基于蒸發冷卻原理的連棟溫室降溫關鍵因素分析

張璐瑤，孫瑋瑋(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

基于蒸發冷卻原理的連棟溫室降溫關鍵因素分析

張璐瑤，孫瑋瑋
(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

以天津某現代農業連棟花卉溫室為例，從蒸發冷卻降溫機理出發，對影響濕簾風機降溫系統運行的關鍵因素，如循環水水溫、濕簾表面風速、通風量、溫室氣流組織形式、其他物性參數等，進行闡述分析，總結各參數對濕簾風機降溫系統的作用機理和內在聯系，并對該連棟花卉溫室的改造提供建議，為其高效運行提供參考。

蒸發冷卻； 濕簾風機降溫系統； 關鍵因素； 連棟溫室

濕簾風機降溫系統是現代農業溫室抵御夏季高溫天氣的重要降溫設備。囿于農業溫室的結構形式和濕簾風機降溫系統的工作機理，濕簾風機降溫系統在氣流流動方向上存在溫度梯度。這樣不但會影響溫室的整體降溫效果，也限制了溫室的建造尺寸。為進一步擴大系統的適應性和靈活性，工程實踐中常會將幾個獨立運行的溫室通過合理的組合布置，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，也有利于農業溫室的規模化生產，反之，容易造成溫室降溫效果惡化，增加運營難度。本研究擬以天津某現代農業連棟花卉溫室為案例，從蒸發冷卻降溫機理出發，對影響濕簾風機降溫系統運行的關鍵因素進行分析，并提出相應改造建議，以期為相關研究及生產應用提供參考。

1 工程案例

天津某連棟花卉溫室培育基地共分為10個種植區，每個區為1個獨棟溫室，溫室尺寸為48 m×384 m，相鄰兩區之間有1個9.6 m的通風走道，1區與10區與外界直接相通。每個區布置63臺風機，分為3組，每組可以單獨啟動，每臺風機的間距4 m，風機功率1.1 kW，排風量44 500 m3。濕簾長度368 m，高度2 m，厚度15 cm，表面風速0.6 m·s-1。培育基地有2個循環水水池，每5個區共用1個，每個水池容量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的濕簾和風機分別布置在溫室的兩側，與一般溫室布置形式無異，2個獨棟溫室之間采用濕簾相鄰或者風機相鄰的結合方式，中間分別形成濕簾走道或者風扇走道，走道上方同樣布置PC板以及內、外遮陽網。第1區和第10區的風扇外界以及觀光走道成為連棟溫室區唯一與外界相通的區域。由于整個連棟溫室區的走道是連通的，因此，在溫室運行過程中，系統排風和進風相互摻混，整個連棟溫室區的氣流較為雜亂。

圖1 天津某連棟花卉溫室的培育基地

前期運行階段，溫室降溫效果不理想，為此，業主通過每天向循環水池加入300～400塊冰塊的方式增強溫降效果，控制濕簾循環水進水溫度為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營成本。

2 濕簾風機降溫系統運行關鍵參數分析

2.1系統運行關鍵參數

濕簾風機降溫系統的工作過程體現了直接蒸發冷卻原理：風機在排除溫室內空氣的同時也迫使室外空氣通過濕簾側進入溫室內，空氣流經濕簾時，與浸附在濕簾表面的水膜在濕簾的特殊通道中直接接觸，完成復雜的熱質交換后進入溫室內部。在熱質交換過程中，水吸收空氣的顯熱使空氣溫度降低，同時蒸發產生的水蒸氣進入到空氣中，空氣得到汽化潛熱并被加濕[1]。

在直接蒸發冷卻過程中，如果忽略補水、加冰等外界因素對水溫的影響，隨著濕簾制冷循環的進行，循環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，空氣出風溫度會沿著空氣入口狀態點所在的等焓線趨向于飽和狀態點，這個過程被稱之為理想狀態的蒸發冷卻過程[2]。如圖2中1→3過程所示，1點表示濕簾前空氣入口狀態點，2點表示濕簾后出風狀態點，3點表示飽和狀態點即2點所能到達的極限狀態點。

圖2 蒸發冷卻處理的過程焓濕圖

在直接蒸發冷卻過程中，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)和直接蒸發冷卻的效率ηDBC。入口空氣干濕球溫差(t1-t3)的大小體現了直接蒸發冷卻過程的溫降極限，直接蒸發冷卻效率ηDEC的大小體現了出風溫度t2與濕球溫度t3的逼近程度。對于理想狀態的蒸發冷卻過程，ηDBC越接近1，表明出風溫度t2越接近入口空氣的濕球溫度t3，降溫效果越明顯。相關學者通過建立數學模型[2]，分析得出理想工況下直接蒸發冷卻效率：

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，進口空氣的密度ρ、風速u、定壓比熱容Cp、空氣與水的表面換熱系數h為空氣的狀態參數。

空氣與水的表面換熱系數h可能與很多因素有關，包括填料的種類和物性參數、空氣與水的初參數和運行參數等；填料的比表面積k同樣也是一個很難確定的量。對于某種固定填料，通常用填料體積代替接觸面積進行簡化分析，則相對應的面積傳熱系數h可以轉化為體積傳熱系數hv：

hv=kh。

對于理想狀態的蒸發冷卻過程，傳熱系數與傳質系數之比等于濕空氣定壓比熱容，即：

通過因次分析以及試驗驗證得出，針對一定的系統和氣象條件，傳熱系數可以表達為：

kdv=Aum。

式中：u為濕簾表面空氣流速；A、m需要在試驗臺上擬合得出，與填料種類有關。

當循環冷卻水溫度低于入口空氣的濕球溫度時，空氣狀態變化過程表示為減焓降溫加濕過程，如圖2中1→3’過程所示，相較于過程1→3，過程1→3’能夠進一步提高空氣的溫降程度。相關研究將循環水溫tw作為一個影響因素對該工況下實際出風溫度進行修正，假設循環水溫tw=ts1-Δt(Δt>0，Δt表示循環水溫與入口空氣的濕球溫度的差值)時，這種工況下實際出風溫度[3]：

綜合以上分析，濕簾后出風溫度受眾多因素的影響，對于確定結構形式和類別的濕簾填料，濕簾后出風溫度可以表示為：

2.2關鍵參數的影響分析

2.2.1 循環水水溫

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

2.2.2 濕簾表面風速

濕簾表面的風速u是影響出風溫度的一個重要因素，這表現為濕簾表面的風速能夠直接影響濕簾的蒸發冷卻效率。當風速在一個合理區間變化時，風速u越小，效率ηDBC越大。研究表明，當濕簾厚度B=10 cm，風速小于1 m·s-1時，對效率的影響特別明顯。同時，由于風速過小，會使得溫室的通風量變小，這樣會對整個降溫系統帶來消極影響，當取流速為1.0～2.0 m·s-1中間時較為合適[4]。從這個角度分析，該溫室濕簾表面平均風速為0.6 m·s-1，限制了濕簾風機降溫系統的降溫潛力。

2.2.3 通風量

濕簾風機降溫系統是一個典型的以“小溫差大風量”為特征的降溫系統，合理的通風量不僅能夠提高溫室的降溫效果，同時也會影響濕簾表面的風速大小，而濕簾表面的風速與濕簾的蒸發冷卻效率密切相關；因此，選擇能夠同時保證濕簾的降溫效果和滿足溫室合適的風量是保證濕簾風機降溫系統有效運行的重要基礎。

文獻[5- 6]指出，對于適度遮陰的農業溫室，當室內的最大太陽輻射強度在50 000 lx時，單位面積1 m2的基本通風量達到2.5 m3·min-1，能夠滿足溫室的降溫需求。考慮溫室所在地區的海拔、室內太陽輻射強度、溫室內允許溫升和風機濕簾間距離等因素，在確定適當的調整系數后，得溫室降溫系統總通風量為2 764 800 m3·h-1，而該溫室的實際風量為1 589 760 m3·h-1，僅為理論需求風量的57.5%。若要滿足溫室理論通風量，需要開啟62.1個風機，即需開啟溫室內全部風機才能滿足風量要求，此時濕簾表面理論風速為1.04 m·s-1。

2.2.4 氣流組織形式

由于該連棟溫室的設計缺陷，導致系統存在排風和進風相互摻混的現象，尤以2～9區表現明顯，這會給濕簾風機降溫系統的運行帶來3方面的影響，以9區為例進行說明。

2)進排風不通暢，溫室通風量不足。由于整個連棟溫室區走道之間相互連通，吸收了溫室內大量熱負荷的排風不僅沒有被及時排除室外，部分又重新流轉到濕簾進風側并進入室內，因此，濕簾側的進風并不是完全直接來自于室外空氣，這也是造成濕簾表面風速偏小，溫室通風量不足的原因之一。

3)由于溫室進排風不暢，而溫室內風機依然按照既有的功率運轉，可能會導致部分未經濕簾處理的雜亂氣流(如圖3中線段4～5狀態點)甚至室外的空氣通過圍護結構的縫隙等位置直接被風機抽吸進入溫室內，使溫室內環境惡化。

圖3 溫室氣流的狀態焓濕圖

在此條件下，溫室內若存在高大植株會對氣流造成阻礙，影響局部降溫效果。根據相關文獻[7]，同比會有0.8～1.7 ℃的溫升。在此條件下，可以適當調整濕簾的安裝高度，改變植株方向等進行優化改善。

2.2.5 其他物性參數

由2.1節的理論分析可知，隨著濕簾厚度的增大，蒸發冷卻效率增大，濕簾后出風溫度降低。同時，文獻[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，當濕簾厚度接近0.4 m時，濕簾后出風溫度已基本等于入口空氣的濕球溫度，此時再增加濕簾的厚度已無意義。

3 改造方案建議

該溫室濕簾風機系統降溫問題最主要的癥結在于：因連棟溫室氣流組織形式不合理，引起濕簾表面風速、通風量等參數不能滿足系統運行要求，進而引起溫室降溫能力下降。結合該連棟溫室的結構特點，提出以下改造建議供參考。

1)在濕簾走道上方、PC板上合理設置一定數量的進風口，作為濕簾側抽取室外進風的渠道，白天進風口開啟，夜間進風口關閉；

2)相應地，在風機走道上方設置相應的排風口，與濕簾走道側的進風口組成一個完整的空調系統；或者將風機走道兩側墻式風機改造成屋頂式風機，并均勻布置溫室頂部，將溫室排風直接排出室外[8]；

3)在風機走道、濕簾走道與觀光走道交界的地方布置透明圍護結構，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

濕簾入口空氣的狀態參數、循環水水溫、濕簾表面風速、溫室通風量、溫室的氣流組織形式、濕簾的物性參數等因素均是影響溫室濕簾風機降溫系統工況的重要參數，且很多參數之間又有緊密的聯系；因此，不管是在項目的設計階段、建設階段還是運營階段，要合理把握上述參數的作用機理和內在聯系，保證溫室的降溫效果。

該溫室的案例也證明，通過降低循環冷卻水溫度能夠進一步降低濕簾后出風溫度；因此，在保證其他參數能夠滿足濕簾風機降溫系統合理高效運行的前提下，可以通過抽取地下冷水或者向循環水池適當加冰等途徑，調控濕簾后出風溫度，滿足不同作物的需求。

[1] 黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社，2006：112.

[2] 蔣毅. 高效節能的蒸發冷卻技術及其應用的建模與實驗研究[D]. 南京: 東南大學, 2006：12.

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

[4] 張慶民, 陳沛霖. 空氣經過淋水紙質填料時的熱濕交換過程[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 1995(6):648- 653.

[5] 約翰·瓦特, 威爾·布朗, 黃翔，等. 蒸發冷卻空調技術手冊[M]. 北京：機械工業出版社, 2009.

[6] 陳杰, 周勝軍, 陳杰,等. 連棟溫室中濕簾-風機降溫系統的設計方法比較與分析[J]. 浙江農業科學, 2005 (2):151- 152.

[7] 張璐瑤. 關中地區現代溫室濕簾風機降溫系統關鍵技術及應用效果的研究[D]. 西安：西安工程大學, 2015：44.

[8] 黃翔. 蒸發冷卻空調理論與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010：485.

(責任編輯：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。

文獻著錄格式：張璐瑤，孫瑋瑋. 基于蒸發冷卻原理的連棟溫室降溫關鍵因素分析[J].浙江農業科學，2017，58(9)：1567- 1570.

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170921