噴霧系統(tǒng)對室內高溫環(huán)境的降溫效果研究*

孟曉靜 胡亞年 崔雁弼

（1.西安建筑科技大學資源工程學院，西安 710055；2.西部綠色建筑國家重點實驗室，西安 710055）

0 引言

噴霧降溫作為蒸發(fā)冷卻的一種形式，是將水噴射為細小的液滴，使水與周圍空氣接觸面積增大而直接蒸發(fā)，達到改善局部高溫環(huán)境的目的。由于噴霧降溫系統(tǒng)能耗低、結構簡單、無污染等優(yōu)點，而被廣泛應用。

目前，噴霧降溫系統(tǒng)在隧道狹長空間及室外空間熱環(huán)境調節(jié)的應用受到了廣泛的關注。謝瑋等［1］搭建了小尺寸狹長受限空間的實驗平臺，研究了環(huán)境溫度、噴頭布置形式以及通風狀況等參數(shù)對噴霧降溫效果的影響，發(fā)現(xiàn)了在噴霧與通風的共同作用下，不僅能擴大噴霧的降溫范圍，顯著提高了噴霧降溫效果，還能保持空間溫度場的穩(wěn)定均勻。劉乃玲等［2］通過實驗研究了細水霧對高溫狹長空間的降溫效果，發(fā)現(xiàn)噴霧方式和噴霧壓力對降溫效果影響較大。葉大法等［3］將噴霧降溫技術應用到了上海世博會的廣場等候區(qū)，通過現(xiàn)場試驗分析了噴霧壓力、噴頭布置對熱舒適性的影響，設計和優(yōu)化了噴霧降溫系統(tǒng)。李成成等［4］對比分析了西安和上海的典型氣象年逐時參數(shù)，提出了噴霧降溫蒸發(fā)冷卻技術在中等濕度地區(qū)、干燥地區(qū)有較大應用前景。OH W等［5］評估了室外噴霧環(huán)境對熱感覺、熱環(huán)境及皮膚溫度的影響，由于噴霧系統(tǒng)降溫作用，受試者熱感覺由溫暖變?yōu)橹行?，總體皮膚溫度下降約0.53℃。ULPIANI G等［6］結合監(jiān)測數(shù)據(jù)和舒適度調查問卷，發(fā)現(xiàn)了室外噴霧系統(tǒng)使受試者對太陽輻射、濕度和風的感知和偏好都得到了改善。此外，噴霧降溫系統(tǒng)還應用在禽畜舍降溫［7-8］及細水霧滅火［9-11］等領域。

由于生產工藝的需求，工業(yè)廠房常常存在高溫熱源，高溫是工業(yè)企業(yè)常見的物理性職業(yè)危害因素。針對工業(yè)廠房高大空間、工作地點分散、人員密度較低等特點，使用空調降溫既不經(jīng)濟也不切實際。噴霧系統(tǒng)作為蒸發(fā)冷卻降溫的方式，可有效改善局部高溫環(huán)境。本文通過搭建室內高溫環(huán)境和噴霧系統(tǒng)實驗臺，研究噴霧前后局部環(huán)境溫度、相對濕度的變化趨勢，分析噴嘴流量、噴嘴布置高度和噴嘴數(shù)量對室內環(huán)境降溫效果的影響規(guī)律，為高溫環(huán)境噴霧系統(tǒng)的設計提供參考。

1 實驗方案

1.1 實驗平臺

在西安建筑科技大學安全工程實驗室搭建了室內高溫環(huán)境和噴霧系統(tǒng)實驗臺，由紅外輻射電加熱板形成室內高溫環(huán)境，噴霧系統(tǒng)包括水箱、軟管、水泵、閥門和噴嘴，如圖1所示。水泵使用微型高壓泵，噴嘴為三節(jié)快插式精細霧化噴嘴，可以噴射形成實心錐形的霧化形狀，液滴分布均勻，產生的液滴粒徑為20～30m。

圖1 實驗平臺

為保持室內環(huán)境穩(wěn)定，實驗過程中門窗關閉，不考慮通風和室外氣象參數(shù)對室內環(huán)境的影響。

1.2 測點布置及實驗過程

測點布置如圖2所示，共布置3個水平測點，根據(jù)高溫測量方法［12］，坐姿作業(yè)時測量高度為1.1 m，因此設置測點垂直高度為1.1 m，每2個測點距離為0.5 m，測點距加熱板為2 m。每個測點布置1個TR-72nw雙通道溫濕度記錄儀，記錄空氣溫度和相對濕度。其中，空氣溫度的量程為0~55℃，精度±0.5℃；相對濕度的量程為10%~95%RH，精度為±5%。

圖2 測點布置示意

實驗分為2個階段，先是對室內環(huán)境加熱并穩(wěn)定的過程，其次是開啟噴霧進行降溫的過程。首先打開加熱板對室內空氣溫度進行加熱并達到穩(wěn)定，整個過程持續(xù)約60 min；然后開始記錄數(shù)據(jù)，10 min后開啟噴霧系統(tǒng)，噴霧時間持續(xù)20 min。記錄3個測點在噴霧前10 min和噴霧持續(xù)20 min的溫度和相對濕度，實驗數(shù)據(jù)每1 min記錄一次。噴嘴流量的測定使用的是稱重法，測量多個噴嘴在1 min內的流量并取平均值作為噴嘴的流量。

通過改變噴嘴流量、噴嘴布置高度以及噴嘴數(shù)量，研究受限空間中噴霧前后測點的溫度及濕度分布規(guī)律，揭示不同影響因素下噴霧降溫效果。

2 實驗結果與分析

2.1 噴嘴流量的影響

在噴嘴布置高度為2 m、噴嘴數(shù)量為6個的條件下，研究單個噴嘴流量為18.94、29.48、83.75 mL/min時噴霧系統(tǒng)對室內環(huán)境的降溫效果。

由于不同實驗工況噴霧前的環(huán)境溫度稍有差別，采用降溫幅度不能完全反映局部環(huán)境的降溫效果。因此，采用降溫效率來反映不同影響因素對局部環(huán)境的降溫效果更為合理［1］。

不同噴嘴流量下局部環(huán)境的溫度和相對濕度變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著噴嘴流量的增加，降溫效率先增加后降低；噴霧時間為20 min，單個噴嘴流量為18.94、29.48、83.75 mL/min時的降溫效率分別為4.27%、5.61%、5.02%；其中，單個噴嘴流量為29.48 mL/min時降溫效率最高。

圖3 不同噴嘴流量下的降溫效率、相對濕度變化

從噴嘴流量對高溫環(huán)境降溫效果可以看出，增大噴嘴的流量，可以有效提升噴霧系統(tǒng)對室內環(huán)境的降溫效果。但噴嘴流量過大，受到自身重力的影響就大，導致部分液滴下落過快，未能充分與空氣換熱就落到地面上，降低了液滴蒸發(fā)效率。隨著噴霧時間的增加，相對濕度不斷增加。相對濕度增加的幅度分別為14.95%、21.98%、26.08%。其中，單個噴嘴流量為29.48 mL/min時，降溫幅度最大。

2.2 噴嘴布置高度的影響

在單個噴嘴流量為29.48 mL/min、噴嘴數(shù)量為6個的條件下，研究噴嘴布置高度為1.8、1.9、2 m時噴霧系統(tǒng)對室內環(huán)境的降溫效果。

圖4是不同噴嘴布置高度下局部環(huán)境的降溫效率和相對濕度變化曲線。從圖4可以看出，隨著噴嘴布置高度的增加，降溫效率在不斷增加。隨著噴霧時間的增加，降溫效率不斷提升，噴霧時間在10 min內降溫效率的提升較為顯著。在噴霧時間為20 min時，噴嘴布置高度為1.8、1.9、2 m時的降溫效率分別為3.3%、4.02%、5.61%。其中，噴嘴布置高度為2 m時的降溫效率最高。這是由于在噴霧的有效射程內，由于液滴受到自身重力與噴嘴出口動力的作用［3］，隨著噴嘴布置高度的降低，液滴在空中運動的時間減少，與空氣的接觸不充分，吸收的熱量減少，導致地面上存在著大量的積水，使得降溫效果降低。但噴嘴布置高度過高，超出噴霧的有效射程，也會影響其降溫效果。由于實驗條件的限制，噴嘴布置高度受限，后續(xù)利用數(shù)值模擬增大噴嘴布置高度深入分析噴嘴布置高度對降溫效果的影響。噴霧高度對相對濕度的影響較小。噴霧持續(xù)20 min時，與噴霧前相比，噴嘴布置高度為1.8、1.9、2 m時相對濕度的增加幅度分別為25.9%、25.3%、21.98%。

圖4 不同噴嘴布置高度下的降溫效率、相對濕度變化

2.3 噴嘴數(shù)量的影響

在噴嘴布置高度為2 m、總噴霧量大致相同的條件下，研究噴霧數(shù)量對室內環(huán)境的降溫效果。采用了2個83.75 mL/min、6個29.48 mL/min及9個18.94 mL/min的噴嘴，其總噴霧量分別為167.5、176.88、170.46 mL/min。不同數(shù)量噴嘴對應的布置形式如表1所示。

表1 不同噴嘴數(shù)量的布置形式

圖5是不同噴嘴數(shù)量下局部環(huán)境的降溫效率、相對濕度變化曲線。從圖5可以看出，隨著噴霧時間的增加，降溫效率在不斷增加；噴霧時間為20 min時，噴嘴數(shù)量為2個、6個、9個的降溫效率分別為2.68%、5.61%、6.90%；其中，9個噴嘴的降溫效率最高。但在噴霧時間為10 min內，6個噴嘴的降溫效率稍高于9個噴嘴。這是由于增加噴嘴數(shù)量，雖然在一定程度上增大了噴霧的范圍，但在有效射程內液滴間的碰撞次數(shù)增加，液滴發(fā)生反彈、聚合和分離［13］，使得部分液滴下落的速度變快，會在一定程度上削弱降溫效果。

圖5 不同噴嘴數(shù)量下的溫度、相對濕度變化

相對濕度隨著噴霧時間的增加不斷增加。噴霧時間為20 min時，與噴霧前相比，噴嘴數(shù)為2個、6個、9個時相對濕度增加的幅度分別為17.64%、21.98%、21.33%。

3 結論

1）增大噴嘴流量，可有效提高噴霧系統(tǒng)對室內高溫環(huán)境的降溫效果。降溫效率隨著噴嘴流量的增大先增加后降低，噴嘴流量為29.48 mL/min時降溫效果最好，降溫效率為5.61%。

2）在本實驗工況下，噴霧降溫效果隨著噴嘴布置高度的增大而增加，噴嘴布置高度為2 m時降溫效果最好。隨著噴霧時間的增加，降溫效率不斷提升，噴霧時間在10 min內降溫效率的提升較為顯著。

3）在總噴霧量相同的條件下，噴霧降溫效果隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。噴霧時間為20min時，噴嘴數(shù)量為9個時的降溫效果最好，降溫效率為6.90%。