用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，包括多温度介质补偿源、可换向多联循环管网、湿度节点调控单元、网格传感器组、混凝土强度监测装置和控制机构；湿度节点调控单元包括括气化器、电控阀、湿度扩散瓦、透气膜、保护网和节点控制器；决策机根据实时采集的温度、湿度、应力数据，推理分析得到控制决策结论，控制多温度介质补偿源、可换向多联循环管网和湿度节点调控单元运行。本发明专利技术实现了对不同部位混凝土分区的主动、引导式、双向温度调控和不同部位混凝土分区内部的湿度调控，可满足不同部位的混凝土分区的温度调控、湿度调控的差异性需求，实现了对超大体积混凝土结构体的温湿度网格化、个性化、精准化、自动化控制。化控制。化控制。

【技术实现步骤摘要】
用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统和方法


[0001]本专利技术属于混凝土温湿度控制领域，具体涉及一种用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统和方法。

技术介绍

[0002]目前，由于混凝土材料卓越的性能，其在水利水电工程大坝建设中得到了广泛应用。并且在今后很长一段时间内，它仍然是水利工程结构中最重要的材料之一。但是随着混凝土及混凝土结构使用量的逐年增加，许多大坝的混凝土结构都发生了开裂，严重影响了其耐久性和服役寿命，增加了维护成本。特别是位于我国西北地区的工程，气候条件更加复杂，冬季寒冷干燥，昼夜温差大等环境特性，使得混凝土大坝的“无坝不裂”问题更加突显。
[0003]混凝土结构开裂主要是由应力和约束条件引起的。其中应力是主动因素，约束是被动因素。工程实践表明，引起大体积混凝土结构开裂的大多是由非荷载应力，即结构内温度及湿度变化引起的混凝土体积膨胀或收缩，约束条件下导致结构内拉应力达到一定的应力水平所致。
[0004]领域专家和技术人员进一步研究发现，大坝混凝土结构温度变化主要受内部水化热以及外界环境温度的影响。由于在浇筑初期水泥水化反应会产生大量的水化热使得坝体温度迅速上升，而在混凝土温度下降期间，由于混凝土的不良导热特性，使得坝体内外形成较大的温度梯度产生拉应力，而此时的混凝土抗拉强度较低，使得温度应力超过抗拉极限而产生裂缝。坝体温度的改变除了受其内部水化热影响外，还受外界环境温度及湿度的影响，在运行期的坝体温度主要受环境气温以及水库水温的影响。当外界气温急剧变化时，坝体内部的温度的延缓性而导致坝体内外形成较大的温度梯度，以至于产生温度裂缝。
[0005]大体积混凝土内部湿度分布受多种因素的影响，例如温度、龄期以及内部水分的迁移，根据相对湿度的定义，温度越高，相对湿度越低，测定混凝土内部的湿度必须要考虑温度的影响。混凝土水化反应过程中需要消耗水，随着水分的消耗，混凝土内部湿度逐渐降低。除了温度和龄期的影响外，混凝土内部湿度的分布及演化规律还受到水分迁移的影响，而内部水分迁移主要受浓度梯度、压力梯度、温度梯度等驱动。混凝土内部相对湿度不均匀性会引发混凝土结构体积收缩，进而引发收缩变形产生干缩裂缝。
[0006]因此需要寻求方法对大坝混凝土的温度和湿度进行有效控制。此外，混凝土大坝体积庞大、结构复杂，其建设时间往往需要几年甚至十几年时间才能全部完成，而且不论是在建设期还是运行期都需要对大坝混凝土进行温度和湿度调控，这使其温湿度调控需求随着时空分布不同还存在较大的差异性。主要体现在以下几个方面。
[0007](1)对浇筑初期的混凝土需要对其进行降温：大坝混凝土浇筑初期，水泥在一段时间内持续发生水化作用产生大量的水化热，使得坝体温度迅速上升。如果不及时控制其温升，当水化作用结束后进入降温阶段时会因内外温差过大而产生较大的拉应力，进而产生开裂。
[0008](2)对低温季节的混凝土需要对其进行升温：寒冷地区的水利工程大坝，低温季节
环境温度可达零下40℃，且日气温波幅较大，这时大坝混凝土温度也会随之发生变化，从而使内外形成较大的温度梯度和温度应力，需要采取措施对其进行升温调控。
[0009](3)对同一坝段内部和表层的混凝土需要进行差异化的升温或者降温：对于寒冷地区低温季节浇筑的混凝土，其内部会因水化热产生较高的温度，而表面受环境低温影响反而会降低到零度以下，这时既要控制内外温差在较小的范围，又要保证表层混凝土在合适的温度范围内进行养护以达到设计强度，就需要差异化的措施，在对大坝表层混凝土进行升温的同时对内部混凝土进行降温。
[0010](4)对分仓分坝段浇筑的大坝混凝土不同仓(坝)段需要进行个性化的温度调控：水利工程大坝体积庞大，混凝土多采用分仓分坝段浇筑，由于浇筑时间的不同，左右相邻坝段混凝土的水化和凝固进程也不相同，造成它们的温度也不一样，这就需要对这些相邻坝段采取个性化的温度调控措施。
[0011](5)对混凝土的湿度需要进行控制：大坝混凝土的相对湿度会受龄期、温度、水分迁移和环境湿度的影响而发生变化，当相对湿度不均匀分布时会引发混凝土结构体积收缩，进而引发收缩变形产生干缩裂缝。
[0012](6)浇筑初期温湿度随强度和龄期增长而变化，需精准调控措施：行业专家开展的相关研究表明，浇筑初期混凝土中水泥水化热反应剧烈，中心和表面温度都随着龄期的增长呈快速升高达到最高值而后逐渐降低趋于稳定，且这种变化是非线性的。混凝土边界处相对湿度随着龄期的增长而呈逐渐下降趋势，而中心位置相对湿度缓慢降低使内外形成湿度差，且随着龄期的增长而逐渐增大。对于养护28天以后的混凝土，变化幅度随着龄期的增长而逐渐缩小，并逐渐趋于稳定。
[0013]为了解决上述温湿度控制难题，满足水利工程混凝土大坝尤其是寒冷地区混凝土大坝的防裂要求，针对内外影响因素的不同，国内外水利工程领域工作者采用了多种方式来控制混凝土的温度梯度和湿度梯度。从实施策略看可以分为传统调控和主动调控两种，传统的调控方式主要从以下三个方面进行。
[0014](1)施工期降温控制：为了减少其内部水化热产生的较大温度梯度，主要包括预冷骨料、限制拌合温度、控制入仓温度、铺设冷却水管等。通过控制混凝土的最大温升，从而降低施工期大坝混凝土内外的温度梯度，来减小温度应力。
[0015](2)施工期湿度控制：为了控制混凝土在自然蒸发条件下不断失水引起的体积收缩，传统的保湿措施通常是在浇筑期洒水保湿，对于寒冷地区的混凝土大坝表面的保温材料也具有一定的保湿作用。
[0016](3)抵御环境温度影响：目前主要通过对坝体采取被动保温措施以减少坝体与外界的热交换，从而减小寒潮或寒冷地区周期性的外界气温变化导致的混凝土开裂。常见的保温措施有铺设保温板、保温被和喷涂保温材料等，这些措施能够使坝体在气温日变幅不大的环境里一定程度的抵御极端气温变化，例如寒潮等。
[0017]为了突破传统的温控技术，一些专家和学者进行了相关研究，产生了比较新颖的科研成果，主要体现在以下几个方面。
[0018](1)优化冷却通水技术：如授权公告号CN101701495A的专利技术中公开的“大体积混凝土温度控制的个性化通水方法”，其主要是对传统冷却水管进行优化，通过改变流量和变换冷却水或河水的方式对大坝混凝土内部进行降温处理。
[0019](2)进行升温调控：授权公告号CN106522229B的专利技术中公开了“可永久调控混凝土大坝温度的方法及装置”，打破了传统对混凝土大坝温度的调控方法，从框架上对混凝土大坝的温度控制可行性提供了一种设想，但暂时只在实验室阶段进行简单验证，没有付诸工程实践，同时缺乏智能调控的手段。
[0020](3)智能温控概念：授权公告号CN102852145A的专利技术中公开的“在建大坝混凝土智能温度控制方法及系统”，设想了一种在建大坝的温度控制方法。授权公告号ZL 201810950393.0中公开了“智能温控大坝和温度调控方法”，比较全面系统的对混凝土大坝温度智能调控进行了阐述。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，包括多温度介质补偿源(1)、可换向多联循环管网(2)、网格传感器组(3)和控制机构；控制机构采用决策机，还包括与决策机连接的工控机，工控机与多温度介质补偿源的补偿源控制器通讯连接，网格传感器组(3)与决策机的输入端连接；决策机根据网格传感器组实时采集的温度、湿度、应力数据，推理分析得到控制决策结论并输出到工控机，工控机根据控制决策结论分别控制多温度介质补偿源和可换向多联循环管网运行；多温度介质补偿源(1)包括低温介质箱(101)、高温介质箱(102)、适温介质箱103)、制冷机(104)、第一换热器(105)、第二换热器(106)、外置介质加热器(107)和补偿源控制器，低温介质箱(101)经第一降温循环管路(108)与第一换热器(105)的低温介质管路连接，第一换热器(105)的制冷剂管路与制冷机(104)连接；第一换热器(105)的低温介质管路的输出端经电磁阀与适温介质箱中的第二换热器(106)的输入端连接，第二换热器(106)的输出端与低温介质箱(101)连接；适温介质箱(103)与外置介质加热器(107)的适温介质加热管路连接；适温介质箱(103)经介质传输管路(109)与高温介质箱(102)连接；高温介质箱(102)与外置介质加热器(107)的高温介质加热管路连接；高温介质箱(102)的外侧设有风冷散热器(110)，高温介质箱(102)与风冷散热器的介质散热管路连接；可换向多联循环管网(2)包括多个布设在分区混凝土体中的温度调控管路(201)，温度调控管路(201)的输入端分别经第一两位两通电磁阀(202)、第二两位两通电磁阀(203)与多温度介质补偿源(1)的介质输出口、介质回收口连接，温度调控管路(201)的输出端分别经第一两位两通电磁阀(202)、第二两位两通电磁阀(203)与多温度介质补偿源(1)的介质回收口、介质输出口连接；可根据温度调控需要，控制第二两位两通电磁阀(203)导通，第一两位两通电磁阀(202)关断，温度调控管路(201)中调控介质从输出端向输入端流动，即实现温度调控管路(201)的输入端、输出端的互换；网格传感器组(3)包括与控制机构电连接的布设在混凝土网格内以及网格节点处的湿度传感器(301)、温度传感器和应力传感器；所述系统可根据温湿度调控需求，将低温介质箱(101)、高温介质箱(102)、适温介质箱(103)简化成分别供应低温、高温介质的两个介质箱。2.根据权利要求1所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，所述控制机构包括决策机、知识库、数据库，知识库中存储用于推理、决策的规则，规则包括规则前件即前提条件和规则后件即结论；决策机与数据处理器连接，决策机根据实时采集的各个网格的传感器数据的数值区间，结合知识库的规则进行正向推理，找到与传感器数据最匹配的规则前件，将对应的规则后件作为决策结果并输出到湿度调控工控机；所述控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，从仿真结果中提取用于推理、决策的规则；仿真系统基于模型库中的混凝土湿度场、温度场、应力场的数学模型和实时采集的混凝土网格的湿度、温度、应力数据，利用蒙特卡洛方法对混凝土分区相关的不确定性变量进行模拟计算，得到不同控制策略下的混凝土分区混凝土湿度、温度的控制效果数据，从混凝土分区温湿度控制的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据中，提取出关联规则，并将规则存入知识库。3.根据权利要求1所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，
所述多温度介质补偿源(1)还包括与适温介质箱连接的外置水冷降温管路(111)，外置水冷降温管路布置在河水中或者开放式水池中。4.根据权利要求1所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，所述外置介质加热器(107)采用太阳能工程机。5.根据权利要求2所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，所述系统还包括多个混凝土强度监测装置(4)，所述混凝土强度监测装置包括成对布置在混凝土体中的信号发射器(401)、信号接收器(402)，信号接收器(402)接收信号发射器的信号，根据接收信号的强弱变化来监测随混凝土龄期增长的混凝土强度变化。6.根据权利要求2所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，所述系统还包括布设在混凝土网格节点上的湿度节点调控单元(6)，湿度节点调控单元(6)包括括气化器(602)、电控阀(603)、湿度扩散瓦(601)、透气膜(604)、保护网(605)和节点控制器，湿度节点调控单元(6)经节点介质供应管路(7)与多温度介质补偿源(1)的介质输出端连接。7.根据权利要求6所述的用于混凝土分区网格化温湿度智能调控的系统，其特征在于，所述湿度节点调控单元(6)包括8片沿...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜彬，乐阳，骆浩，杜君豪，杜钢，刘敏，杜婧慧，谭琨，张子瑞，杜娟，张敏，
申请(专利权)人：宜昌天宇科技有限公司，
类型：发明
国别省市：