大型綜合氣候實驗室基礎環境模擬系統設計

馬建軍，劉海燕，吳敬濤，張慧，吳相甫

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

大型綜合氣候實驗室可模擬極端低溫、高溫、濕熱、降雪、太陽輻照、積冰凍雨、淋雨、凍霧等地球表面的氣候環境[1]，可滿足大型設備或飛機整機的氣候試驗需求。在所有的氣候環境中，溫度、濕度是最基本的氣候因素，風、雨、雪、冰、霧等氣候環境是在溫度和濕度的基礎上，通過增加專用環境模擬設備而實現的。因此溫度和濕度環境的模擬是大型綜合性氣候實驗室的核心功能，實現溫度和濕度的環境模擬系統稱為基礎環境模擬系統。大型綜合氣候實驗室具備以下特點：規模大，容積超過100 000 m3；溫濕度范圍寬（-55～74 ℃），并且可在24 h 內從常溫降到-55 ℃，在 8 h 內升溫至 74 ℃，相對濕度范圍在10%～95%內連續可調；模擬氣候種類復雜，熱負荷變化大（如-55 ℃降溫的熱負荷約3600 kW，升溫至+75 ℃的冷負荷約5000 kW，-25 ℃降雪的熱負荷約需6500 kW 等）。這對基礎環境模擬系統的設計提出了極大挑戰。

文中針對大型綜合性氣候實驗室的特點，并綜合考慮國內外氣候實驗室的設計，提出了一種基礎環境模擬系統設計方案，實現對溫度和濕度環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、可擴展性強等特點。

1 國內外氣候實驗室

美國空軍1947 年5 月在佛羅里達州格林空軍基地建成了目前世界上最大最先進的麥金利氣候實驗室，其主環境室有效尺寸為：寬76.2 m、深61 m、中間高度22.8 m，附加一個18.3 m×26.0 m 的小環境室，用于容納超大型飛機（如C-5 飛機）的尾部，可實現實驗室溫濕度范圍分別為-55～74 ℃和10%～95%（2～74 ℃）。低溫環境依靠三套大型離心式R22 復疊制冷系統實現，通過R22 的蒸發對空氣進行冷卻，三臺大型天然氣鍋爐用于產生高溫蒸汽，對空氣進行加熱和加濕，除濕則是通過降低蒸發器表面溫度以降低露點溫度的方式[2-3]。經過溫度和濕度處理的循環空氣經實驗室上部的散流器均勻地送入實驗室，調節實驗室內的溫度和濕度環境。由于建設年代久遠，且經過多次升級，實驗室集成度不高，空氣處理系統占地面積是環境室面積的近2 倍，且由于是直接蒸發制冷，制冷劑充注量較大，采用的是R22 制冷劑，對環境有破壞性。

韓國ADD 綜合氣候實驗室于2008 年2 月啟用，實驗室面積比麥金利實驗室主環境室的1/4 還小，環境室的尺寸為：寬32 m、深42 m、高15 m，實驗室溫度范圍為-54～54 ℃，相對濕度范圍為10%～100%（20～54 ℃）。該實驗室采用R507 雙級壓縮制冷，采用載冷劑間接制冷的方式冷卻空氣，載冷劑為HC-30。采用蒸汽換熱器對空氣加熱及蒸汽加濕器對空氣加濕，另采用轉輪除濕機組對空氣除濕，經過溫度和濕度處理的循環空氣同樣經實驗室上部的散流器送入實驗室[4]。

國內汽車、兵器、高鐵、電力等行業建立了一些氣候實驗室，但規模都不大，體積很少超過1000 m3，且都不是綜合氣候環境實驗室，其環境模擬系統相對簡單[5]。

2 基礎環境模擬系統總體結構

基礎環境模擬系統用于對所有實驗室模擬的氣候環境提供最基本的溫度和濕度環境，因此其必須具備對實驗室空氣的加熱、冷卻、加濕和除濕功能，此外還應保證實驗室內壓力高于室外，防止室外濕空氣侵入實驗室，破壞試驗條件。為實現以上功能，設計了基礎環境模擬系統的總體結構，如圖1 所示，共包括8 個子系統，其中制冷系統、載冷載熱系統、循環風系統、新風系統和微正壓系統等5 個子系統為核心子系統；變頻啟動系統、冷卻水系統和集成控制系統等3 個子系統為配套子系統，為常規設計，各子系統的功能如下所述。

1）制冷系統為冷源，產生的冷量輸送給載冷載熱系統和發動機補氣系統，由此產生的熱量由冷卻水系統帶走。

圖1 基礎環境模擬系統總體結構Fig.1 Overall structure of primary climatic environment simulation system

2）載冷載熱系統為閉式循環系統，將制冷系統產生的冷量和由蒸汽鍋爐輸送的熱量轉送給循環風系統和新風系統。

3）循環風系統對循環空氣直接進行溫度和濕度處理，將處理好的空氣再送入環境室，調節環境室內的溫濕度。

4）新風系統將室外空氣進行降溫和除濕，然后再送入循環風系統，與循環風系統共同調節實驗室濕度，維持實驗室內保持微正壓。

5）微正壓系統的主要功能是配合新風系統共同控制室內壓力和濕度。

6）冷卻水系統的功能為將復疊制冷系統、標準制冷系統冷凝器中的熱量帶走，或為AS-6 載冷載熱系統降溫。

7）變頻啟動系統實現多臺電機以任意需要的順序的變頻啟動并無擾切換至工頻。

8）集成控制系統協調各系統的運行，控制各設備的開啟和中斷等，以實現環境室溫濕度環境。

3 核心子系統設計方案

3.1 制冷系統

要實現極端低溫環境，制冷系統的蒸發溫度應達到-70 ℃，而實現如此低的蒸發溫度主要有兩種制冷方式：雙級壓縮制冷與復疊制冷。在較低的蒸發溫度下，復疊制冷系統的經濟性更好[6-7]，而且復疊系統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，安全性和可靠性更好。如采用R507 雙級壓縮制冷（ADD 實驗室），蒸發溫度為-70 ℃時，其蒸發壓力（絕對壓力）僅為28 kPa，屬于嚴重負壓，如圖2 所示。一旦制冷系統發生泄漏，將導致外界空氣侵入，污染整個制冷系統。

圖2 R507、R23 制冷劑蒸發溫度與蒸發壓力關系Fig.2 Relationship between evaporate temperature and pressure of refrigerant R507, R23

綜合考慮安全性、效率、環保等因素，采用R507/R23 復疊制冷系統[8]，以實現極端低溫環境。此外，不同的氣候試驗項目產生的熱負荷差別極大，如極端低溫試驗可能只需要3500 kW[9]，但降雪試驗由于水的相變釋放出巨大的熱量，熱負荷可達低溫環境的2倍，但溫度又相對較高。因此，制冷系統還應滿足寬溫度、寬熱負荷的要求。通過對不同氣候環境熱負荷的全面分析，制冷系統采用“4+3”的組合形式，即4臺R507 壓縮機和3 臺R23 壓縮機，如圖3 所示。

圖3 復疊制冷系統Fig.3 Scheme of cascade cooling system

針對不同的氣候試驗項目，制冷系統采用不同的運行模式，以覆蓋所有的溫度和熱負荷，主要有以下4 種。

1）高溫制冷循環，僅1 和2 號R507 壓縮機單級壓縮運行，配套中溫蒸發器1。主要用于太陽輻照、風吹雨、環境溫度～-25 ℃冷浸、環境溫度～0 ℃瞬態降溫等室內溫度稍高的試驗。

2）中溫制冷循環，僅3 和4 號R507 壓縮機單級壓縮運行，配套中溫蒸發器2。功能與高溫制冷循環基本相同，通常不單獨使用，必要時可作為高溫制冷循環的備用。

3）高溫制冷循環與中溫制冷循環聯合運行。主要用于降雪/風吹雪、凍雨積冰等試驗溫度相對較高但熱負荷超大的試驗。

4）復疊制冷循環，3 和4 號R507 壓縮機與1、2、3 號R23 壓縮機組成復疊制冷循環，配套低溫蒸發器，用于-25 ℃以下極端低溫試驗。

壓縮機需要啟動的臺數可根據熱負荷自動調節。

3.2 載冷載熱系統與循環風系統

采用制冷劑直接蒸發冷卻空氣需要在制冷系統內充注大量的制冷劑，制冷劑管道內壓力變化較大，這對制冷系統的可靠性提出了較大挑戰，同時需要精確控制蒸發溫度和制冷劑流量才能實現對室內溫度的精確控制。為規避以上兩個問題，采用液態載冷劑間接制冷，以載冷劑為媒介實現冷量的長距離傳輸和分配，并實現溫度的精確控制。

綜合考慮載冷劑的安全性和經濟性，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 ℃，與制冷系統的高溫制冷循環匹配；另一種是低溫載冷劑CH2CL2，工作溫度為-70～0 ℃，與制冷系統的中溫制冷循環和復疊制冷循環匹配。針對兩種載冷劑對應設計了兩套載冷載熱系統，分別為AS-6 系統和CH2CL2系統。由于載冷劑AS-6 可工作在高溫下，在AS-6 系統中布置了一臺蒸汽加熱板換，使得AS-6 系統不僅可以載冷，還可用于載熱。載冷載熱系統將制冷系統的冷量或蒸汽的熱量輸送到循環風系統的換熱器內，對空氣進行溫度處理，其原理如圖4 所示。

載冷載熱系統包括一級循環和二級循環，其中AS-6 系統一級循環的設備主要包括循環泵、中溫蒸發器1（介質R507/AS-6）、蒸汽加熱板換、冷卻水板換等；二級循環的設備主要包括循環泵、管道電加熱器、循環風系統換熱器、混溫調節閥門等。CH2CL2系統的組成結構與AS-6 系統類似。

載冷載熱系統一級循環實現冷量或熱量的長距離輸運，二級循環實現冷量或熱量的分配。二級循環從一級循環中取液，送入循環風系統中的換熱器，通過控制混溫閥開度，調節從一級循環中的取液量，進而調節進入換熱器的載冷劑溫度和空氣溫度。兩級循環均為恒流量設計，針對特定的試驗條件，通過調節泵的轉速使得流過循環泵和換熱器的載冷劑流量恒定，消除了一個控制變量，使溫度控制更容易。同時一、二級可以相互獨立運行，當制冷系統或蒸汽系統不穩定而導致一級循環溫度產生波動時，二級循環可最大程度地消除這種波動的影響。

在高溫試驗結束后的降溫，或高溫日循環試驗，可啟用冷卻水板換，將溫度較低的冷卻水作為冷源，以節省能耗。極端低溫試驗結束后，啟動二級循環中的管道電加熱器進行升溫。

循環風系統包括5 臺并聯且可獨立運行的循環風機組[13]，每臺機組包括2 個獨立且相同的全溫度通道，每個通道串聯內布置了1 臺離心式風機和3 臺換熱器。1 臺結冰換熱器（HX1 或HX4）和1 臺中高溫換熱器（HX2 或HX5），配套一個AS-6 二級循環，用于-25 ℃以上的試驗。1 臺低溫換熱器（HX3 或HX6），配套一個CH2CL2二級循環，用于-25 ℃以下的試驗。中溫和低溫換熱器同時工作則用于降雪、凍雨等大熱負荷試驗。因此，在單個通道內，即可將空氣溫度處理至任意一點。每臺循環風機組在換熱器的后方布置了一套干蒸汽加濕系統[14]，用于對空氣進行加濕，最高可使空氣相對濕度達到95%以上。為了保證室內溫度場的均勻性，循環風系統在1 h 內可將實驗室內的空氣循環9 次[15]。

循環風系統的設計具有以下4 點明顯的優勢：5臺小型循環風機組，使得設備的體積大大減小，可選擇貨架產品，降低了設計風險；全溫度通道設計，使傳統上的“冷、熱處理分離”集成到了一個通道內，大大減少了所需建設空間；實驗室的氣流組織可以分成5 個溫度區進行調節，利于室內溫度場的控制，如圖5 所示；5 臺機組共計10 個獨立通道，大大增強了循環風系統的冗余度和可靠性，不會因為單個通道問題而造成整個循環風系統無法運行，影響試驗條件。

3.3 新風及微正壓系統

對實驗室進行除濕主要依靠新風系統，其主要技術原理如圖6 所示。室外空氣經過過濾后，由風機驅動，經過第一級表冷器FHX-1 除去大量的水分，且溫度降至5 ℃。然后經過轉輪進行深度除濕，露點溫度可達-40 ℃，空氣溫度被加熱至30 ℃。小部分低露點空氣經過蒸汽加熱后，再次經過轉輪，對轉輪進行除濕。大部分低露點空氣進入后表冷，FHX-2 再次冷卻至5 ℃。為了減輕循環風系統的熱負荷，新風系統配置了一臺深冷FHX-3，最低可冷卻至-25 ℃。低露點新風經回風管道進入循環風系統（見圖4），經進一步溫度處理后進入實驗室內，對實驗室進行除濕。

配套設計了一套R134a 標準制冷系統，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AS-6 二級循環，技術原理與循環風系統所配置的AS-6 二級循環相同。

微正壓系統與新風系統聯合工作進行除濕，微正壓系統主體為單向機械式泄壓窗，如圖7 所述。主要組成結構包括保溫箱體、閥門門體、配重執行機構、壓差傳感器、限位開關、電磁門吸、風口防護格柵等。通過調整配重，限定泄壓窗的開啟推力，進而限制室內的壓力。此外，非除濕時，微正壓系統與新風系統聯合工作，將維持室內壓力為25 Pa，防止外界濕空氣浸入室內。

圖5 氣候實驗室循環風系統布置Fig.5 Layout of circulating air system in climatic environment test chamber

3.4 溫度和濕度控制算法

由于實驗室容積大，換氣次數較低，圍護結構熱沉大，實驗室溫度響應存在明顯的滯后，是一個帶滯后的一階慣性系統[16-17]。與載冷載熱系統兩級循環相匹配，溫度控制也分兩級控制：一級控制載冷載熱系統一級循環的供液溫度，實現粗調；二級控制載冷載熱系統二級循環的供液溫度，實現精調。

圖6 新風系統Fig.6 Scheme of fresh air system

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

一級溫度控制根據實驗室目標溫度，計算出所需載冷載熱一級循環的供液溫度，供液溫度控制主要由制冷系統自行控制，或調節蒸汽板換、冷卻水板換的供汽/供水量來實現。二級溫度控制采用如圖8 所示的前饋-串級PID 控制系統[18]，外環PID 的輸入是實驗室期望溫度。其與實驗室溫度反饋值作差，經外環PID 計算出送風溫度，并作為內環PID 的輸入。內環選擇距離調節閥較近、滯后時間小的送風溫度作為被控量，計算載冷劑混溫閥的開度，調節換熱器進口的載冷劑溫度，從而改變送風溫度，內環副回路的超前作用控制及時，達到快速控制室內溫度的目的。對于前饋環節，可采用靜態型前饋控制器，即計算出熱負荷干擾帶來的送風溫度變化值，并引入內環控制器單位時間經過換熱器的送風溫度偏差計算中，從而達到抵消熱負荷干擾的目的。

圖8 二級溫度控制流程Fig.8 Secondary temperature control process

濕度控制依靠新風系統和蒸汽加濕器共同完成，以絕對含濕量為控制對象，實現溫濕度解耦控制：室內濕度低于目標濕度允差下限時，啟動蒸汽加濕器并PID 調節加濕量，實現加濕，此時新風系統僅小風量運行，維持室內壓力；室內濕度高于目標濕度允差上限時，僅啟動新風系統并以PID 調節新風量[19]，實現除濕。

4 關鍵設計

4.1 結冰換熱器

結冰換熱器是保證循環風系統正常運行的關鍵設計之一，結冰換熱器為變片距設計[20-21]，迎風面片距為24 mm，背風面片距為8 mm。在降雪、凍雨等室內溫度較低但濕度較大甚至有霧滴、冰晶的情況下，結冰換熱器可有效對來流空氣預除濕，即使迎風面結冰嚴重仍能保證換熱器具有一定的空氣流通面積，保護下游的中溫換熱器換熱，有效減緩換熱器性能衰減，保證試驗的持續進行，如圖9 所示。

4.2 載冷載熱定壓子系統

由于載冷載熱系統工作溫度范圍大，溫度引起的熱脹冷縮效應非常明顯，若不處理，將導致載冷劑系統管道壓力超限，危及系統運行安全。因此，在兩套載冷載熱系統的一級循環上均設計了定壓系統，如圖10 所示。

圖9 降雪試驗時結冰換熱器預除濕的效果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 定壓子系統主要由調節閥、定壓罐、安全閥、壓力傳感器等組成，通過監測一次循環泵的出口壓力，控制定壓系統相關閥門的開啟和關閉。系統壓力低時，向定壓罐補充高壓氮氣，定壓罐中的AS-6流向一級循環，為系統增壓；系統壓力高時，則排出氮氣，AS-6 流回定壓罐，為系統減壓。

由于CH2CL2在常壓下的沸點僅為39.8 ℃，且易揮發，整個CH2CL2為閉式系統。CH2CL2定壓子系統主要依靠帶有吸程的高壓屏蔽泵，配合相關閥門的開啟來實現。系統壓力低時，高壓屏蔽泵將定壓罐中的CH2CL2抽出，并泵送到一級循環內，定壓罐中的壓力降低，CH2CL2汽化填充剩余空間；系統壓力高時，高壓屏蔽泵將一級循環內的CH2CL2抽出，并泵送到定壓罐中，定壓罐壓力上升，導致處于氣態的CH2CL2再次液化。

4.3 載冷載熱輔助子系統

循環風系統全溫度通道設計意味著AS-6 換熱器和CH2CL2 換熱器在任何時刻都將暴露在基本相同的溫度條件下。AS-6 的冰點為-50 ℃，極端低溫下可能會結冰膨脹，造成換熱器損壞。CH2CL2在高溫下面臨沸騰問題，引發換熱器內壓力升高，同樣影響系統安全。為此，設計了兩套載冷載熱輔助子系統[22]。在極端低溫試驗時，排空AS-6 換熱器中的載冷劑；在高溫試驗時，控制CH2CL2換熱器中的壓力，主要技術原理如圖11 所示。

在試驗溫度降至-40 ℃以下之前，對AS-6 換熱器進行排空操作。排空流程是：關閉AV122C、122D→打開MV123A、123B、123C、123D→打開AV122F、122H 和AS-6 輔助循環泵→打開MV123E，向換熱器中充注氮氣→換熱器液位下降，低于低溫積液包LT12A、12B 中液位開關的位置時觸發液位信號→關閉MV123E，排空完成，隨后關閉MV123A、123B、123C、123D 和AV122F、122H，關閉輔助循環泵。

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

在試驗溫度回到-40 ℃時，重新充注AS-6 換熱器。操作流程是：打開MV123A、123B、123C、123D→打開AV122I、122G 和AS-6 輔助循環泵→打開MV123F，將氮氣排出→換熱器液位上升，觸發高位積液包LT12C 中的液位開關→關閉MV123E，排空完成，隨后關閉MV123A、123B、123C、123D 和AV122I、122G，關閉輔助泵。

由排空或充注引起的系統壓力變化將由AS-6 定壓系統自動消除。

CH2CL2輔助系統的操作流程與AS-6 輔助系統類似，但CH2CL2輔助系統只對換熱器內的壓力進行控制，無須將換熱器排空，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還具有對循環風系統換熱器進行融霜的功能，可對循環風系統10 個通道逐個或多個并行融霜（同一個循環機組機的兩個通道不可同時融霜）。當結冰換熱器和低溫換熱器的前后壓差ΔP 增量大于300 Pa 時，進行融霜操作。以AS-6 輔助子系統及圖4 中的上通道為例：關閉循環風機和風閥F1、F3→關閉AV122C →開啟AV122E、122G，開啟AS-6 輔助循環泵、蒸汽加熱板換，預熱AS-6→TI125C 上升至35 ℃時，打開電磁開關閥MV123A、123，同時緩慢關閉AV122E，進行換熱器融霜→打開風閥F3，F4，開啟融霜吹掃機組，排出濕氣，正常情況下20 min 即可除霜完成。CH2CL2輔助子系統融霜操作流程與AS-6 輔助子系統類似。

在載冷載熱系統二級循環泵出現問題時，輔助子系統還可充當備用二次循環使用。以AS-6 輔助子系統為例，操作流程為：關閉二次循環泵→關閉AV122C、122D→打開MV123A、123C→打開AV122I、122G，開啟AS-6 輔助循環泵，備用二次循環運行。CH2CL2輔助子系統備用操作流程與AS-6 輔助子系統類似。

5 結語

通過分析實驗室的功能和熱負荷，綜合考慮國內外氣候實驗室設計特點，提出了基礎環境模擬系統的功能和結構，并提出了關鍵子系統的設計方案：采用“4+3”結構的制冷系統設計，滿足所有試驗條件的溫度和熱負荷要求；采用液態載冷劑實現冷量和熱量的長距離輸運和分配，載冷載熱系統的兩級循環結構為溫度的精確控制奠定了基礎；5 套小型全溫度雙通道循環風機組的設計，減小了設備體積和所需建設空間，降低了設計風險，并對實驗室分區控溫，提高實驗室溫度場均勻性；結冰換熱器的設計延緩了循環風系統在低溫大濕度試驗時的性能衰減速率，增強了試驗的可持續性；載冷載熱定壓系統和輔助子系統保證了載冷載熱系統的安全性和可靠性。初步調試結果表明，基礎環境模擬系統可實現-55～74 ℃的溫度環境及5%～95%的濕度環境，溫度場允差在±3 ℃以內，濕度場允差在±5%以內，并可支持降雪、凍雨等氣候試驗，達到了設計要求。