『CEST』东北大学历秀明：先进精密仪器的建筑环境控制 — 现状与未来展望

基础信息：

本文内容来自《Clean Energy Science and Technology》第3卷第4期发表的“ Building environment control for advanced precision instruments - state-of-the-art and future perspectives ” (Online: 2025-10-15)

https://doi.org/10.18686/cest460

引用格式:

Li, X., Liu, H., Liu, S., Zhang, H., Han, Z., Gao, B., Zhang, L., & Ye, W. (2025). Building environment control for advanced precision instruments - state-of-the-art and future perspectives. Clean Energy Science and Technology, 3(4), 460. https://doi.org/10.18686/cest460

01 研究背景

随着现代科学的快速发展，服务于高科技领域的大型科学装置、先进计量和高端洁净制造等方面的灵敏精密仪器正日益受到重视，尤其在体现国家科技竞争力方面具有重要意义。此类仪器的稳定运行高度依赖于可靠的环境支持，需要通过对温度、湿度、振动及空气洁净度等多参数的高精度甚至超高精度控制来实现。即使环境条件出现轻微波动，也可能显著影响测量精度和实验可靠性，因此，环境控制技术已成为高端科研与先进制造中不可或缺的基础支撑。近年来，随着全球高端仪器与过程自动化行业的蓬勃发展，对高精度环境控制的需求持续增长。市场研究表明，全球过程自动化与仪器仪表市场规模正由2024年的约744.5亿美元增长至2025年的799.6亿美元，预计到2030年将达到1064.9亿美元（CAGR约5.9%），而过程仪表市场亦将从2024年的186.3亿美元增长至2034年的249.2亿美元（CAGR约3.1%）。这些数据不仅体现了高端仪器产业的稳步扩张，也凸显了实验室及相关设施对严格温湿度控制的迫切需求，进一步强调了高精度环境控制技术在未来科学研究与先进制造领域中的关键作用。

02 图文导读

在先进计量实验室、科学仪器设施及高科技清洁制造等高需求场景中，环境控制起着决定性作用。国际计量局（BIPM）、美国国家标准与技术研究院（NIST）及中国国家计量研究院（NIM）等机构所依托的高级计量实验室需在极其稳定的环境中开展精密测量研究，任何微小的温度、振动或电磁波动都可能导致实验结果偏差。随着计量与制造技术的发展，纳米级仪器和大型科学装置（如同步辐射光源和中子散射源等）对温度、湿度、振动、电磁屏蔽及空气洁净度的控制提出了前所未有的要求，而高科技洁净制造（如半导体和生物制药）也需在严格控制的洁净环境中运行，否则将严重影响产品质量与安全。这些场景的实验室建设与运行均无法采用常规设计方法，必须依赖跨学科协作与高水平工程集成来应对温湿度波动、机械振动、热漂移及颗粒污染等多重干扰，实现多参数的高精度协同控制。如何同时高精度地控制这些环境参数，是不同类型精密仪器场景所面临的核心挑战。本文结构如图1所示，主要探讨不同应用场景下的设计需求、关键问题与解决方案及其异同点，并分析建筑环境控制技术在运行控制阶段的挑战、局限与未来发展前景。

图1 精密环境控制场景示例

03 研究内容

3.1 设计要求与问题

精密仪器实验室的环境控制涉及温度、湿度、振动、洁净度和电磁干扰等多维因素，不同行业和应用场景对其要求差异显著。锂电池、半导体和生物制药等高端制造领域对湿度极为敏感，图2提供了锂电池和生物制药行业生产的相对湿度要求；光学计量和航空航天设备对振动与噪声控制提出了比人类感知低数个数量级的标准；计量实验室和光学实验室则需达到ISO 4–7级的高洁净环境，并通过压差控制防止污染扩散。此外，高分辨率电子显微仪器对电磁干扰高度敏感，而变频空调与风机系统可能成为潜在干扰源，因此多学科协同控制成为必要。总体而言，这些高要求反映了现代科研与制造环境对稳定性、均匀性和可靠性的极致追求。

图2 生物制药和锂电池生产相对湿度要求

在通风与气流组织方面，空气换气次数（AC/H）直接影响温度均匀性、洁净度和振动水平。NIST团队设计了不同控制精度水平的系统，当AC/H从20提高至300时，温度控制精度可从±0.25℃提升至±0.01℃，但较高换气率势必会增加振动风险，如图3所示，高风速送风与微振动和噪声存在不可避免的矛盾。为平衡温度、振动与洁净度，实验室通常采用单向孔板送风、分区送排风与多级过滤系统（预过滤、HEPA、活性炭）相结合的设计策略。同时，合理布置污染源与回风口位置，可显著提高空气分布效率与洁净性能。未来，环境控制系统将朝着多参数自适应控制与节能优化方向发展，以在保证极高稳定性的同时降低运行能耗，实现智能化、可持续的精密实验室环境管理。

图3 高精度控温与风致振动的关系

3.2 运行控制的挑战与局限

在高精密实验室和精密仪器环境中，环境控制系统是实现稳定运行的核心，其动态调节过程往往具有非线性、多变量、强耦合和大滞后等特征。精密仪器通风系统的典型控制原理如图4所示。温湿度控制通常通过固态继电器与再热盘管实现精细调节，理论上可将室温波动控制在±0.1℃以内；湿度调节则依赖冷凝或干燥剂除湿方式，在高精度传感与自适应算法的支持下，可实现±1–2%RH的稳定控制。洁净度调节通过调节新风、回风与排风阀实现动态平衡。为了进一步抑制温度波动，系统常配备变频控制与相变储能装置，以减少冷冻水温度变化带来的扰动。然而，受测量与执行环节不确定性影响，冷冻水稳定性仍是精密控制中的关键挑战。由于环境参数的响应存在显著滞后，传统PID控制难以满足要求，因此引入了模型预测控制、神经网络控制和自适应控制等算法，以提升系统的动态响应与精度。

图4 通风系统的典型控制原理

多参数之间的耦合使环境控制更加复杂。温湿度、洁净度、气流与振动相互影响，既提高了控制难度，也对系统协调提出了更高要求。解耦控制、模型预测控制、自适应与鲁棒控制等方法被用于实现多参数的协同稳定，显著改善了控制精度与抗干扰性能。同时，高精度测控系统依赖高性能传感器与控制器，但其高成本、漂移误差与校准需求依然是限制因素。湿度控制方面，传统冷凝除湿难以满足超低湿环境需求，液体与固体干燥剂系统逐渐成为主流。超低湿除湿对热源温度要求高，能耗随之急剧上升，成为节能优化的重点。洁净室和除湿系统是高科技制造中最耗能的环节，通过送风量优化、智能控制与能量回收技术，可实现10%–60%的节能。近年来，基于涂层换热的深度除湿技术，使露点温度可低至–20℃以下，基于热泵增强深度除湿技术，使露点温度可低至–15℃以下，能耗降低50%以上，为实现高精度与高能效的统一提供了新方向。

3.3 辐射供冷技术潜力

在高精密实验与计量领域中，环境控制系统的稳定性决定了实验结果的可靠性。与传统依赖空气对流的空调系统不同，辐射空调以热辐射为主导，能有效减少气流带来的温度波动与机械振动。研究表明，辐射供冷系统可实现±0.02℃的温度稳定性和无振动运行，显著优于常规系统，因而被广泛应用于高分辨电子显微镜、同步辐射及纳米探针光束线等高端实验室环境中，图5给出了辐射供冷系统应用示例。然而，辐射供冷系统存在冷量有限与结露风险等问题，目前主要适用于无人值守或封闭型实验空间，对高热密度实验场景而言，辐射与对流的联合供冷正成为发展方向。

图5 辐射空调系统应用示例

此外，辐射供冷系统在真空与超低压环境中展现出独特优势。由于其不依赖空气循环，可在无对流条件下实现均匀的热控制，已被应用于航天器热真空试验及空间材料研究。尽管目前的研究多集中于小型实验系统，但大型真空辐射控制技术的探索仍是未来高端实验设施的重要发展趋势。

典型的辐射供冷系统（如图6所示）由冷水机组、变频水泵、缓冲水箱和辐射板组成，其温控精度主要取决于冷冻水温度的稳定性。通过在冷冻水回路中引入相变材料以增强热惯性，或利用电子膨胀阀与压缩机的协同控制，可有效抑制温度波动并提高系统稳定性。目前针对能效优化的研究已较成熟，而面向超高精度温度控制的策略仍需深入，未来有望通过结合储能材料与自适应智能控制，实现高精度与高稳定性的辐射环境控制系统。

图6 辐射供冷系统的结构示意图

04 结论及展望

用于高科技领域的敏感精密仪器需要在可靠且稳定的环境中运行，而这种环境依赖于对温度、湿度、振动与空气洁净度等多种参数的高精度乃至超高精度控制。本文系统综述了面向精密仪器的建筑环境控制先进技术，并提出以下主要结论与建议：

（1）在常规通风系统中，温度、洁净度与振动的控制过程相互耦合、相互影响，因为这些参数往往通过统一的送风条件实现同步调节。辐射空调系统或对流-辐射组合式空调系统在满足空间温度均匀性与抑制微振动方面表现出显著优势，是实现精密环境控制的理想方案。

（2）实现多参数协同精度控制，不仅需要深入理解各物理参数之间的耦合机理，还需依托高精度传感器与先进控制技术，以最大限度地抑制外界扰动，特别是在控制精度要求极高的应用场景中。

（3）随着高科技制造的发展，对超低湿度环境及其相关低露点防霜控制的需求不断增加，这一新兴课题在能源效率与系统安全方面仍存在诸多未解难题，往往导致比传统换气与除湿系统更高的能耗负担。

综上，本文系统梳理了精密仪器设施环境控制的关键要素，对传统与先进控制方法的差异与适用性进行了比较，总结了当前研究的主要进展与局限性，并指出未来研究应重点关注以下方向：加强多参数耦合机制的机理建模，探索先进控制算法与节能策略的协同优化效应，并在工程实践中验证其可行性与可靠性。通过这些努力，高科技设施的环境控制有望从“单目标优化”迈向“多目标协同优化”，为精密仪器提供更加可靠、稳定且节能的运行环境。

作者简介

历秀明，副教授、博士生导师，毕业于大连理工大学供热、供燃气、通风及空调工程专业，大连理工大学、香港理工大学博士后；沈阳市高层次人才，暖通空调产业技术联盟智能化专业委员会委员，《Building Simulation》《Clean Energy Science and Technology》《制冷学报》《制冷与空调》青年编委；累计发表高水平学术SCI论文60余篇，第一或通讯作者发表JCR-Q1 SCI论文30余篇，ESI高被引论文1篇；主持国家自然科学基金面上项目、十四五国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金项目、辽宁省自然科学基金面上项目、香港理工大学博士后资助计划项目等10余项。

《Clean Energy Science and Technology 》是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月CEST被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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