一种人工气候室空气内循环系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种人工气候室空气内循环系统及其控制方法，属于植物栽培技术领域。

背景技术：

人工气候室或温室是植物生产及科学实验研究的重要基础设施，其作用是能够人为调节或控制作物的生长环境，降低自然条件对作物栽培的限制。同时，人工气候室可对其内部各环境因子，如温度、湿度、光照和co2浓度等，进行分别控制和自动调节，以满足特定环境需求的系统，在工业、农业、航空等领域都具有广泛的应用。

然而，虽然现有技术中的人工气候室可通过空调和加湿、除湿设备对室内空气温、湿度进行精确控制，但在考虑成本因素的前提下，通常将这些设备的送风口安装在人工气候室的一侧，因此很容易造成人工气候室内温、湿度控制不均匀的现象，从而导致在人工气候室内进行科学试验时，特别是对环境温湿度的精度有较高要求的试验，会造成较大的影响，而传统的通过加大送风量以加速人工气候室内空气混合的方法不但消耗了过多能源，而且，大风力会对人工气候室内的植物造成一定的影响。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种人工气候室空气内循环系统，使人工气候室内部能够保持均匀的温、湿度控制。

技术方案：一种人工气候室空气内循环系统，包括分别安装在人工气候室内的风机、风道、排气管、底板、温湿度传感器、控制器，所述底板的四周分别与所述人工气候室的四周内壁相接以通过所述底板将所述人工气候室分隔为上方对流层和下方混合层，所述底板上开设有连通所述上方对流层和下方混合层的通风孔，所述风道穿设所述底板，所述风道的入口位于所述上方对流层内、出口位于所述下方混合层内，所述风机安装在所述入口处，所述排气管安装于所述下方混合层内且与所述风道的出口连通，所述排气管上开设有排风孔，所述温湿度传感器、风机与所述控制器信号关联，所述控制器根据所述温湿度传感器反馈调节所述风机的转速。

本发明的原理是：使用时，控制器根据温湿度传感器的数据反馈调节风机的转速，人工气候室内的上层空气在风机的引风作用下，由风道的入口进入风道内，并从出口排出至排风管内，再通过排风管上开设的排风孔排出至下方混合层，使上层空气与下层空气在下方混合层内混合，经过混合后的空气再通过底板上的通风孔重新流回上方对流层，并循环混合以使人工气候室内不同空间的空气得到均匀的温湿交换，从而精确控制人工气候室内温、湿度。

进一步，所述排气管水平设置于所述人工气候室底部，以使通过排风孔排出至下方混合层内的上层空气可从人工气候室底部开始与下层空气混合，提升温湿交换效率。

进一步，所述排风孔的开设方向与所述通风孔的开设方向垂直，以对排风孔的排气路线形成阻挡，避免上层空气通过排风孔排出后，直接沿通风孔流回上方对流层。

优选的，所述排风孔水平开设在所述排气管上，所述通风孔竖直开设在所述底板上。

进一步，所述风道包括横风道、竖风道，所述横风道横向设置于所述上方对流层顶部，所述竖风道穿设所述底板，所述竖风道的顶部与所述横风道的中部连通，所述横风道的两端分别开设所述入口，所述竖风道底部开设所述出口。本结构通过横风道同时引风收集多个位置上层空气，并将横风道设置于上方对流层顶部，提升空气对流速度，延长空气温湿交换时间，从而提升了温湿交换效率。

优选的，所述下方混合层的高度为5-10cm。

本发明还提供了一种人工气候室空气内循环系统的控制方法，使人工气候室内部保持均匀温、湿度控制的同时，最大程度的减少人工气候室内的空气流动速度，减少风力对人工气候室内植物的影响，并在一定程度上降低能源消耗。

技术方案：一种上述人工气候室空气内循环系统的控制方法，人工气候室内沿高度方向均布设置有至少两个温湿度传感器组，每个温湿度传感器组包括至少两个设置在相同高度上的温湿度传感器；

该控制方法包括以下步骤：

s0：系统启动后，风机以最高转速100％运行；

s1：控制器接收每个温湿度传感器检测的温、湿度数据反馈，并计算每个温湿度传感器组的温度平均值t1…tn和湿度平均值h1…hn，并利用以下公式计算温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh：

其中，ti表示任一温湿度传感器组的温度平均值；表示t1...tn的平均值；hi表示任一温湿度传感器组的湿度平均值；表示h1...hn的平均值；

s2：取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值rsdmax，通过以下函数计算风机的转速y:

其中，风机的转速y以百分比表示；a、b分别表示相对标准偏差的低阈值和高阈值；

s3：控制器控制风机以转速y工作；

s4：风机将风道入口处的上层空气引入风道内，并依次通过风道、排气管、排风孔将该上层空气排出至下方混合层，与下方混合层内的下层空气混合后，通过底板上的通风孔被风机引回上方对流层，并再次通过风道入口将混合后空气引入风道，完成上层空气、下层空气的循环；

s5：温湿度传感器的反馈更新时间t后，控制器再次接收每个温湿度传感器检测的温、湿度数据反馈，重复步骤s1-s4。

进一步，风道的入口为四个且分别位于人工气候室的顶部四角，每个入口处分别安装风机，每个温湿度传感器组包括四个温湿度传感器，该四个温湿度传感器分别设置于人工气候室同一高度的四角上；

步骤s3包括:

s3.1：控制器计算每个温湿度传感器组的温度极差t1-dif…tn-dif；

s3.2：取所有温度极差t1-dif…tn-dif中的最大值，记为tdif-max，并记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记为sij，与该标记为sij的温湿度传感器设置在人工气候室相同角落的风机标记为fj，其中，i＝1…n表示各温湿度传感器组的高度编号；j＝1、2、3、4表示该温湿度传感器组内四个温度传感器的位置编号，四个风机的位置编号与该四个温度传感器的位置编号对应，

该风机fj转速为yj，通过以下函数计算风机fj的转速yj:

s3.3：控制器控制风机fj的转速为yj，其余三个风机转速为y。

优选的，温湿度传感器的反馈更新时间t设置为5s～30min，温湿度传感器组的个数n为2～10。

优选的，a＝0.05，b＝0.15。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：1、使人工气候室内的上层空气、下层空气循环对流、混合，形成有效的湿热传递，保证人工气候室内的温、湿度控制精度；2、通过提升进风效率、延长对流时间、控制排气角度等方式，有效提升了上层空气、下层空气的湿热传递效率；3、根据人工气候室内温湿度实时立体分布状况对风机转速进行反馈调节，实现高效节能运行。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为排气管位置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种人工气候室空气内循环系统，如附图1所示，包括分别安装在人工气候室100内的风机1、风道2、排气管3、底板4、温湿度传感器5、控制器6。

底板4的四周分别与人工气候室100的四周内壁相接以通过底板4将人工气候室100分隔为上方对流层7和下方混合层8，下方混合层8的高度优选为5-10cm。底板4上开设有连通上方对流层7和下方混合层8的通风孔41，风道2穿设底板4，风道2的入口21位于上方对流层7内、出口22位于下方混合层8内，风机1安装在风道2的入口21处，排气管3安装于下方混合层8内且与风道2的出口22连通，排气管3上开设有排风孔31。温湿度传感器5、风机1与控制器6信号关联，控制器6根据温湿度传感器5的反馈调节风机1的转速。

本实施例中，风道2具体包括横风道23、竖风道24，横风道23横向设置于上方对流层5顶部，竖风道24竖向穿设底板4，竖风道24的顶部与横风道23的中部连通，横风道23的两端分别开设入口21，竖风道24底部开设出口22。横风道23、竖风道24、排气管3形成“工”字型结构。

如附图2所示，排气管3水平设置于人工气候室100底部。排风孔31的开设方向与通风孔41的开设方向垂直，以对排风孔的排气路线形成阻挡，避免上层空气通过排风孔排出后，直接沿通风孔流回上方对流层。本实施例中，排风孔31优选为水平开设在排气管3上，通风孔41优选为竖直开设在底板4上。

本实施例还提供了一种人工气候室空气内循环系统的控制方法，风道的入口为四个且分别位于人工气候室的顶部四角，每个入口处分别安装风机，人工气候室内沿高度方向均布设置有至少两个温湿度传感器组，每个温湿度传感器组包括四个温湿度传感器，该四个温湿度传感器分别设置于人工气候室同一高度的四角上；

该控制方法包括以下步骤：

s0：系统启动后，风机以最高转速100％运行；

s1：控制器接收每个温湿度传感器检测的温、湿度数据反馈，并计算每个温湿度传感器组的温度平均值t1…tn和湿度平均值h1…hn，利用以下公式计算温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh：

其中，ti表示任一温湿度传感器组的温度平均值；表示t1...tn的平均值；hi表示任一温湿度传感器组的湿度平均值；表示h1...hn的平均值；

s2：取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值rsdmax，通过以下函数计算风机的转速y:

其中，风机的转速y以百分比表示；a、b分别表示相对标准偏差的低阈值和高阈值；

s3.1：控制器计算每个温湿度传感器组的温度极差t1-dif…tn-dif；

s3.2：取所有温度极差t1-dif…tn-dif中的最大值，记为tdif-max，并记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记为sij，与该标记为sij的温湿度传感器设置在人工气候室相同角落的风机标记为fj，其中，i＝1…n表示各温湿度传感器组的高度编号；j＝1、2、3、4表示该温湿度传感器组内四个温度传感器的位置编号，四个风机的位置编号与该四个温度传感器的位置编号对应，该风机fj转速为yj，通过以下函数计算风机fj的转速yj:

s3.3：控制器控制风机fj的转速为yj，其余三个风机转速为y；

s4：风机将风道入口处的上层空气引入风道内，并依次通过风道、排气管、排风孔将该上层空气排出至下方混合层，与下方混合层内的下层空气混合后，通过底板上的通风孔被风机引回上方对流层，并再次通过风道入口将混合后空气引入风道，完成上层空气、下层空气的循环；

s5：温湿度传感器的反馈更新时间t后，控制器再次接收每个温湿度传感器检测的温、湿度数据反馈，重复步骤s1-s4。

本实施例中，具体以n＝4，t＝3min，a＝0.05，b＝0.15运行了本实施例。

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝55℃、t2＝40℃、t3＝35℃、t4＝41℃，湿度平均值的计算结果为h1＝61％、h2＝69％、h3＝80％、h4＝71％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.20，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.18；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝0.20，计算风机的转速应为100％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝2℃、t3-dif＝3℃、t4-dif＝5℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝5℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s42，对应的风机fj为f2，f2风机对应传感器温度极差tdif-max＝5℃，f2风机转速增加30％，但由于步骤s2中风机的转速计算结果已达到100％，因此f2风机保持100％运行；

步骤s3.3，控制器控制所有风机以100％转速运行。

t＝3min后，控制器重新接收各温湿度传感器的数据反馈：

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝42℃、t2＝35℃、t3＝35℃、t4＝38℃，湿度平均值的计算结果为h1＝71％、h2＝69％、h3＝70％、h4＝71％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.08，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.02；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝0.08，计算风机的转速应为44％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝1℃、t3-dif＝2℃、t4-dif＝3℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝3℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s42，对应的风机fj为f2，f2风机对应传感器温度极差tdif-max＝3℃，f2风机转速增加15％至59％运行；

步骤s3.3，控制器控制f2风机以59％转速运行，其余三个风机以44％转速运行。

再次t＝3min后，控制器再次接收各温湿度传感器的数据反馈：

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝35℃、t2＝32℃、t3＝32℃、t4＝33℃，湿度平均值的计算结果为h1＝71％、h2＝69％、h3＝70％、h4＝71％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.04，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.02；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝0.04，计算风机的转速应为20％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝1℃、t3-dif＝2℃、t4-dif＝2℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝2℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s32、s42，对应的风机fj为f2，然而由于温度极差的最大值tdif-max＝2℃，未达到3℃以上，因此不增加风机转速，f2风机转速仍为20％；

步骤s3.3，控制器控制所有风机以20％转速运行。

通过以上具体实施数据可以看出，本实施例的控制方法使人工气候室内部保持均匀温、湿度控制的同时，实现了风机转速的智能自动控制，减少了人工气候室内的空气流动速度，从而减少了风机风力对人工气候室内植物的影响，并在一定程度上降低能源消耗。

实施例2

本实施例的人工气候室空气内循环系统及其控制方法与实施例1基本相同，区别在于温湿度传感器组的个数n、温湿度的反馈调节时间t，其中，具体以n＝6，t＝15min，a＝0.05，b＝0.15运行了该系统。

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝36℃、t2＝31℃、t3＝28℃、t4＝26℃、t5＝25℃、t6＝19℃，湿度平均值的计算结果为h1＝61％、h2＝69％、h3＝80％、h4＝82％、h5＝80％、h6＝85％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.21，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.12；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝0.21，计算风机的转速应为100％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝2℃、t3-dif＝3℃、t4-dif＝4℃、t5-dif＝3℃、t6-dif＝2℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝4℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s42，对应的风机fj为f2，f2风机对应传感器温度极差tdif-max＝4℃，f2风机转速增加15％，但由于步骤s2中风机的转速计算结果已达到100％，因此f2风机保持100％运行；

步骤s3.3，控制器控制所有风机以100％转速运行。

t＝15min后，控制器重新接收各温湿度传感器的数据反馈：

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝28℃、t2＝28℃、t3＝25℃、t4＝24℃、t5＝24℃、t6＝25℃，湿度平均值的计算结果为h1＝65％、h2＝69％、h3＝69％、h4＝71％、h5＝70％、h6＝71％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.07，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.03；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝0.07，计算风机的转速应为36％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝1℃、t3-dif＝2℃、t4-dif＝3℃、t5-dif＝1℃、t6-dif＝2℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝3℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s42，对应的风机fj为f2，f2风机对应传感器温度极差tdif-max＝3℃，f2风机转速增加15％至51％运行；

步骤s3.3，控制器控制f2风机以51％转速运行，其余三个风机以36％转速运行。

再次t＝15min后，控制器再次接收各温湿度传感器的数据反馈：

步骤s1温度平均值的计算结果为t1＝28℃、t2＝27℃、t3＝25℃、t4＝26℃、t3＝26℃、t4＝26℃，湿度平均值的计算结果为h1＝71％、h2＝69％、h3＝70％、h4＝71％、h3＝70％、h4＝71％，温度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdt＝0.04，湿度平均值的相对标准偏差计算结果为rsdh＝0.01；

步骤s2取温度平均值的相对标准偏差rsdt和湿度平均值的相对标准偏差rsdh中的较大值，rsdmax＝rsdt＝rsdh＝0.04，计算风机的转速应为20％；

步骤s3.1温度极差分别为t1-dif＝1℃、t2-dif＝1℃、t3-dif＝2℃、t4-dif＝2℃、t5-dif＝1℃、t6-dif＝1℃；

步骤s3.2温度极差的最大值tdif-max＝2℃,记录tdif-max所对应的温湿度传感器组中具有最高温度数据反馈的温湿度传感器，标记sij为s32、s42，对应的风机fj为f2，然而由于温度极差的最大值tdif-max＝2℃，未达到3℃以上，因此不增加风机转速，f2风机转速仍为20％；

步骤s3.3，控制器控制所有风机以20％转速运行。

通过以上具体实施数据可以看出，本实施例的控制方法使人工气候室内部保持均匀温、湿度控制的同时，实现了风机转速的智能自动控制，减少了人工气候室内的空气流动速度，从而减少了风机风力对人工气候室内植物的影响，并在一定程度上降低能源消耗。