基于蒸發(fā)冷卻原理的連棟溫室降溫關(guān)鍵因素分析

張璐瑤，孫瑋瑋(上海建科工程咨詢(xún)有限公司，上海 200032)

基于蒸發(fā)冷卻原理的連棟溫室降溫關(guān)鍵因素分析

張璐瑤，孫瑋瑋
(上海建科工程咨詢(xún)有限公司，上海 200032)

以天津某現(xiàn)代農(nóng)業(yè)連棟花卉溫室為例，從蒸發(fā)冷卻降溫機(jī)理出發(fā)，對(duì)影響濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，如循環(huán)水水溫、濕簾表面風(fēng)速、通風(fēng)量、溫室氣流組織形式、其他物性參數(shù)等，進(jìn)行闡述分析，總結(jié)各參數(shù)對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的作用機(jī)理和內(nèi)在聯(lián)系，并對(duì)該連棟花卉溫室的改造提供建議，為其高效運(yùn)行提供參考。

蒸發(fā)冷卻； 濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)； 關(guān)鍵因素； 連棟溫室

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室抵御夏季高溫天氣的重要降溫設(shè)備。囿于農(nóng)業(yè)溫室的結(jié)構(gòu)形式和濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的工作機(jī)理，濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在氣流流動(dòng)方向上存在溫度梯度。這樣不但會(huì)影響溫室的整體降溫效果，也限制了溫室的建造尺寸。為進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，工程實(shí)踐中常會(huì)將幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的溫室通過(guò)合理的組合布置，形成連棟溫室。連棟溫室若布置合理，不但能夠提高土地利用效率，也有利于農(nóng)業(yè)溫室的規(guī)模化生產(chǎn)，反之，容易造成溫室降溫效果惡化，增加運(yùn)營(yíng)難度。本研究擬以天津某現(xiàn)代農(nóng)業(yè)連棟花卉溫室為案例，從蒸發(fā)冷卻降溫機(jī)理出發(fā)，對(duì)影響濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)改造建議，以期為相關(guān)研究及生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 工程案例

天津某連棟花卉溫室培育基地共分為10個(gè)種植區(qū)，每個(gè)區(qū)為1個(gè)獨(dú)棟溫室，溫室尺寸為48 m×384 m，相鄰兩區(qū)之間有1個(gè)9.6 m的通風(fēng)走道，1區(qū)與10區(qū)與外界直接相通。每個(gè)區(qū)布置63臺(tái)風(fēng)機(jī)，分為3組，每組可以單獨(dú)啟動(dòng)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的間距4 m，風(fēng)機(jī)功率1.1 kW，排風(fēng)量44 500 m3。濕簾長(zhǎng)度368 m，高度2 m，厚度15 cm，表面風(fēng)速0.6 m·s-1。培育基地有2個(gè)循環(huán)水水池，每5個(gè)區(qū)共用1個(gè)，每個(gè)水池容量895 m3，濕簾每天耗水100 m3。

如圖1所示，該花卉培育基地單棟溫室內(nèi)的濕簾和風(fēng)機(jī)分別布置在溫室的兩側(cè)，與一般溫室布置形式無(wú)異，2個(gè)獨(dú)棟溫室之間采用濕簾相鄰或者風(fēng)機(jī)相鄰的結(jié)合方式，中間分別形成濕簾走道或者風(fēng)扇走道，走道上方同樣布置PC板以及內(nèi)、外遮陽(yáng)網(wǎng)。第1區(qū)和第10區(qū)的風(fēng)扇外界以及觀光走道成為連棟溫室區(qū)唯一與外界相通的區(qū)域。由于整個(gè)連棟溫室區(qū)的走道是連通的，因此，在溫室運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)相互摻混，整個(gè)連棟溫室區(qū)的氣流較為雜亂。

圖1 天津某連棟花卉溫室的培育基地

前期運(yùn)行階段，溫室降溫效果不理想，為此，業(yè)主通過(guò)每天向循環(huán)水池加入300～400塊冰塊的方式增強(qiáng)溫降效果，控制濕簾循環(huán)水進(jìn)水溫度為21～22 ℃，回水溫度為23～24 ℃，低于室外空氣平均濕球溫度24.8 ℃。通過(guò)加冰的方式，雖然能夠在一定程度上控制溫室的溫度，但也大大增加了溫室的運(yùn)營(yíng)成本。

2 濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的工作過(guò)程體現(xiàn)了直接蒸發(fā)冷卻原理：風(fēng)機(jī)在排除溫室內(nèi)空氣的同時(shí)也迫使室外空氣通過(guò)濕簾側(cè)進(jìn)入溫室內(nèi)，空氣流經(jīng)濕簾時(shí)，與浸附在濕簾表面的水膜在濕簾的特殊通道中直接接觸，完成復(fù)雜的熱質(zhì)交換后進(jìn)入溫室內(nèi)部。在熱質(zhì)交換過(guò)程中，水吸收空氣的顯熱使空氣溫度降低，同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入到空氣中，空氣得到汽化潛熱并被加濕[1]。

在直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，如果忽略補(bǔ)水、加冰等外界因素對(duì)水溫的影響，隨著濕簾制冷循環(huán)的進(jìn)行，循環(huán)冷卻水溫度與入口空氣的濕球溫度相等，則空氣的焓值不變，空氣出風(fēng)溫度會(huì)沿著空氣入口狀態(tài)點(diǎn)所在的等焓線趨向于飽和狀態(tài)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)之為理想狀態(tài)的蒸發(fā)冷卻過(guò)程[2]。如圖2中1→3過(guò)程所示，1點(diǎn)表示濕簾前空氣入口狀態(tài)點(diǎn)，2點(diǎn)表示濕簾后出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，3點(diǎn)表示飽和狀態(tài)點(diǎn)即2點(diǎn)所能到達(dá)的極限狀態(tài)點(diǎn)。

圖2 蒸發(fā)冷卻處理的過(guò)程焓濕圖

在直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，濕簾前后空氣的溫降程度(t1-t2)取決于入口空氣的干濕球溫差(t1-t3)和直接蒸發(fā)冷卻的效率ηDBC。入口空氣干濕球溫差(t1-t3)的大小體現(xiàn)了直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程的溫降極限，直接蒸發(fā)冷卻效率ηDEC的大小體現(xiàn)了出風(fēng)溫度t2與濕球溫度t3的逼近程度。對(duì)于理想狀態(tài)的蒸發(fā)冷卻過(guò)程，ηDBC越接近1，表明出風(fēng)溫度t2越接近入口空氣的濕球溫度t3，降溫效果越明顯。相關(guān)學(xué)者通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型[2]，分析得出理想工況下直接蒸發(fā)冷卻效率：

ηDBC=1-exp[(-khB)/(ρuCp)]。

式中，填料的比表面積k、厚度B為填料的物性參數(shù)，進(jìn)口空氣的密度ρ、風(fēng)速u(mài)、定壓比熱容Cp、空氣與水的表面換熱系數(shù)h為空氣的狀態(tài)參數(shù)。

空氣與水的表面換熱系數(shù)h可能與很多因素有關(guān)，包括填料的種類(lèi)和物性參數(shù)、空氣與水的初參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等；填料的比表面積k同樣也是一個(gè)很難確定的量。對(duì)于某種固定填料，通常用填料體積代替接觸面積進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，則相對(duì)應(yīng)的面積傳熱系數(shù)h可以轉(zhuǎn)化為體積傳熱系數(shù)hv：

hv=kh。

對(duì)于理想狀態(tài)的蒸發(fā)冷卻過(guò)程，傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之比等于濕空氣定壓比熱容，即：

通過(guò)因次分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證得出，針對(duì)一定的系統(tǒng)和氣象條件，傳熱系數(shù)可以表達(dá)為：

kdv=Aum。

式中：u為濕簾表面空氣流速；A、m需要在試驗(yàn)臺(tái)上擬合得出，與填料種類(lèi)有關(guān)。

當(dāng)循環(huán)冷卻水溫度低于入口空氣的濕球溫度時(shí)，空氣狀態(tài)變化過(guò)程表示為減焓降溫加濕過(guò)程，如圖2中1→3’過(guò)程所示，相較于過(guò)程1→3，過(guò)程1→3’能夠進(jìn)一步提高空氣的溫降程度。相關(guān)研究將循環(huán)水溫tw作為一個(gè)影響因素對(duì)該工況下實(shí)際出風(fēng)溫度進(jìn)行修正，假設(shè)循環(huán)水溫tw=ts1-Δt(Δt>0，Δt表示循環(huán)水溫與入口空氣的濕球溫度的差值)時(shí)，這種工況下實(shí)際出風(fēng)溫度[3]：

綜合以上分析，濕簾后出風(fēng)溫度受眾多因素的影響，對(duì)于確定結(jié)構(gòu)形式和類(lèi)別的濕簾填料，濕簾后出風(fēng)溫度可以表示為：

2.2關(guān)鍵參數(shù)的影響分析

2.2.1 循環(huán)水水溫

從傳熱機(jī)理上分析，當(dāng)循環(huán)水溫較低甚至低于入口空氣的濕球溫度時(shí)，空氣與水膜飽和邊界層之間的平均溫差增大，在換熱系數(shù)基本不變時(shí)，空氣與水的顯熱換熱量增大，使空氣溫度降得更低[1]。因此，通過(guò)向循環(huán)水池中加冰的方式來(lái)降低循環(huán)水溫度，可在一定程度上彌補(bǔ)由于濕簾表面風(fēng)速較低而引起的降溫效率降低的影響。

2.2.2 濕簾表面風(fēng)速

濕簾表面的風(fēng)速u(mài)是影響出風(fēng)溫度的一個(gè)重要因素，這表現(xiàn)為濕簾表面的風(fēng)速能夠直接影響濕簾的蒸發(fā)冷卻效率。當(dāng)風(fēng)速在一個(gè)合理區(qū)間變化時(shí)，風(fēng)速u(mài)越小，效率ηDBC越大。研究表明，當(dāng)濕簾厚度B=10 cm，風(fēng)速小于1 m·s-1時(shí)，對(duì)效率的影響特別明顯。同時(shí)，由于風(fēng)速過(guò)小，會(huì)使得溫室的通風(fēng)量變小，這樣會(huì)對(duì)整個(gè)降溫系統(tǒng)帶來(lái)消極影響，當(dāng)取流速為1.0～2.0 m·s-1中間時(shí)較為合適[4]。從這個(gè)角度分析，該溫室濕簾表面平均風(fēng)速為0.6 m·s-1，限制了濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的降溫潛力。

2.2.3 通風(fēng)量

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)是一個(gè)典型的以“小溫差大風(fēng)量”為特征的降溫系統(tǒng)，合理的通風(fēng)量不僅能夠提高溫室的降溫效果，同時(shí)也會(huì)影響濕簾表面的風(fēng)速大小，而濕簾表面的風(fēng)速與濕簾的蒸發(fā)冷卻效率密切相關(guān)；因此，選擇能夠同時(shí)保證濕簾的降溫效果和滿足溫室合適的風(fēng)量是保證濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)有效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[5- 6]指出，對(duì)于適度遮陰的農(nóng)業(yè)溫室，當(dāng)室內(nèi)的最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在50 000 lx時(shí)，單位面積1 m2的基本通風(fēng)量達(dá)到2.5 m3·min-1，能夠滿足溫室的降溫需求。考慮溫室所在地區(qū)的海拔、室內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫室內(nèi)允許溫升和風(fēng)機(jī)濕簾間距離等因素，在確定適當(dāng)?shù)恼{(diào)整系數(shù)后，得溫室降溫系統(tǒng)總通風(fēng)量為2 764 800 m3·h-1，而該溫室的實(shí)際風(fēng)量為1 589 760 m3·h-1，僅為理論需求風(fēng)量的57.5%。若要滿足溫室理論通風(fēng)量，需要開(kāi)啟62.1個(gè)風(fēng)機(jī)，即需開(kāi)啟溫室內(nèi)全部風(fēng)機(jī)才能滿足風(fēng)量要求，此時(shí)濕簾表面理論風(fēng)速為1.04 m·s-1。

2.2.4 氣流組織形式

由于該連棟溫室的設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)存在排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)相互摻混的現(xiàn)象，尤以2～9區(qū)表現(xiàn)明顯，這會(huì)給濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)3方面的影響，以9區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明。

2)進(jìn)排風(fēng)不通暢，溫室通風(fēng)量不足。由于整個(gè)連棟溫室區(qū)走道之間相互連通，吸收了溫室內(nèi)大量熱負(fù)荷的排風(fēng)不僅沒(méi)有被及時(shí)排除室外，部分又重新流轉(zhuǎn)到濕簾進(jìn)風(fēng)側(cè)并進(jìn)入室內(nèi)，因此，濕簾側(cè)的進(jìn)風(fēng)并不是完全直接來(lái)自于室外空氣，這也是造成濕簾表面風(fēng)速偏小，溫室通風(fēng)量不足的原因之一。

3)由于溫室進(jìn)排風(fēng)不暢，而溫室內(nèi)風(fēng)機(jī)依然按照既有的功率運(yùn)轉(zhuǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致部分未經(jīng)濕簾處理的雜亂氣流(如圖3中線段4～5狀態(tài)點(diǎn))甚至室外的空氣通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙等位置直接被風(fēng)機(jī)抽吸進(jìn)入溫室內(nèi)，使溫室內(nèi)環(huán)境惡化。

圖3 溫室氣流的狀態(tài)焓濕圖

在此條件下，溫室內(nèi)若存在高大植株會(huì)對(duì)氣流造成阻礙，影響局部降溫效果。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，同比會(huì)有0.8～1.7 ℃的溫升。在此條件下，可以適當(dāng)調(diào)整濕簾的安裝高度，改變植株方向等進(jìn)行優(yōu)化改善。

2.2.5 其他物性參數(shù)

由2.1節(jié)的理論分析可知，隨著濕簾厚度的增大，蒸發(fā)冷卻效率增大，濕簾后出風(fēng)溫度降低。同時(shí)，文獻(xiàn)[4]指出，隨著濕簾厚度的增加，濕簾前后的空氣阻力ΔP也明顯增大，當(dāng)濕簾厚度接近0.4 m時(shí)，濕簾后出風(fēng)溫度已基本等于入口空氣的濕球溫度，此時(shí)再增加濕簾的厚度已無(wú)意義。

3 改造方案建議

該溫室濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降溫問(wèn)題最主要的癥結(jié)在于：因連棟溫室氣流組織形式不合理，引起濕簾表面風(fēng)速、通風(fēng)量等參數(shù)不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，進(jìn)而引起溫室降溫能力下降。結(jié)合該連棟溫室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出以下改造建議供參考。

1)在濕簾走道上方、PC板上合理設(shè)置一定數(shù)量的進(jìn)風(fēng)口，作為濕簾側(cè)抽取室外進(jìn)風(fēng)的渠道，白天進(jìn)風(fēng)口開(kāi)啟，夜間進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉；

2)相應(yīng)地，在風(fēng)機(jī)走道上方設(shè)置相應(yīng)的排風(fēng)口，與濕簾走道側(cè)的進(jìn)風(fēng)口組成一個(gè)完整的空調(diào)系統(tǒng)；或者將風(fēng)機(jī)走道兩側(cè)墻式風(fēng)機(jī)改造成屋頂式風(fēng)機(jī)，并均勻布置溫室頂部，將溫室排風(fēng)直接排出室外[8]；

3)在風(fēng)機(jī)走道、濕簾走道與觀光走道交界的地方布置透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既不影響觀賞功能，又能阻止氣流在走道間的相互流竄。

4 小結(jié)

濕簾入口空氣的狀態(tài)參數(shù)、循環(huán)水水溫、濕簾表面風(fēng)速、溫室通風(fēng)量、溫室的氣流組織形式、濕簾的物性參數(shù)等因素均是影響溫室濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)工況的重要參數(shù)，且很多參數(shù)之間又有緊密的聯(lián)系；因此，不管是在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段還是運(yùn)營(yíng)階段，要合理把握上述參數(shù)的作用機(jī)理和內(nèi)在聯(lián)系，保證溫室的降溫效果。

該溫室的案例也證明，通過(guò)降低循環(huán)冷卻水溫度能夠進(jìn)一步降低濕簾后出風(fēng)溫度；因此，在保證其他參數(shù)能夠滿足濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)合理高效運(yùn)行的前提下，可以通過(guò)抽取地下冷水或者向循環(huán)水池適當(dāng)加冰等途徑，調(diào)控濕簾后出風(fēng)溫度，滿足不同作物的需求。

[1] 黃翔.空調(diào)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：112.

[2] 蔣毅. 高效節(jié)能的蒸發(fā)冷卻技術(shù)及其應(yīng)用的建模與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2006：12.

[3] 張璐瑤, 黃翔, 宋祥龍,等. 亞濕球溫度的冷水對(duì)農(nóng)業(yè)溫室濕簾降溫性能的影響分析[J]. 制冷技術(shù), 2015(1):25- 28.

[4] 張慶民, 陳沛霖. 空氣經(jīng)過(guò)淋水紙質(zhì)填料時(shí)的熱濕交換過(guò)程[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1995(6):648- 653.

[5] 約翰·瓦特, 威爾·布朗, 黃翔，等. 蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 陳杰, 周勝軍, 陳杰,等. 連棟溫室中濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法比較與分析[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005 (2):151- 152.

[7] 張璐瑤. 關(guān)中地區(qū)現(xiàn)代溫室濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果的研究[D]. 西安：西安工程大學(xué), 2015：44.

[8] 黃翔. 蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：485.

(責(zé)任編輯：高 峻)

S625.5

：A

：0528- 9017(2017)09- 1567- 04

2017- 07- 12

張璐瑤(1989—)，男，山東濰坊人，助理工程師，碩士，從事工程管理工作，E- mail：zhangluyao@jkec.com.cn。

文獻(xiàn)著錄格式：張璐瑤，孫瑋瑋. 基于蒸發(fā)冷卻原理的連棟溫室降溫關(guān)鍵因素分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(9)：1567- 1570.

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170921