亞濕球溫度的冷水對農(nóng)業(yè)溫室濕簾降溫性能的影響分析

張璐瑤，黃翔，宋祥龍，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）

亞濕球溫度的冷水對農(nóng)業(yè)溫室濕簾降溫性能的影響分析

張璐瑤*，黃翔，宋祥龍，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）

本文通過數(shù)學(xué)建模，對亞濕球溫度的冷水對濕簾降溫效果的影響進(jìn)行理論分析。對陜西省富平縣一棟采用濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的溫室濕簾的降溫效果進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，當(dāng)循環(huán)水平均溫度比室外空氣濕球平均溫度低3.4 ℃時，濕簾蒸發(fā)冷卻效率為92.37%，濕簾出風(fēng)溫度比室外濕球溫度低0.6 ℃。利用亞濕球溫度的冷水作為直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水，能夠進(jìn)一步降低出風(fēng)干球溫度，提高濕簾直接蒸發(fā)冷卻效率。

亞濕球溫度；直接蒸發(fā)冷卻；數(shù)學(xué)建模；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室

0 引言

近幾年來，隨著國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對蒸發(fā)冷卻這一節(jié)能環(huán)保的空調(diào)技術(shù)研究的加深，這項技術(shù)在實際應(yīng)用中變得越來越成熟和完善，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外包括發(fā)電廠、地鐵、通信機(jī)房（基站）、大型數(shù)據(jù)中心、紡織服裝廠和印刷廠等工業(yè)車間以及體育館、商場、醫(yī)院、住宅、網(wǎng)吧和農(nóng)業(yè)溫室等眾多領(lǐng)域。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)有2種核心處理方式：直接蒸發(fā)冷卻（DEC）和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）[1]。傳統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻空調(diào)（直接蒸發(fā)冷卻）利用空氣與水的直接蒸發(fā)冷卻原理，能夠?qū)⒖諝馓幚淼降臉O限溫度是室外空氣的濕球溫度，對于某些對溫降范圍有更高要求的場所，則會限制其廣泛應(yīng)用。而通過間接蒸發(fā)冷卻[2]或者將間接、直接蒸發(fā)冷卻組合成兩級甚至多級間接-直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合空調(diào)技術(shù)，可以將空氣或水的溫度降到低于空氣濕球溫度[3]，或者利用夜間蓄冷預(yù)冷間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)[4]，都為擴(kuò)大蒸發(fā)冷卻技術(shù)的溫降范圍提供了許多有益的思路。本文通過分析亞濕球溫度的冷水對直接蒸發(fā)冷卻的降溫效果，為進(jìn)一步擴(kuò)大蒸發(fā)冷卻的溫降提供一定參考。

1 直接蒸發(fā)冷卻原理

1.1 亞濕球溫度的概念

“亞濕球溫度”的概念是在“濕球溫度”和“露點(diǎn)溫度”的基礎(chǔ)上提出的，是指低于濕球溫度、高于露點(diǎn)溫度的溫度[5]。在如圖1所示的干球溫度位于濕球溫度ts和露點(diǎn)溫度tl溫度范圍內(nèi)2與4之間的a、b、c、d的溫度，稱為亞濕球溫度。

圖1 空氣與水熱濕交換過程

1.2 空氣與水的熱濕交換過程

在假想條件下，即水與空氣接觸面積無限大，接觸時間無限長，全部空氣能夠達(dá)到飽和狀態(tài)，也就是說，空氣的終狀態(tài)將位于h-d圖的飽和曲線上并且空氣的終溫將等于水的溫度。不飽和空氣與水的熱濕交換過程與空氣的3個溫度有關(guān)：空氣的干球溫度t、濕球溫度ts和露點(diǎn)溫度tl。因此，在此假想條件下，根據(jù)水溫tw的不同，可以得到7種典型的空氣狀態(tài)變化過程[6]。本文主要討論當(dāng)循環(huán)冷卻水水溫在濕球溫度附近時，不飽和空氣與水的熱濕交換規(guī)律。

從圖1中可以分析得出，當(dāng)空氣與水接觸時，從水側(cè)來講：

1）若水溫滿足ts

2）若水溫tw=ts時，空氣與水發(fā)生等焓加濕過程，水得到顯熱，失去潛熱，得到的顯熱量與失去的潛熱量相等，水溫保持不變；

3）若水溫滿足tl

因此，水的降溫極限溫度是入口空氣的濕球溫度，在實際工況中，如果忽略補(bǔ)水、外界冷源等因素對循環(huán)冷卻水水溫的影響，一定時間后循環(huán)冷卻水的水溫終狀態(tài)與入口空氣的濕球溫度會趨于一個動態(tài)平衡過程，水溫一般高于入口空氣的濕球溫度且很難達(dá)到濕球溫度。

2 “亞濕球溫度”的冷水對直接蒸發(fā)冷卻影響的理論分析

按照空氣與水的熱濕交換理論，根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻的特點(diǎn)，建立如下計算模型。如圖2，外界空氣沿著x方向經(jīng)過填料的特殊流道，循環(huán)冷卻水在重力的作用下沿著y方向從上往下落下，均勻地覆蓋在填料表面，形成水膜。數(shù)學(xué)模型[7]主要參數(shù)如下：

圖2 直接蒸發(fā)冷卻模型

1）假設(shè)填料的高度為H，沿著氣流流動方向上填料厚度為B，寬度為L；

2）假設(shè)空氣在流動過程中質(zhì)量流量不變?yōu)镚，進(jìn)口空氣的干球溫度為t1，濕球溫度為ts1，含濕量為d1。在氣流流動方向上取一微元距離dx，室外空氣與循環(huán)冷卻水發(fā)生熱濕交換，在dx處空氣的干球溫度為tx，濕球溫度為tsx，含濕量為dx。

對空氣而言，在微元距離dx填料層內(nèi)，空氣與水的顯熱換熱量為：

式中：

cp——濕空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；

dt——通過厚度為dx的填料后空氣干球溫度變化值，℃；

h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

tw——循環(huán)冷卻水的溫度，℃；

dF——微元距離dx所對應(yīng)的填料表面積，dF=kHLdx，m2；

k——填料的比表面積，m2/m3。

空氣與水的潛熱交換量為：

式中：

r——水的汽化潛熱，kJ/kg；

d(d)——通過厚度為dx的填料后空氣含濕量變化值，g/kg；

α——傳質(zhì)系數(shù)，kg/(s·m2)。

空氣與循環(huán)冷卻水總換熱量為：

當(dāng)tx>tw時，

式(9)表示在任意填料厚度x處空氣干球溫度表達(dá)式，當(dāng)填料厚度為B時，循環(huán)水為亞濕球溫度的冷水時，根據(jù)其定義，將水溫tw=ts1- Δt（Δt ＞ 0）代入式(9)中得，出口空氣干球溫度為：

在直接蒸發(fā)冷卻過程中，如果循環(huán)冷卻水溫度與入口空氣的濕球溫度相等，空氣溫度會沿著空氣入口狀態(tài)點(diǎn)所在的等焓線趨于飽和狀態(tài)點(diǎn)，如圖3虛線所示的1→2→3過程，這個過程稱為直接蒸發(fā)冷卻的理想過程；直接蒸發(fā)冷卻等焓過程效率為[9]：

公式(11)表明，當(dāng)填料的比表面積k、厚度B等填料的物性參數(shù)，進(jìn)口空氣的密度ρ、風(fēng)速u、定壓比熱容Cp和空氣與水的表面換熱系數(shù)h等參數(shù)確定時，在空氣與水發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻的理想過程時，填料的降溫效率ηDEC是一個定值。公式(12)中，t2為理想直接蒸發(fā)冷卻出風(fēng)溫度，當(dāng)填料和空氣入口條件確定時，t2為定值。因此，理論上當(dāng)循環(huán)冷卻水為亞濕球溫度的冷水時的直接蒸發(fā)冷卻過程，空氣的出風(fēng)溫度t2'與Δt呈一次線性關(guān)系，當(dāng)Δt為零時，t2'=t2。

如圖3所示，虛線所示的是直接蒸發(fā)冷卻的理想過程，實線所示的是當(dāng)循環(huán)冷卻水為亞濕球溫度的冷水時的直接蒸發(fā)冷卻過程[10]。點(diǎn)1為進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)點(diǎn)，點(diǎn)2為直接蒸發(fā)冷卻的理想過程的出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，點(diǎn)2'和點(diǎn)6分別為當(dāng)循環(huán)冷卻水為亞濕球溫度的冷水時的直接蒸發(fā)冷卻過程的出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)和濕球狀態(tài)點(diǎn)，點(diǎn)4和點(diǎn)5分別為亞濕球溫度的冷水溫度變化范圍的下限值和上限值，點(diǎn)3'是其中的一個水溫狀態(tài)點(diǎn)。

圖3 濕簾處理過程空氣與水的狀態(tài)變化

由于循環(huán)冷卻水的溫度低于入口空氣的濕球溫度，使得空氣與水的混合過程是一個減焓降溫加濕的過程，點(diǎn)2'的干球溫度比點(diǎn)2更加逼近點(diǎn)3的干球溫度，通過以上數(shù)學(xué)建模的結(jié)果以及焓濕圖分析可以得出，當(dāng)循環(huán)冷卻水為亞濕球溫度的冷水且水溫能夠穩(wěn)定維持在一個較低值的時候，能夠降低出風(fēng)空氣的干球溫度，甚至有可能會使出風(fēng)空氣的干球溫度低于進(jìn)口空氣的濕球溫度。

3 實際測試

3.1 農(nóng)業(yè)溫室用濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)

圖4是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室等場所的濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)。在溫室的一側(cè)裝有濕簾墻結(jié)構(gòu)，在濕簾旁設(shè)置地下蓄水池，配備循環(huán)泵，使水在蓄水池和濕簾之間循環(huán)，在濕簾相對的另一側(cè)裝有多臺風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)的抽送排風(fēng)，溫室內(nèi)形成負(fù)壓，迫使室外新風(fēng)經(jīng)過濕簾，對溫室內(nèi)降溫加濕。蓄水池中的補(bǔ)水一般直接引自自來水管，水溫較低，同時由于蓄水池設(shè)置在淺地表層以下，淺地表層的土壤與蓄水池中的水不斷發(fā)生熱量交換，使得蓄水池中水的溫度穩(wěn)定維持在一個較低的水平。

圖4 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室的濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)

3.2 結(jié)果分析

通過對陜西省富平縣某現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室的濕簾進(jìn)、出風(fēng)的干濕球溫度以及蓄水池中的水溫進(jìn)行測試，如圖5所示，選取上午11:00至下午14:30記錄的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過對濕簾循環(huán)水溫度的測量，測得平均水溫為24.4 ℃，且測試期間溫度變化起伏較小（±0.5 ℃），低于當(dāng)天室外空氣的平均濕球溫度27.8 ℃，而室內(nèi)出風(fēng)平均干球溫度為27.2 ℃，室內(nèi)出風(fēng)平均溫度低于室外平均濕球溫度，而且室內(nèi)出風(fēng)平均濕球溫度為25.2 ℃，室、內(nèi)外平均濕球溫度相差2.7 ℃。

圖5 測試工況下濕簾進(jìn)、出口干、濕球溫度變化曲線

采用第二熱交換效率評價這種工況下的直接蒸發(fā)冷卻過程，其能夠適用于所有的空氣處理過程，絕熱加濕過程中ts1=ts2，即[11]：

式中：

h1、h2′——空氣的初、終狀態(tài)的焓，kJ/kg；

h3′——交點(diǎn)3′空氣飽和狀態(tài)的焓，kJ/kg；

t1、t2′——室外、室內(nèi)空氣干球溫度，℃；

ts1、ts2′——室外、室內(nèi)空氣濕球溫度，℃。

根據(jù)式(13)對溫室濕簾兩側(cè)的進(jìn)出風(fēng)干球溫度差做差值(t1- ts1) - (t2′- ts2′)和室外空氣的干、濕球溫度差 (t1- ts1) 進(jìn)行線性回歸計算，直線的斜率即為濕簾的蒸發(fā)冷卻效率。結(jié)果顯示，溫室的濕簾蒸發(fā)冷卻效率為92.37%，如圖6所示，亞濕球溫度的水作為循環(huán)冷卻水不僅能夠使出風(fēng)溫度降低，同時使填料的蒸發(fā)冷卻效率保持在一個較高水平。

圖6 農(nóng)業(yè)溫室濕簾蒸發(fā)冷卻效率

4 結(jié)論

1）通過對直接蒸發(fā)冷卻空氣與水的熱濕交換過程建立數(shù)學(xué)模型得出，當(dāng)循環(huán)冷卻水為亞濕球溫度的冷水時，填料物性參數(shù)和空氣入口條件保持不變時，空氣的出口干球溫度與水溫與入口空氣濕球溫度的差值呈一次線性關(guān)系，且差值越大，實際出風(fēng)溫度越低。

2）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室在濕簾旁設(shè)置地下蓄水池，淺地表層的土壤與蓄水池中的水不斷發(fā)生熱量交換，使得蓄水池中水的溫度穩(wěn)定維持在一個較低的水平，如果蓄水池里的水為亞濕球溫度的水，不僅能夠使?jié)窈煹某鲲L(fēng)溫度降低，而且能夠提高濕簾的直接蒸發(fā)冷卻效率。

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Influence of Water of Sub-wet Bulb Temperature on Cooling Effect of Wet Curtain in Agricultural Greenhouse

ZHANG Lu-yao*, HUANG Xiang, SONG Xiang-long, LI Xin
(School of Environment and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China)

Through the establishment of mathematical modeling, the influence of the cooled water with sub-wet bulb temperature on the cooling effect of wetted pad was analyzed theoretically. The cooling effect of wetted pad for a greenhouse equipped with the wetted pad and fan cooling system in Fuping city of Xi'an Province was tested. The result shows that, when the average temperature of the circulating water is 3.4 ℃ lower than the average outdoor air wet bulb temperature, the evaporative cooling efficiency of the wetted pad is 92.37%, and the outlet air temperature of the wetted pad is 0.6 ℃ lower than the outdoor wet bulb temperature. The application of water with sub-wet bulb temperature as the circulating water for direct evaporative cooling system can further reduce the dry bulb temperature of outlet air, and improve the direct evaporative cooling efficiency of the wetted pad.

Sub-wet bulb temperature; Direct evaporative cooling; Mathematical modeling; Modern agriculture greenhouse

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.107

*張璐瑤（1989-），男，在讀碩士研究生。研究方向：蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)金花南路19號，郵編：710048。聯(lián)系電話：18700936995。E-mail：azhangluyao1989@yeah.net。

本論文選自2014 年第八屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會。