基于蒸发冷却原理的连栋温室降温关键因素分析

张璐瑶，孙玮玮(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

基于蒸发冷却原理的连栋温室降温关键因素分析

张璐瑶，孙玮玮
(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

以天津某现代农业连栋花卉温室为例，从蒸发冷却降温机理出发，对影响湿帘风机降温系统运行的关键因素，如循环水水温、湿帘表面风速、通风量、温室气流组织形式、其他物性参数等，进行阐述分析，总结各参数对湿帘风机降温系统的作用机理和内在联系，并对该连栋花卉温室的改造提供建议，为其高效运行提供参考。

蒸发冷却； 湿帘风机降温系统； 关键因素； 连栋温室

湿帘风机降温系统是现代农业温室抵御夏季高温天气的重要降温设备。囿于农业温室的结构形式和湿帘风机降温系统的工作机理，湿帘风机降温系统在气流流动方向上存在温度梯度。这样不但会影响温室的整体降温效果，也限制了温室的建造尺寸。为进一步扩大系统的适应性和灵活性，工程实践中常会将几个独立运行的温室通过合理的组合布置，形成连栋温室。连栋温室若布置合理，不但能够提高土地利用效率，也有利于农业温室的规模化生产，反之，容易造成温室降温效果恶化，增加运营难度。本研究拟以天津某现代农业连栋花卉温室为案例，从蒸发冷却降温机理出发，对影响湿帘风机降温系统运行的关键因素进行分析，并提出相应改造建议，以期为相关研究及生产应用提供参考。

1 工程案例

天津某连栋花卉温室培育基地共分为10个种植区，每个区为1个独栋温室，温室尺寸为48 m×384 m，相邻两区之间有1个9.6 m的通风走道，1区与10区与外界直接相通。每个区布置63台风机，分为3组，每组可以单独启动，每台风机的间距4 m，风机功率1.1 kW，排风量44 500 m3。湿帘长度368 m，高度2 m，厚度15 cm，表面风速0.6 m·s-1。培育基地有2个循环水水池，每5个区共用1个，每个水池容量895 m3，湿帘每天耗水100 m3。

如图1所示，该花卉培育基地单栋温室内的湿帘和风机分别布置在温室的两侧，与一般温室布置形式无异，2个独栋温室之间采用湿帘相邻或者风机相邻的结合方式，中间分别形成湿帘走道或者风扇走道，走道上方同样布置PC板以及内、外遮阳网。第1区和第10区的风扇外界以及观光走道成为连栋温室区唯一与外界相通的区域。由于整个连栋温室区的走道是连通的，因此，在温室运行过程中，系统排风和进风相互掺混，整个连栋温室区的气流较为杂乱。

图1 天津某连栋花卉温室的培育基地

前期运行阶段，温室降温效果不理想，为此，业主通过每天向循环水池加入300～400块冰块的方式增强温降效果，控制湿帘循环水进水温度为21～22 ℃，回水温度为23～24 ℃，低于室外空气平均湿球温度24.8 ℃。通过加冰的方式，虽然能够在一定程度上控制温室的温度，但也大大增加了温室的运营成本。

2 湿帘风机降温系统运行关键参数分析

2.1系统运行关键参数

湿帘风机降温系统的工作过程体现了直接蒸发冷却原理：风机在排除温室内空气的同时也迫使室外空气通过湿帘侧进入温室内，空气流经湿帘时，与浸附在湿帘表面的水膜在湿帘的特殊通道中直接接触，完成复杂的热质交换后进入温室内部。在热质交换过程中，水吸收空气的显热使空气温度降低，同时蒸发产生的水蒸气进入到空气中，空气得到汽化潜热并被加湿[1]。

在直接蒸发冷却过程中，如果忽略补水、加冰等外界因素对水温的影响，随着湿帘制冷循环的进行，循环冷却水温度与入口空气的湿球温度相等，则空气的焓值不变，空气出风温度会沿着空气入口状态点所在的等焓线趋向于饱和状态点，这个过程被称之为理想状态的蒸发冷却过程[2]。如图2中1→3过程所示，1点表示湿帘前空气入口状态点，2点表示湿帘后出风状态点，3点表示饱和状态点即2点所能到达的极限状态点。

图2 蒸发冷却处理的过程焓湿图

在直接蒸发冷却过程中，湿帘前后空气的温降程度(t1-t2)取决于入口空气的干湿球温差(t1-t3)和直接蒸发冷却的效率ηDBC。入口空气干湿球温差(t1-t3)的大小体现了直接蒸发冷却过程的温降极限，直接蒸发冷却效率ηDEC的大小体现了出风温度t2与湿球温度t3的逼近程度。对于理想状态的蒸发冷却过程，ηDBC越接近1，表明出风温度t2越接近入口空气的湿球温度t3，降温效果越明显。相关学者通过建立数学模型[2]，分析得出理想工况下直接蒸发冷却效率：

ηDBC=1-exp[(-khB)/(ρuCp)]。

式中，填料的比表面积k、厚度B为填料的物性参数，进口空气的密度ρ、风速u、定压比热容Cp、空气与水的表面换热系数h为空气的状态参数。

空气与水的表面换热系数h可能与很多因素有关，包括填料的种类和物性参数、空气与水的初参数和运行参数等；填料的比表面积k同样也是一个很难确定的量。对于某种固定填料，通常用填料体积代替接触面积进行简化分析，则相对应的面积传热系数h可以转化为体积传热系数hv：

hv=kh。

对于理想状态的蒸发冷却过程，传热系数与传质系数之比等于湿空气定压比热容，即：

通过因次分析以及试验验证得出，针对一定的系统和气象条件，传热系数可以表达为：

kdv=Aum。

式中：u为湿帘表面空气流速；A、m需要在试验台上拟合得出，与填料种类有关。

当循环冷却水温度低于入口空气的湿球温度时，空气状态变化过程表示为减焓降温加湿过程，如图2中1→3’过程所示，相较于过程1→3，过程1→3’能够进一步提高空气的温降程度。相关研究将循环水温tw作为一个影响因素对该工况下实际出风温度进行修正，假设循环水温tw=ts1-Δt(Δt>0，Δt表示循环水温与入口空气的湿球温度的差值)时，这种工况下实际出风温度[3]：

综合以上分析，湿帘后出风温度受众多因素的影响，对于确定结构形式和类别的湿帘填料，湿帘后出风温度可以表示为：

2.2关键参数的影响分析

2.2.1 循环水水温

从传热机理上分析，当循环水温较低甚至低于入口空气的湿球温度时，空气与水膜饱和边界层之间的平均温差增大，在换热系数基本不变时，空气与水的显热换热量增大，使空气温度降得更低[1]。因此，通过向循环水池中加冰的方式来降低循环水温度，可在一定程度上弥补由于湿帘表面风速较低而引起的降温效率降低的影响。

2.2.2 湿帘表面风速

湿帘表面的风速u是影响出风温度的一个重要因素，这表现为湿帘表面的风速能够直接影响湿帘的蒸发冷却效率。当风速在一个合理区间变化时，风速u越小，效率ηDBC越大。研究表明，当湿帘厚度B=10 cm，风速小于1 m·s-1时，对效率的影响特别明显。同时，由于风速过小，会使得温室的通风量变小，这样会对整个降温系统带来消极影响，当取流速为1.0～2.0 m·s-1中间时较为合适[4]。从这个角度分析，该温室湿帘表面平均风速为0.6 m·s-1，限制了湿帘风机降温系统的降温潜力。

2.2.3 通风量

湿帘风机降温系统是一个典型的以“小温差大风量”为特征的降温系统，合理的通风量不仅能够提高温室的降温效果，同时也会影响湿帘表面的风速大小，而湿帘表面的风速与湿帘的蒸发冷却效率密切相关；因此，选择能够同时保证湿帘的降温效果和满足温室合适的风量是保证湿帘风机降温系统有效运行的重要基础。

文献[5- 6]指出，对于适度遮阴的农业温室，当室内的最大太阳辐射强度在50 000 lx时，单位面积1 m2的基本通风量达到2.5 m3·min-1，能够满足温室的降温需求。考虑温室所在地区的海拔、室内太阳辐射强度、温室内允许温升和风机湿帘间距离等因素，在确定适当的调整系数后，得温室降温系统总通风量为2 764 800 m3·h-1，而该温室的实际风量为1 589 760 m3·h-1，仅为理论需求风量的57.5%。若要满足温室理论通风量，需要开启62.1个风机，即需开启温室内全部风机才能满足风量要求，此时湿帘表面理论风速为1.04 m·s-1。

2.2.4 气流组织形式

由于该连栋温室的设计缺陷，导致系统存在排风和进风相互掺混的现象，尤以2～9区表现明显，这会给湿帘风机降温系统的运行带来3方面的影响，以9区为例进行说明。

2)进排风不通畅，温室通风量不足。由于整个连栋温室区走道之间相互连通，吸收了温室内大量热负荷的排风不仅没有被及时排除室外，部分又重新流转到湿帘进风侧并进入室内，因此，湿帘侧的进风并不是完全直接来自于室外空气，这也是造成湿帘表面风速偏小，温室通风量不足的原因之一。

3)由于温室进排风不畅，而温室内风机依然按照既有的功率运转，可能会导致部分未经湿帘处理的杂乱气流(如图3中线段4～5状态点)甚至室外的空气通过围护结构的缝隙等位置直接被风机抽吸进入温室内，使温室内环境恶化。

图3 温室气流的状态焓湿图

在此条件下，温室内若存在高大植株会对气流造成阻碍，影响局部降温效果。根据相关文献[7]，同比会有0.8～1.7 ℃的温升。在此条件下，可以适当调整湿帘的安装高度，改变植株方向等进行优化改善。

2.2.5 其他物性参数

由2.1节的理论分析可知，随着湿帘厚度的增大，蒸发冷却效率增大，湿帘后出风温度降低。同时，文献[4]指出，随着湿帘厚度的增加，湿帘前后的空气阻力ΔP也明显增大，当湿帘厚度接近0.4 m时，湿帘后出风温度已基本等于入口空气的湿球温度，此时再增加湿帘的厚度已无意义。

3 改造方案建议

该温室湿帘风机系统降温问题最主要的症结在于：因连栋温室气流组织形式不合理，引起湿帘表面风速、通风量等参数不能满足系统运行要求，进而引起温室降温能力下降。结合该连栋温室的结构特点，提出以下改造建议供参考。

1)在湿帘走道上方、PC板上合理设置一定数量的进风口，作为湿帘侧抽取室外进风的渠道，白天进风口开启，夜间进风口关闭；

2)相应地，在风机走道上方设置相应的排风口，与湿帘走道侧的进风口组成一个完整的空调系统；或者将风机走道两侧墙式风机改造成屋顶式风机，并均匀布置温室顶部，将温室排风直接排出室外[8]；

3)在风机走道、湿帘走道与观光走道交界的地方布置透明围护结构，既不影响观赏功能，又能阻止气流在走道间的相互流窜。

4 小结

湿帘入口空气的状态参数、循环水水温、湿帘表面风速、温室通风量、温室的气流组织形式、湿帘的物性参数等因素均是影响温室湿帘风机降温系统工况的重要参数，且很多参数之间又有紧密的联系；因此，不管是在项目的设计阶段、建设阶段还是运营阶段，要合理把握上述参数的作用机理和内在联系，保证温室的降温效果。

该温室的案例也证明，通过降低循环冷却水温度能够进一步降低湿帘后出风温度；因此，在保证其他参数能够满足湿帘风机降温系统合理高效运行的前提下，可以通过抽取地下冷水或者向循环水池适当加冰等途径，调控湿帘后出风温度，满足不同作物的需求。

[1] 黄翔.空调工程[M].北京：机械工业出版社，2006：112.

[2] 蒋毅. 高效节能的蒸发冷却技术及其应用的建模与实验研究[D]. 南京: 东南大学, 2006：12.

[3] 张璐瑶, 黄翔, 宋祥龙,等. 亚湿球温度的冷水对农业温室湿帘降温性能的影响分析[J]. 制冷技术, 2015(1):25- 28.

[4] 张庆民, 陈沛霖. 空气经过淋水纸质填料时的热湿交换过程[J]. 同济大学学报(自然科学版), 1995(6):648- 653.

[5] 约翰·瓦特, 威尔·布朗, 黄翔，等. 蒸发冷却空调技术手册[M]. 北京：机械工业出版社, 2009.

[6] 陈杰, 周胜军, 陈杰,等. 连栋温室中湿帘-风机降温系统的设计方法比较与分析[J]. 浙江农业科学, 2005 (2):151- 152.

[7] 张璐瑶. 关中地区现代温室湿帘风机降温系统关键技术及应用效果的研究[D]. 西安：西安工程大学, 2015：44.

[8] 黄翔. 蒸发冷却空调理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：485.

(责任编辑：高 峻)

S625.5

：A

：0528- 9017(2017)09- 1567- 04

2017- 07- 12

张璐瑶(1989—)，男，山东潍坊人，助理工程师，硕士，从事工程管理工作，E- mail：zhangluyao@jkec.com.cn。

文献著录格式：张璐瑶，孙玮玮. 基于蒸发冷却原理的连栋温室降温关键因素分析[J].浙江农业科学，2017，58(9)：1567- 1570.

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170921