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摘要：负压换气是通过负压泵机在特定空间产生相对于外部环境的气压负值的一种空气循环方式。为研究基于负压换气的大棚空气循环系统在不同负压挡位与进气孔数量形成的负压关系曲线、在固定负压挡位下正面开孔数量和负压大小关系曲线、在不同负压挡位下大棚空间空气排尽时间关系曲线等问题，搭建了包括大棚空间和循环系统的空气循环系统，在负压泵机的强、中、弱3个挡位交替使用和负压泵机中挡位单独使用这两种情况下分别开展了等压实验；并在负压泵机的强、中、弱3个挡位交替使用的情况下开展了烟雾实验。得到3组数据和1组现场图片，通过分析数据曲线和现场图片获得了相关的结论，为大棚的设备的研制及相关应用的研究提供了参考实例。以期开发出能够快速布置的空气循环系统并应用于农业生产的不同场景，建立起合理的大棚空间空气循环方案。
关键词：负压换气；空气循环；大棚空间；开发和测试
Development and Testing of Greenhouse Air Circulation System Based on Negative Pressure Ventilation
Liu Quanyi，Qiu Yanghui，Chen Haibin，Guo Jianwen，Ye Haozhong，Guo Suxian
(Dongguan University of Technology,Dongguan,Guangdong 523808,China)
Abstract:Negative pressure ventilation is an air circulation mode that generates negative air pressure relative to the external environment in a specific space through a negative pressure pump.In order to study the negative pressure relationship curve formed by different negative pressure gears and the number of air inlet holes,the relationship curve between the number of front openings and the size of negative pressure under fixed negative pressure gears,and the relationship curve between the exhaust time of greenhouse space air under different negative pressure gears of the greenhouse air circulation system based on negative pressure ventilation,the air circulation system including the greenhouse space and the circulation system is built,and two isobaric experiments are carried out by using the strong,medium and weak gears of the negative pressure pump alternately and the middle gear of the negative pressure pump alone.The smoke experiment is carried out by using the strong,medium and weak gears of the negative pressure pump alternately.Three sets of data and one set of field pictures are obtained.Through analyzing the data curves and field pictures,the relevant conclusions are obtained,which provides a reference example for the development of greenhouse equipment and related application research.So as to develop an air circulation system that can be quickly arranged and applied to agricultural production,and establish a reasonable air circulation scheme for greenhouses.
Key words:negative pressure ventilation;air circulation;greenhouse;development and testing
0引言
负压换气是通过气动装置在独立空间产生相对于外部环境的气压负值，负压维持独立空间位置上单向的流入，制止了该处空气扩散，起到换气和空气循环效果[1]。在封闭腔体中进行换气是工业生产、家居环境和电器里常见的物理过程。研究该过程有助于理解封闭空间中多组分气体的混合与流动机理，促进高效换气模式的开发。传统的换气模式下，外部气体通过管道喷射到腔体中。射流进入腔体后迅速卷吸并与腔体内原有气体混合，使得换气效率低下[2]。负压换气是工业、农业、医疗等领域生产过程中重要的空气循环手段，多位学者做了一些有价值的研究：杨再强等[3]设计了缩小比例塑料大棚模型，测量和分析不同风向角下设施大棚表面的风压系数和分布规律，并推导出了设施大棚各区域发生风灾的临界风速。根据公式推导出各区域的临界风速，设施大棚顶部两侧区域受风吸力影响最大，测出最小临界风速数值，研究为设施大棚的风灾防御提供科学依据。吴志东等[4]为实现保育猪舍内局部环境通风调控，研究设计一种垂直送排风管道组合换气系统。孙辉等[5]设计了一种结合换气与维持室温恒定的自动通风换气系统，能够通过利用自然风驱动实现室内通风换气，并运用热交换技术降低室外空气对室内温度的影响，还可以实时监测室内外的空气质量及温度，从而提高生活的舒适性和智能性。凌继红等[6]总结了在顶送风的送风方式中，风口位于病人头顶效果较好；在矢流风口的送风方式中，风口位于病人床侧的效果较好，且当换气次数分别降低到8次/h和6次/h时，对医护人员仍有较好的保护效果。李雯燕等[7]发明一种负压吸气换气杀毒机，该设备底部有推车，中部为筒体，筒体内部装有电动风机，筒体上部为排气管，电动风机轴心管连接进气系统，进气软管端头的活动卡口及开关通过面罩软管接口与吸气面罩连接为一体，具有造价低廉、结构简单、可以移动的优点。李明贤等[8]发明了一种负压病房净化换气系统，其包括新风系统(内含新风机)和负压系统(内含负压机)，将出风口和吸风口在病房中呈对角设置，使病房中气体流动顺畅无死角，可避免病菌在病房中长时间停留。郭建文等[9]发明了一种免接触移动式隔离负压消杀舱，实现了负压换气系统免接触快速应用。陈海彬等[10]发明了一种移动式负压隔离消杀舱实现了负压换气系统快速移动布置。应耿宁等[11]设计一种大棚智能通风系统可根据大棚内温度、二氧化碳浓度自动调整百叶窗打开程度来调节大棚内自然通风程度。张文乐等[12]设计了一款低功耗大棚气象数据自动采集器。陆琼文[13]梳理了不同的医院设计规范对各类型病房的空调系统设计参数要求，包括室内温湿度、换气次数、新风量、压力控制、气流组织、过滤等级等。静压差是检验负压隔离设备有效性的首要技术指标，当静压差检测结果无法达到技术要求时，可能与设备密闭性失效、负压动力装置功率不够等有关，应重点检查高效过滤器安装连接是否严密以及缝隙封条是否存在松动，适当调大负压排气装置的工作功率。但仅靠检测静压差是无法实现对该类设备负压有效性的充分及全面检验的[14]。本文旨在开发能够快速布置的空气循环系统并应用于农业生产种植大棚、动物养殖空间、特殊车间工位、出入厂区的防疫帐篷等场景，建立一个合理的大棚空间空气循环方案。
1实验准备
基于上述负压大棚空气循环系统应用和研究现状，设计了一个符合实验要求的大棚空间，并计划开展多项空气循环测试实验。大棚空间循环系统包括大棚空间和循环系统，采用铝型材、固定角码、螺栓螺母等搭建大棚空间结构，如图1所示。循环系统包括负压动力、过滤系统、管道、管道控制阀门、控制模块等。配合透明塑料薄膜、通风管道、抽气管道等搭建实验所需的大棚空间，大棚空间参数如表1所示。在未通风的情况下，大棚空间视为密闭的受限空间，使用皂液起泡法对负压隔离设备进行密闭性的测试，以及对缝隙处泄漏进行观察确认[15]。
为了方便实验过程中大棚空间6个面的描述，对大棚空间6个面依次由前、后、左、右、上、下面编号为A、B、C、D、E、F面，其中A面为正面，并将抽气孔安排在A面，其他4个面B、C、D、E安排为进气孔面。具体如图2所示。
大棚空间设置了抽气管道和进气管道，抽气孔直径100 mm，进气孔直径50 mm，如图3所示。抽气管采用可弯波纹塑料管并保留足够长度以连接负压设备，进气孔采用硬质塑料管道。管道插入大棚塑料薄膜后用不干胶布固定，插入处应该特别注意密封性。抽气孔和进气孔的设置特别要注意避免形成回路或短路，回路或短路都不能有效降低受限空间内有害气体的浓度，很多受限空间作业虽然进行了通风换气，但效果不好就是这个原因[16]。
实验器材有烟雾饼、负压仪、负压泵、波纹塑料管、硬质塑料管等。对大棚空间的马达系统、风机系统和过滤系统进行设计，优化内部气体流道结构和风机叶轮，最终使用的实验的负压泵机如图4所示，负压泵机具备强、中、弱3个挡位。
2实验及数据分析
利用负压仪测量大棚空间的负压值，利用烟雾观察气流充满大棚空间的情况。实验设计了单一抽气孔匹配合了单一进气孔或多个进气孔进行测试。为了测试大棚空间在负压泵机不同挡位的内外等压通风口数量，以及测试大棚空间的空气循环情况，开展如下实验。
2.1等压实验
大气压与大棚内气压等压实验，外界29℃，由于大棚空间内外存在温差，测得大棚空间内部相对于大气压的压差为负压-0.07 Pa。通过等压实验可知在负压泵机强、中、弱3个挡位情况下大棚空间进行通风，在通风情况下可以视为大棚空间内外温度一致。
开始实验后负压泵机强、中、弱3个挡位交替打开，通风孔从1个打开逐步增加，并记录下每增加1个时大棚内的负压数据，并由此形成了数据曲线如图5所示。
通过分析数据和数据曲线可以得出：(1)弱挡位当大棚开启第2个通孔时测得与外界负压基本等压，即压差为0 Pa；(2)中挡位当大棚开启第4个通孔时测得与外界负压基本等压，即压差为0 Pa；(3)强挡位当大棚开启第5~6个通孔时测得与外界负压基本等压，即压差为0 Pa。
进一步开展正面(A面)开孔与负压大小实验，此时负压泵机固定在中挡位，为保证大棚空间内有一定负压存在，进气孔保持了3个以内。实验过程中在大棚不同进气孔面打开不同数量的进气孔，获得了不同阶段大棚空间负压数据，并由此数据形成了数据曲线如图6所示。
通过分析数据和数据曲线可以得出：(1)开一个孔时负压基本能够维持在0.23 Pa左右，数据波动属于正常范围；(2)开两个孔时负压基本能够维持在0.15 Pa左右，数据波动属于正常范围；(3)开3个孔时负压基本能够维持在0.1 Pa左右，数据波动属于正常范围；(4)大棚空间负压数值具有一定程度上的进气孔面的对称性，即对称进气孔面的同位置进气孔打开时大棚内负压数值相近。
2.2烟雾实验
为了研究大棚在负压状态下置换内部空气的效率，燃烧发烟球，因此吸入大棚内部的空气带有白烟，等待白烟充满大棚内部开始计时直到内部烟雾消失。每隔1 min的内部环境图片如图7所示。此实验是在近似常温(29℃)的状态下，负压机开到强力挡位进行实验时，通孔全部打开，只使两个通孔有烟雾进入。
在不同挡位下(烟雾进入时仅开两孔，其余关闭，烟雾排出时通孔全开)的情况下进行的实验，数据如图8所示。
通过分析数据和数据曲线可以得出：
(1)负压机强挡位时烟雾充满大棚内部所需时间为31 s(约为0.5 min)，排尽所需时间为375 s(约为6 min)；
(2)负压机中挡位时烟雾充满大棚内部所需时间为57 s(约为1 min)，排尽所需时间为589 s(约为10 min)；
(3)负压机强挡位时烟雾充满大棚内部所需时间为95 s(约为1 min)，排尽所需时间为893 s(约为15 min)。
3结束语
本研究通过构建一个包括大棚空间和循环系统的空气循环系统，开展了等压实验和烟雾实验，得出了3个不同挡位下的负压与开孔数量的关系曲线、正面开孔与负压大小关系曲线、吸入烟雾的大棚内部环境图片、负压机3个挡位下烟雾充满和排尽时间的关系曲线多组数据和图片，通过数据分析和实验现象可以得出以下结论。
(1)在负压机挡位相同的情况下，开孔数量越多，在通孔处测得的压力越低。
(2)开启通孔数量少时，通孔数量增减对压力数字的影响显著。开启通孔数量多时，通孔数量增减对压力数值的影响微弱。
(3)当负压机处于高挡位时，大棚有被压缩漏气的风险，严重时可能会破坏大棚结构。
(4)大棚空间负压数值具有一定程度上的进气孔面的对称性，即对称进气孔面的同位置进气孔打开时大棚内负压数值相近。
(5)通过数值可得，实验环境相同的情况下，烟雾充满大棚的时间显著少于大棚中烟雾排尽的时间。
(6)负压强度与烟雾充满大棚时间是严格的正相关，负压强度与烟雾排尽所需时间是严格的正相关。
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