的工作状态，从而精准控制气候室的湿度。
　　2.3.2　除湿子系统
　　除湿功能的现场执行部件是空调制冷机组和电加热器，其控制过程与加湿子系统相同。
　　2.4　CO2的调控
　　CO2的调控准确的说应该是 CO2的补偿控制，因为在气候室的技术指标中，CO2的变化范围是大气本底至 1200mg/kg。CO2调控系统采用韩国KCD 公司生产的红外线 CO2传感器测量气候室内的 CO2浓度。CO2气源采用液态钢瓶存储，经过减压后的 CO2气体通过专用管道到达气候室，并在此管道安装 CO2气体喷嘴和控制电磁阀。其控制过程为：红外线 CO2传感器测量气候室内的 CO2浓度，由计算机与实验设定的 CO2浓度比较，通过 PID 及模糊控制算法，精确控制气候室 CO2的浓度。如果气候室内的 CO2浓度高于大气本底值，并且需要降低时，通过新风换气系统或植物生长吸收降低。
　　3　人工干旱环境气候室自动控制系统
　　自动控制系统采用了智能传感技术、模糊控制技术、网络通信技术等现代先进的理论和技术，结合本气候室对温度、湿度、光照和 CO2精准控制的需要，搭建了硬件环境并开发了自动控制系统。限于篇幅仅对其物理结构和技术特点给予介绍。
　　3.1　自动控制系统的物理结构
　　控制系统由两层物理结构组成。第一层为每个气候室单体均安装独立的带有液晶触摸屏的计算机控制单元，包括控制计算机、彩色高亮度 TFT 液晶触摸屏、温湿度传感器及其通讯、设备驱动电路和控制软件组成，承担气候室单体所有参数和设备的控制（即手动模式）。第二层由工控计算机和通讯网络组成，承担系统各控制要素的优化控制计算和测量数据的管理（即自动模式）。两层之间通过工业现场总线进行连接。自动控制系统硬件结构如图 5 所示。
　　图 5 自动控制系统硬件结构框图

图 5 自动控制系统硬件结构框图
　　3.2　自动控制系统的技术特点
　�。�1）物理拓扑的两层结构提高了系统运行的可靠性。第一层可以脱离第二层独立工作。同时，第一层的各独立计算机控制单元之间以及与上位机之间采用分布式结构，这可避免某一控制单元损坏而影响其他单元的正常工作，既可以通过上位机对气候室实施调控，也可通过现场的控制单元直接对该气候室单元实施操作。这种两层物理结构保证了气候室运行的可靠性。
　�。�2）软件的算法和控制技术先进。软件系统采用多点采样、反馈控制、离散 PID 与数学模型相结合的模糊控制算法，特别是解决了制冷与制热、加湿与去湿的控制及温度与湿度间的去偶等问题。先进的智能传感技术、变频控制技术，对温度、湿度、光照可进行精准控制和过程记录。
　�。�3）图形化人机交互界面使用方便。在液晶触摸屏实时显示气候室的温度、湿度光照等实时数值、历史数据、实验设定数据和系统运行状态，菜单结构操作方便。管理计算机采用Windows XP图形界面，实时显示、记录、保存气候室的运行数据，打印运行报告。
　�。�4）系统具有远程管理接口，可接入局域网和Internet 实现远程管理功能。管理系统提供用户管理功能，非法用户无法对系统进行操作。通过手机无线信号提供了设备非正常运行的报警功能。
　　4　气候室运行与精度评估
　　经过一年的运行，气候室进行了恒温、恒湿环境下原油在土壤中的运移过程实验，黑麦草在不同光照、恒温、恒湿环境条件下的生长发育过程实验，玉米根系在不同光照、温度和湿度环境条件下的生长发育过程实验等多项实验研究。通过实验的检验核对实验数据的统计分析，认为气候室各项技术指标达到了设计的要求，并能满足实验研究的需要。
　　温度湿度的调控精度评估是在已经完成的不同实验中任意截取一天的实验数据，计算其平均偏差和相对偏差，从而评估温度、湿度的调控精度，结果如表 2。
　　表 2 温度、湿度调控精度统计表

表 2 温度、湿度调控精度统计表
　　图 6 给出了设定温度、湿度变化情况下一天内96 个测点设定温度、湿度与实测温度、湿度的散点图。其中图 6（a）和图 6（b）分别为相对湿度设定值变化和恒定情况下设定值和实测值的散点图，图 6（c）和图 6（d）分别为温度设定值变化和恒定情况下设定值和实测值的散点图。
　　图 6 温度、湿度调控精度比较

图 6 温度、湿度调控精度比较
　　通过实验数据分析，不论在变温还是恒温情况下，温度调控都有较高的精度，与设计的技术指标比较高出有 50%。而对湿度调控来说，模拟低湿度环境比模拟高湿度环境要困难一些，也表现在调控精度上低湿度不如高湿度的高，但不论在那种情况下，依然在设计的技术指标范围内。
　　光因素的调控精度可从两个方面说明，一是光波的构成，二是照射到植物体上的光量子通量密度的大小。前者通过选择钠灯和金卤灯的光源组合，已经满足了植物进行光合作用对光的波长的要求。后者通过采用 Li-6400 植物光合仪测量，所设计安装的三组光源其光量子通量密度分别为180 ～ 300μmol/m2·s、300 ～ 800μmol/m2·s 和800 ～ 1150μmol/m2·s，符合技术指标的设计要求。
　　应该说明的是光量子通量密度测量值与测量截面距光源的距离成显着正相关，也就是说，在同一组光源条件下，植物距离光源越近，光量子通量密度值越高。在实际实验过程中，合理利用气候室的空间位置和光源组合，并借助光合仪实测校准便可得到所设计的光照参数。
　　CO2的调控相对简单，当气候室中 CO2的浓度低于大气本底时，CO2调控系统便开始工作，打开CO2气瓶的喷嘴和控制电磁阀。如果气候室内的CO2浓度高于大气本底值，通过新风换气系统可迅速降低到设定值。
　　5　结语
　　（1）本气候室以模拟干旱气候环境为目标，其技术指标的选定、技术方案的设计及其建设满足了模拟干旱气候环境的特点和要求。实现了：（1）温度、湿度和 CO2等参数的程序控制，满足了恒定或渐变的要求（；2）配置符合植物生长发育的光源，光源谱线与太阳光谱线相似（；3）配置有新风和排风系统，气流组织、制热、制冷方式合理，节能效果好（；4）具有网络化分层管理及远程管理功能，并具有手机无线信号提供设备非正常运行的报警功能。
　�。�2）将现代先进技术运用到人工气候室的研制，大大提高了人工气候室的科技水平，诸如自动控制理论与技术、计算机网络与通讯技术、传感器技术等。这意味着学科交叉和先进科学技术的综合运用是提高科研实验平台科技水平的重要途径。