濕簾降溫系統(tǒng)在陜西某溫室的降溫特性

張璐瑤，黃 翔，李 鑫

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的降溫方式在我國(guó)很多地區(qū)得到了推廣，在科研工作者的努力之下，濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用取得了很好的成效.很多學(xué)者從溫室的結(jié)構(gòu)［1－3］、濕簾的結(jié)構(gòu)［4］動(dòng)態(tài)參數(shù)［5］、系統(tǒng)安裝高度［6］、降溫效果［7］、溫室理論熱環(huán)境模型［8］、填料降溫性能［9－10］等方面進(jìn)行了研究.近幾年來(lái)，我國(guó)大力扶持在關(guān)中地區(qū)建設(shè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園，但是針對(duì)關(guān)中地區(qū)氣候條件下濕簾溫室降溫特性的實(shí)測(cè)研究還相對(duì)較少.

為了研究濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的特性、運(yùn)行效果以及存在的問(wèn)題，為溫室濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)和有效運(yùn)行提供依據(jù)，本文通過(guò)對(duì)陜西省內(nèi)夏季一棟開(kāi)啟濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的溫室的降溫效果進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)合理論分析，對(duì)濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析.

1 試驗(yàn)條件與測(cè)試方案

1.1 試驗(yàn)條件

在陜西省富平縣某文洛型花卉溫室中進(jìn)行測(cè)試，該溫室位于野外農(nóng)田中，長(zhǎng)期作為花卉育苗、展覽用，已穩(wěn)定運(yùn)行兩年時(shí)間，周圍100m范圍內(nèi)無(wú)高大建筑.整個(gè)溫室按照其功能劃分為3個(gè)區(qū)，本次測(cè)試在溫室西側(cè)第三區(qū)的“花卉育苗區(qū)”進(jìn)行.溫室結(jié)構(gòu)為熱浸鍍鋅輕鋼結(jié)構(gòu)，溫室頂部及部分側(cè)墻采用PC板覆蓋，內(nèi)、外遮陽(yáng)網(wǎng)，通風(fēng)天窗以及風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵的開(kāi)啟均由機(jī)柜控制.溫室東西跨度70m，南北跨度52m，總面積為3 640m2.風(fēng)機(jī)設(shè)有3組，共14臺(tái)，均勻布置在溫室南側(cè)，每組風(fēng)機(jī)能夠由機(jī)柜獨(dú)立控制運(yùn)行.東西兩組各5臺(tái)，中間一組4臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量42 000m／h.濕簾安裝高度為0.7m，濕簾墻體高度為1.8m，總面積為103m2，濕簾側(cè)設(shè)有2個(gè)循環(huán)水水池，埋于地下，并配備循環(huán)泵，使水在蓄水池和濕簾之間循環(huán).

圖1 測(cè)試區(qū)各測(cè)點(diǎn)水平方向分布圖

1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

溫室的第3區(qū)——“花卉育苗區(qū)”中間設(shè)置有一條東西方向的走道，寬4m，溫室被走道分成2個(gè)對(duì)稱的區(qū)域.測(cè)點(diǎn)水平分布圖如圖1所示，測(cè)試區(qū)域內(nèi)一共布置11個(gè)德國(guó)Testo溫濕度自計(jì)儀，其中室外遮陽(yáng)通風(fēng)處布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（3＃測(cè)點(diǎn)），室內(nèi)布置10個(gè)測(cè)點(diǎn).11＃測(cè)點(diǎn)布置在濕簾后，距離地面1.8m處，用于測(cè)量濕簾后出風(fēng)的溫度、相對(duì)濕度.9＃測(cè)點(diǎn)布置在風(fēng)機(jī)前，距離地面1.5m處，用于測(cè)量排風(fēng)的溫度、相對(duì)濕度.剩余8個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在2個(gè)平面上，測(cè)量室內(nèi)空間各測(cè)點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度.該區(qū)共有3組風(fēng)機(jī)，在本次測(cè)試中開(kāi)啟中間一組風(fēng)機(jī)（4個(gè)風(fēng)機(jī)）和西側(cè)一組風(fēng)機(jī)（5個(gè)風(fēng)機(jī)），空間測(cè)點(diǎn)所在斷面位于兩組風(fēng)機(jī)的中間位置.2個(gè)水銀溫度計(jì)用于測(cè)量濕簾循環(huán)水的溫度，熱球風(fēng)速儀用于測(cè)量濕簾后出風(fēng)風(fēng)速以及溫室空間點(diǎn)風(fēng)速.

圖2 測(cè)試區(qū)各測(cè)點(diǎn)垂直方向分布圖

圖2為各測(cè)點(diǎn)的垂直分布圖.在垂直方向上一共設(shè)置2個(gè)平面，分別距離地面1m（平面1）和1.8m（平面2），用來(lái)測(cè)試溫度在垂直方向上的分布規(guī)律.每個(gè)測(cè)試平面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試兩個(gè)平面在溫室氣流流動(dòng)方向上溫濕度變化規(guī)律.所有的溫、濕度數(shù)據(jù)每隔1min自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù)，循環(huán)水溫每10min讀取一組數(shù)據(jù).

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 濕簾蒸發(fā)冷卻效率

根據(jù)蒸發(fā)冷卻原理［11］，理論上的蒸發(fā)冷卻過(guò)程如圖3中虛線所示.該過(guò)程中水溫恰好等于空氣的濕球溫度但低于空氣的干球溫度.濕簾入口前的空氣即外界空氣流經(jīng)濕簾表面水膜時(shí)，由于有顯熱傳遞給水膜而使本身溫度下降，同時(shí)水膜周圍邊界層內(nèi)的飽和空氣中的水蒸氣分壓力大于空氣中的水蒸氣分壓力，水膜從空氣中得到顯熱后，使部分水變成水蒸氣進(jìn)入空氣中，空氣被加濕，含濕量增加.在這個(gè)過(guò)程中，由于水蒸發(fā)所需的汽化潛熱來(lái)自空氣，空氣潛熱量的增加約等于顯熱量的減少，最終的結(jié)果是空氣的比焓基本不變.當(dāng)循環(huán)冷卻水溫度低于空氣濕球溫度而高于露點(diǎn)溫度時(shí)，實(shí)際空氣與水的狀態(tài)變化如圖3中實(shí)線所示，處理過(guò)程是一個(gè)減焓加濕冷卻過(guò)程.

采用第二熱交換效率［12］來(lái)評(píng)價(jià)這種工況下的直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程，它能夠適用于所有的空氣處理過(guò)程，絕熱加濕過(guò)程中ts1＝ts2，即

式中 h1，h2′為空氣的初、終狀態(tài)的焓，kJ／kg；h3′為交點(diǎn)3′空氣飽和狀態(tài)的焓 ，kJ／kg；t1，t2′為濕簾進(jìn)、出口空氣的干球溫度，℃；ts1，ts2′為濕簾進(jìn)、出口空氣的濕球溫度，℃.

如圖3所示，點(diǎn)4和點(diǎn)5分別為循環(huán)冷水溫度變化范圍的下限值和上限值，點(diǎn)3′是其中任意一個(gè)水溫狀態(tài)點(diǎn).根據(jù)式（1）分別用溫室濕簾進(jìn)口空氣的干、濕球溫度差減去出口空氣的干、濕球溫度差，即（t1－ts1）－（t2′－ts2′），將上述差值和進(jìn)口空氣的干、濕球溫度差（t1－ts1）進(jìn)行線性回歸計(jì)算，直線的斜率即為濕簾的蒸發(fā)冷卻效率，如圖4所示.本花卉溫室的濕簾蒸發(fā)冷卻效率為90.3%.

圖3 濕簾處理過(guò)程空氣與水的狀態(tài)變化

圖4 花卉溫室濕簾蒸發(fā)冷卻效率

通過(guò)對(duì)濕簾循環(huán)水溫度的實(shí)際測(cè)量，濕簾循環(huán)水溫的溫度平均為21.5℃，低于測(cè)試當(dāng)天空氣的平均濕球溫度22.5℃，是保證蒸發(fā)冷卻效率高的一個(gè)重要原因.循環(huán)水池埋于地下，循環(huán)水不斷與淺地表層的土壤進(jìn)行熱量交換，能夠使?jié)窈熝h(huán)水溫長(zhǎng)時(shí)間低于空氣的濕球溫度，導(dǎo)致空氣與水的熱濕交換過(guò)程是一個(gè)減焓加濕冷卻過(guò)程而不是一個(gè)理想狀態(tài)的等焓加濕冷卻過(guò)程.

測(cè)試當(dāng)天室外空氣的平均相對(duì)濕度為42.6%，平均干球溫度為32.8℃.富平縣高溫低濕的氣候特點(diǎn)為溫室?guī)?lái)了顯著的降溫效果，顯示了該降溫系統(tǒng)在該地區(qū)的良好使用性.

2.2 溫室降溫效果

將濕簾－風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行期間（10：30－15：30）的室外空氣溫度、濕簾出風(fēng)溫度以及室內(nèi)溫度（同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的算數(shù)平均值）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得出室外空氣狀況以及相應(yīng)的進(jìn)氣降溫幅度及室內(nèi)空氣降溫幅度［7］（室內(nèi)外溫度差），如表1所示，表1中的平均值均為測(cè)試日白天降溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻的算術(shù)平均值.

2.3 溫室縱向溫度分布

如圖5所示，平面1上點(diǎn)4的溫度相對(duì)于其他的3個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)2，5，6）降溫幅度更大，平均比室外溫度低7.7℃.分析認(rèn)為雖然點(diǎn)2距離濕簾的距離較小，通過(guò)濕簾的降溫效果更好，但是點(diǎn)2靠近北墻，北墻濕簾上方覆蓋PC中空板，此處太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度較大，引起點(diǎn)2的溫度高于點(diǎn)4溫度.而點(diǎn)5和點(diǎn)6由于靠近風(fēng)機(jī)，在此處的氣流出于氣流的下游區(qū)，溫度較高，同時(shí)在走道兩側(cè)存在植株較高的植物遮擋，平均植株高度在2m，使氣流受阻.文獻(xiàn)［6］認(rèn)為，如果溫室中種植植株較高的植物，要適當(dāng)調(diào)整濕簾的安裝高度，如果是出于裝飾需要，改變?cè)耘嘈械姆较?，留出適當(dāng)?shù)拈g距，保證氣流在栽培方向的暢通，可以提高整個(gè)溫室的降溫效果，降低室內(nèi)溫度梯度分布.

表1 溫室降溫效果

圖5 平面1各測(cè)點(diǎn)溫度分布

類似的規(guī)律也可以通過(guò)與點(diǎn)4處于同一水平位置，但是垂直高度不同的點(diǎn)12得出，如圖6所示，在平面2上的點(diǎn)12的溫度相對(duì)于其他3個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)8，10，7）降溫幅度更大，平均比室外溫度低7.4℃.

圖6 平面2各測(cè)點(diǎn)溫度分布

濕簾－風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不能提供一個(gè)在氣流方向上均勻的溫濕度分布，是該系統(tǒng)的不足之處.在測(cè)試中也著重考察這一點(diǎn).根據(jù)統(tǒng)計(jì)平均，溫室的排氣和進(jìn)氣的平均溫度差為5.5℃，考慮到溫室的長(zhǎng)度，則溫室在氣流方向上的溫度梯度為0.106℃／m.

2.4 溫室垂直方向溫度分布

在溫室距離地面1m和1.8m的平面上分別布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)溫室垂直方向上的溫度分布情況進(jìn)行分析，溫度分布情況圖表2所示.由表2可知在花卉生長(zhǎng)區(qū)的測(cè)點(diǎn)4（12）處平面1和平面2的溫度相差0.4℃，考慮到兩平面垂直高度相差0.8m，因此此處垂直溫度梯度為0.5℃／m.同理可得，點(diǎn)2（8）處的垂直溫度梯度為2.75℃／m，但點(diǎn)5（10）以及點(diǎn)6（7）處垂直溫度梯度幾乎為零.

表2 溫室垂直方向溫度分布情況

現(xiàn)以點(diǎn)4（12）的溫度分布為例進(jìn)行分析，如圖7所示，點(diǎn)12處的溫度隨著時(shí)間的變化大部分時(shí)間段比點(diǎn)4的溫度高0.4℃左右.對(duì)這兩處測(cè)點(diǎn)附近進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，點(diǎn)4處的平均風(fēng)速為0.25～0.3m／s，而點(diǎn)12處的風(fēng)速為0.43～0.45m／s左右，在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，溫度越低，而點(diǎn)4和點(diǎn)12風(fēng)速的差別與此處種植的高大植物有關(guān)，植物冠層在氣流通道的范圍內(nèi)，對(duì)氣流形成阻礙，降低點(diǎn)4的風(fēng)速，對(duì)降溫效果造成一定影響.

圖7 測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)12溫度分布

點(diǎn)2（8）靠近濕簾，但是測(cè)試結(jié)果表明此處不僅溫度梯度很大，溫度也很高.分析認(rèn)為是因?yàn)辄c(diǎn)2（8）靠近窗戶，處于遮陽(yáng)網(wǎng)的邊緣，受到的太陽(yáng)輻射較大，因此溫度較高，同時(shí)太陽(yáng)輻射的作用，熱氣流上升，使得此處垂直溫度梯度較大.這一規(guī)律可以通過(guò)比較同處于平面1的點(diǎn)2和點(diǎn)4或者平面2的點(diǎn)8和點(diǎn)12的溫度差得到.在氣流的下游區(qū)即點(diǎn)5（10）以及點(diǎn)6（7）所在位置靠近風(fēng)機(jī)，氣流擾動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，溫濕度場(chǎng)混合均勻，所以在垂直方向上溫度梯度不明顯，測(cè)試得到此處的垂直方向的溫度梯度接近為零.

3 結(jié) 論

（1）高溫低濕的氣候條件使得溫室的降溫效果較為顯著，室溫1m高處溫度平均降低6.7℃，最高降低9.2℃，顯示這一降溫系統(tǒng)在陜西省富平縣的良好適用性.

（2）在條件允許下，可以適當(dāng)降低濕簾循環(huán)水的溫度，以提高蒸發(fā)冷卻效率.例如采用溫度更低的自來(lái)水甚至深井水作為循環(huán)補(bǔ)水或者深挖循環(huán)水池，強(qiáng)化循環(huán)水與地面的熱量交換等.

（3）減少溫室內(nèi)植株等因素對(duì)氣流的阻礙，能夠提高溫室的降溫效果，降低溫室的溫度梯度.例如，合理擺放植株的位置，留有適當(dāng)間隙；在氣流方向上加裝軸流風(fēng)機(jī)，強(qiáng)化氣流流動(dòng)等.

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