人工干旱環(huán)境氣候室的設計和作用

　　我國旱作面積占總耕地面積的 52.5%, 如何抵御干旱是我國旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境改善面臨的重大科技問題。在農(nóng)業(yè)與資源環(huán)境領域的科技項目中，以土壤—植被—大氣界面水分傳輸、植物和植被群落水分的水分生理生態(tài)、植被恢復與干旱環(huán)境的關系等始終是科學研究的核心問題，而自然環(huán)境的復雜多變及不可重顯性限制了研究工作的定量化和進程，人工氣候室在充分利用自然資源的基礎上 , 綜合運用生物科學、信息科學和自動控制科學等相關學科知識 , 對特定小環(huán)境內各個環(huán)境因子 , 如溫度、濕度、光照和 CO2濃度等 , 進行控制和調節(jié) , 以滿足科學研究對特定環(huán)境的需求。
　　以中國科學院大型儀器設備研制計劃—人工干旱環(huán)境氣候室研制項目的實體原型為基礎，總結論述科學研究型人工干旱環(huán)境氣候室的特點及模擬和控制溫度、濕度、光照和 CO2濃度 4 個環(huán)境因素的技術方案。實現(xiàn)了溫度、濕度、光照和 CO2濃度等參數(shù)的程序控制，滿足了恒定或漸變的要求，即溫、濕度的變化過程連續(xù)，不產(chǎn)生階梯式變化；配置符合植物生長發(fā)育的光源，光源譜線與太陽光譜線相似，照度均勻，可分組按設定光照強度自動啟閉，最小可調時間單位為 1min，并進行 24h 循環(huán)；配置有新風和排風系統(tǒng)，氣流組織、制熱、制冷方式合理，節(jié)能效果好；具有網(wǎng)絡化分層管理及遠程管理功能，并具有手機無線信號提供設備非正常運行的報警功能。該氣候室可為當前旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設等的科研工作提供理想的研究環(huán)境。
　　1　人工干旱環(huán)境氣候室技術指標設計
　　1.1　技術指標的選定
　　根據(jù)人工干旱環(huán)境氣候室的研制目標，選定植物生長發(fā)育所需的光照、溫度、濕度和 CO2濃度 4個主要氣候因子為模擬和控制的主要對象，并以科學研究為用途。因此，各受控氣候要素并不一定為理想的植物生長發(fā)育環(huán)境，而更注重創(chuàng)造植物生長發(fā)育的各種極端氣候條件，如低溫、低濕、長日照、高光強等。從氣候資料統(tǒng)計結果來看，氣候環(huán)境的這些特征在我國西北地區(qū)普遍存在，因而成為氣候室技術指標設計的現(xiàn)實需要。另一方面，本氣候室在相對濕度下限、光照強度上限、溫度下限三個指標段比常規(guī)的氣候室有更高的要求。據(jù)調研和文獻報道，普通氣候室的溫度范圍在 10 ～ 40℃，相對濕度范圍在 50% ～ 90%，光量子通量密度范圍在200 ～ 800μmol/m2·s，而本氣候室設計的溫度范圍是 -10 ～ 40℃、相對濕度下限為 30% ～ 90%、光量子通量密度為 200 ～ 1200μmol/m2·s。這一技術指標為模擬干旱、低溫、高光強的氣候環(huán)境提供了可能。由于受控要素的變化范圍增大，控制難度亦隨之增大。例如，由于光照強度的增大，連帶出光源的輻射熱增多，這給溫度調節(jié)增加了難度。氣候室的技術指標如表 1 所示。
　　表 1 人工干旱環(huán)境氣候室技術指標

　　1.2　氣候室布局與建設工藝
　　氣候室位于西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，共 2 層，一層為可準確控制溫度、濕度、光照和CO2濃度人工智能氣候室，二層為溫、濕度在一定范圍內可調控的一般溫室，此次重點介紹人工智能氣候室。
　　人工智能氣候室劃分為 6 個控制單體，每個單體可分別模擬溫度、濕度、光照和 CO2濃度 4 個環(huán)境因素。為了減少實驗過程中開關門引起的環(huán)境因素波動，在氣候室外設計了緩沖間。緩沖間里設置了 CO2氣源鋼瓶和減壓設備，并安裝有水池、實驗臺等設施，氣候室現(xiàn)場控制箱采用暗藏式裝于墻壁。氣候室各單體在建筑框架內，加裝了高密度聚氨酯彩鋼板整體組合箱體，箱體幾何尺寸為：4.0m×2.5m×2.0m, 有效容積為 20m3。箱體工藝按照國家《GMP》標準設計制作，使得氣候室具有防火、防水、保溫、隔熱、隔音、無毒、無味、抗靜電等作用。在箱體的頂部設計有設備層，所有的制熱、制冷、加濕、通風、光照及 CO2配送管路均安裝在設備層。
　　2　人工干旱環(huán)境氣候室各因子的調控
　　2.1　溫度的調控
　　溫度調控由兩個系統(tǒng)承擔，一是空調系統(tǒng)，二是氣流組織系統(tǒng)�？照{系統(tǒng)提供溫度升降的熱源和冷源，氣流組織系統(tǒng)則是把熱源或冷源合理的輸送到氣候室，從而提供設定的溫度環(huán)境。
　　2.1.1　空調負荷特點分析
　　氣候室溫度的變化來源于兩個方面。
　�。�1）溫度的年變化和日變化。作為人工環(huán)境氣候室必須克服這種變化，建立人工可控的溫度范圍和變化過程。但這種客觀存在是建立人工可控的溫度范圍和變化過程的本底條件，它是設計空調系統(tǒng)必須考慮的因素。
　�。�2）人工光源產(chǎn)生的輻射熱。為了滿足植物生長發(fā)育的光條件，氣候室設計了光和有效輻射為200 ～ 1000μmol/m2·s 的頂置光源，光源電功率達16.8kW。人工光源的光 - 電轉換效率約為 35%，大量的熱量以輻射熱和對流熱的形態(tài)進入氣候室內。
　　輻射熱被氣候室內的地面、墻面、實驗儀器設備和實驗材料吸收并存儲，而后再慢慢釋放，這種輻射熱的吸收 - 存儲 - 釋放過程，形成了氣候室空調系統(tǒng)的滯后熱量負荷。對流熱是隨著氣流進入氣候室內，形成空調系統(tǒng)的即時熱量負荷。
　　2.1.2　空調系統(tǒng)的設計
　　從氣候室熱負荷分析和氣候室的研制目標可見：熱負荷變動大、熱惰性差和高精度調控是氣候室空調系統(tǒng)必須解決的問題。通過試驗和比較，空調系統(tǒng)方案采用了變負荷制冷的智能化技術方案，其核心是每個氣候室單體采用雙機組和數(shù)碼冷量調節(jié)技術。亦即根據(jù)熱負荷的大小，自動切換機組運行的數(shù)量；同時，在制冷循環(huán)中，對制冷壓縮機實施變冷煤控制。也就是說，控制系統(tǒng)根據(jù)室內需要的制冷量或制熱量，由控制系統(tǒng)采集氣候室內的溫度并與設定的溫度進行比較，通過 PID（ProportionIntegration Differentiation 比率綜合鑒別）控制及模糊控制算法，由計算機自動控制機組的運行數(shù)量和壓縮機冷煤量，從而精確控制輸入氣候室的能量，使得氣候室輸入的能量與氣侯室耗散的能量平衡，并減少“震蕩”，從而達到控制精確、溫度升降變化平穩(wěn)、節(jié)約能源之目的。經(jīng)實際測評，智能控制機組較普通控制機組可降低用電量 40%。智能控制機組與普通機組溫度控制波動性比較和升溫速度比較示意如圖 1，實測能耗對比如圖 2 所示。
　　圖 1 智能控制機組與普通機組溫度控制波動性比較示意圖

　　圖 2 智能控制機組與普通機組的能耗對比

　　2.1.3　氣流組織形式的設計
　　每個氣候室單體由一個箱體組成，并置于一個更大的建筑空間內，氣候室空調系統(tǒng)的室內機組安裝在設備層內并通過風管與氣侯室箱體相連。氣流循環(huán)采用側送側回的循環(huán)方式。氣流自氣候室一側的多個散流器格柵水平吹出，經(jīng)氣候室擴散后從氣候室另一側的回風格柵返回，在氣候室內形成水平單項氣流，從而使得氣流分布均勻，溫度場合理。氣候室采用頂置光源燈箱結構，燈箱內設計有燈具風冷系統(tǒng)，將光源產(chǎn)生的輻射熱帶出氣候室外，從而減輕空調系統(tǒng)的負荷。氣流組織示意圖如圖 3 所示。
　　圖 3 氣流組織示意圖

　　2.2　光照調控
　　人工氣候室光源的設計的 2 個原則：一是光源的光譜類同于太陽光的光譜；二是光源的光照強度大于所栽培植物生長發(fā)育所需的光飽和點。
　　圖 4 鈉燈和金鹵燈的光譜各波段組成圖

　　研究表明：植物進行光合作用所需的譜線并不包括所有的太陽光譜線，其所需譜線主要分布在400~500nm 紫光區(qū)和 600~700nm 的紅光區(qū)，其他譜線對植物的光合作用貢獻不大。綜合比較國內外各種植物型人工光源的光譜曲線，選定了荷蘭飛利浦農(nóng)藝鈉燈和金鹵燈，利用鈉燈和金鹵燈組合得到的光譜性能很好的滿足了植物光合作用對光照的要求，其光譜各波段的組成如圖 4 所示。假設最大光譜強度為 1，其它波段的光譜強度為占最大光譜強度的相對比例。
　　為了提供不同光照強度的光環(huán)境，將所有鈉燈和金鹵燈光源分為高、中、低 3 檔，并進行組合交替排列，從而提供植物生長發(fā)育均衡的光照環(huán)境。
　　2.3　濕度的調控
　　濕度的調控分為加濕和除濕兩個功能相反的子系統(tǒng)。
　　2.3.1　加濕子系統(tǒng)
　　氣候室采用不銹鋼電加熱式加濕器。其工作原理是電加熱管浸沒在水中，當電熱管通電后，電熱管產(chǎn)生熱量，從而使水變成水蒸氣。該加濕器內置恒溫及預熱系統(tǒng)，以確�？焖龠_到所需的加濕量。電加熱管采用低功率高密度設計，采用特殊的阻垢技術處理，適用于各種水質，大大延長了電熱管的壽命。為了保證加濕過程的可靠性，氣候室內安裝有加濕器專用的供水和排水管路。濕度的控制過程是：
　　濕度傳感器采集氣候室的濕度參數(shù)，由計算機與實驗設定的濕度參數(shù)比較，通過 PID 及模糊控制算法，控制加濕器的工作狀態(tài)，從而精準控制氣候室的濕度。
　　2.3.2　除濕子系統(tǒng)
　　除濕功能的現(xiàn)場執(zhí)行部件是空調制冷機組和電加熱器，其控制過程與加濕子系統(tǒng)相同。
　　2.4　CO2的調控
　　CO2的調控準確的說應該是 CO2的補償控制，因為在氣候室的技術指標中，CO2的變化范圍是大氣本底至 1200mg/kg。CO2調控系統(tǒng)采用韓國KCD 公司生產(chǎn)的紅外線 CO2傳感器測量氣候室內的 CO2濃度。CO2氣源采用液態(tài)鋼瓶存儲，經(jīng)過減壓后的 CO2氣體通過專用管道到達氣候室，并在此管道安裝 CO2氣體噴嘴和控制電磁閥。其控制過程為：紅外線 CO2傳感器測量氣候室內的 CO2濃度，由計算機與實驗設定的 CO2濃度比較，通過 PID 及模糊控制算法，精確控制氣候室 CO2的濃度。如果氣候室內的 CO2濃度高于大氣本底值，并且需要降低時，通過新風換氣系統(tǒng)或植物生長吸收降低。
　　3　人工干旱環(huán)境氣候室自動控制系統(tǒng)
　　自動控制系統(tǒng)采用了智能傳感技術、模糊控制技術、網(wǎng)絡通信技術等現(xiàn)代先進的理論和技術，結合本氣候室對溫度、濕度、光照和 CO2精準控制的需要，搭建了硬件環(huán)境并開發(fā)了自動控制系統(tǒng)。限于篇幅僅對其物理結構和技術特點給予介紹。
　　3.1　自動控制系統(tǒng)的物理結構
　　控制系統(tǒng)由兩層物理結構組成。第一層為每個氣候室單體均安裝獨立的帶有液晶觸摸屏的計算機控制單元，包括控制計算機、彩色高亮度 TFT 液晶觸摸屏、溫濕度傳感器及其通訊、設備驅動電路和控制軟件組成，承擔氣候室單體所有參數(shù)和設備的控制（即手動模式）。第二層由工控計算機和通訊網(wǎng)絡組成，承擔系統(tǒng)各控制要素的優(yōu)化控制計算和測量數(shù)據(jù)的管理（即自動模式）。兩層之間通過工業(yè)現(xiàn)場總線進行連接。自動控制系統(tǒng)硬件結構如圖 5 所示。
　　圖 5 自動控制系統(tǒng)硬件結構框圖

　　3.2　自動控制系統(tǒng)的技術特點
　　（1）物理拓撲的兩層結構提高了系統(tǒng)運行的可靠性。第一層可以脫離第二層獨立工作。同時，第一層的各獨立計算機控制單元之間以及與上位機之間采用分布式結構，這可避免某一控制單元損壞而影響其他單元的正常工作，既可以通過上位機對氣候室實施調控，也可通過現(xiàn)場的控制單元直接對該氣候室單元實施操作。這種兩層物理結構保證了氣候室運行的可靠性。
　　（2）軟件的算法和控制技術先進。軟件系統(tǒng)采用多點采樣、反饋控制、離散 PID 與數(shù)學模型相結合的模糊控制算法，特別是解決了制冷與制熱、加濕與去濕的控制及溫度與濕度間的去偶等問題。先進的智能傳感技術、變頻控制技術，對溫度、濕度、光照可進行精準控制和過程記錄。
　�。�3）圖形化人機交互界面使用方便。在液晶觸摸屏實時顯示氣候室的溫度、濕度光照等實時數(shù)值、歷史數(shù)據(jù)、實驗設定數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)，菜單結構操作方便。管理計算機采用Windows XP圖形界面，實時顯示、記錄、保存氣候室的運行數(shù)據(jù)，打印運行報告。
　　（4）系統(tǒng)具有遠程管理接口，可接入局域網(wǎng)和Internet 實現(xiàn)遠程管理功能。管理系統(tǒng)提供用戶管理功能，非法用戶無法對系統(tǒng)進行操作。通過手機無線信號提供了設備非正常運行的報警功能。
　　4　氣候室運行與精度評估
　　經(jīng)過一年的運行，氣候室進行了恒溫、恒濕環(huán)境下原油在土壤中的運移過程實驗，黑麥草在不同光照、恒溫、恒濕環(huán)境條件下的生長發(fā)育過程實驗，玉米根系在不同光照、溫度和濕度環(huán)境條件下的生長發(fā)育過程實驗等多項實驗研究。通過實驗的檢驗核對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，認為氣候室各項技術指標達到了設計的要求，并能滿足實驗研究的需要。
　　溫度濕度的調控精度評估是在已經(jīng)完成的不同實驗中任意截取一天的實驗數(shù)據(jù)，計算其平均偏差和相對偏差，從而評估溫度、濕度的調控精度，結果如表 2。
　　表 2 溫度、濕度調控精度統(tǒng)計表

　　圖 6 給出了設定溫度、濕度變化情況下一天內96 個測點設定溫度、濕度與實測溫度、濕度的散點圖。其中圖 6（a） 和圖 6（b） 分別為相對濕度設定值變化和恒定情況下設定值和實測值的散點圖，圖 6（c）和圖 6（d） 分別為溫度設定值變化和恒定情況下設定值和實測值的散點圖。
　　圖 6 溫度、濕度調控精度比較

　　通過實驗數(shù)據(jù)分析，不論在變溫還是恒溫情況下，溫度調控都有較高的精度，與設計的技術指標比較高出有 50%。而對濕度調控來說，模擬低濕度環(huán)境比模擬高濕度環(huán)境要困難一些，也表現(xiàn)在調控精度上低濕度不如高濕度的高，但不論在那種情況下，依然在設計的技術指標范圍內。
　　光因素的調控精度可從兩個方面說明，一是光波的構成，二是照射到植物體上的光量子通量密度的大小。前者通過選擇鈉燈和金鹵燈的光源組合，已經(jīng)滿足了植物進行光合作用對光的波長的要求。后者通過采用 Li-6400 植物光合儀測量，所設計安裝的三組光源其光量子通量密度分別為180 ～ 300μmol/m2·s、300 ～ 800μmol/m2·s 和800 ～ 1150μmol/m2·s，符合技術指標的設計要求。
　　應該說明的是光量子通量密度測量值與測量截面距光源的距離成顯著正相關，也就是說，在同一組光源條件下，植物距離光源越近，光量子通量密度值越高。在實際實驗過程中，合理利用氣候室的空間位置和光源組合，并借助光合儀實測校準便可得到所設計的光照參數(shù)。
　　CO2的調控相對簡單，當氣候室中 CO2的濃度低于大氣本底時，CO2調控系統(tǒng)便開始工作，打開CO2氣瓶的噴嘴和控制電磁閥。如果氣候室內的CO2濃度高于大氣本底值，通過新風換氣系統(tǒng)可迅速降低到設定值。
　　5　結語
　　（1）本氣候室以模擬干旱氣候環(huán)境為目標，其技術指標的選定、技術方案的設計及其建設滿足了模擬干旱氣候環(huán)境的特點和要求。實現(xiàn)了：（1）溫度、濕度和 CO2等參數(shù)的程序控制，滿足了恒定或漸變的要求（；2）配置符合植物生長發(fā)育的光源，光源譜線與太陽光譜線相似（；3）配置有新風和排風系統(tǒng)，氣流組織、制熱、制冷方式合理，節(jié)能效果好（；4）具有網(wǎng)絡化分層管理及遠程管理功能，并具有手機無線信號提供設備非正常運行的報警功能。
　�。�2）將現(xiàn)代先進技術運用到人工氣候室的研制，大大提高了人工氣候室的科技水平，諸如自動控制理論與技術、計算機網(wǎng)絡與通訊技術、傳感器技術等。這意味著學科交叉和先進科學技術的綜合運用是提高科研實驗平臺科技水平的重要途徑。