蒸发冷却对雾霾空气的净化作用.docx

蒸发冷却对雾霾空气的净化作用西安工程大学李元铭 * 强天伟摘 要 介绍了我国室内外空气污染的现状及对人体健康的严重危害，结合蒸发冷却空调的原理及特点，分 析了其对雾霾空气的净化作用。关键词 蒸发冷却；雾霾；净化；pm2.5purification of evaporative cooling air to the hazeli yuanming and qiang tianweiabstract this paper introduces the present status of indoor and outdoor air pollution and the serious harm, combined with the principle and characteristic of evaporative cooling air conditioning, analysis on the haze air purification effect. keywords evaporative cooling; haze; purification; pm2.50引言中国气象局的数据显示，今年以来，全国平世界卫生组织对发展中国家推荐的最宽松pm2.5限值为 35 g/m3，而 2013 年我国 pm2.5 邢台监测 试点年平均值高达 1 55 . 2 g /m 3 ，远高于推荐值。据中国环保设备展览网在 2011 年 10 月发布的一则报告中指出：近 3 年来，京、津、冀，长三角 和珠三角 3 大城市群每年出现灰霾的天数超过 100天，东莞地等区达到 210 天，甚至沿海城市深圳也 出现了 154 天的灰霾天气。我国大气污染的监测、防控与治理，已经到了刻不容缓的地步。 美国国家航空航天局（nasa）2010 年 9 月，公布了一张全球空气质量地图，展示了世界各地pm2.5 的空气密度。图 1 中 pm2 .5 密度最高的区 域，出现在北非、东亚和中国。均雾霾天数为 5 2 年来之最，安徽、湖南、湖北、浙江、江苏等 1 3 地均创下“历史纪录”。一般而 言，良好的通风是排除污染物,保持室内空气洁净的最有效措施1，然而现在这种传统的保持室内空气 品质的方法已不再适用。那么我们又应该如何保持室内空气的品质呢？笔者认为蒸发冷却或是一个不 错的选择。1室内外空气污染现状1.1 室外空气污染现状近几年，雾霾天气在全国范围内频频出现， 使城市的整个天空看起来灰蒙蒙的一片，而 pm2.5 是能见度降低的主要原因。pm2.5 是指空气动力学 直径小于 2.5 m 的大气颗粒物，它是由固体和液 态微粒结合而成的细微粒子。如今，pm2.5 气溶胶 的复合污染作用往往超过传统的大气污染物，日益 成为表征城市大气污染的首要指标2。近年来，以 pm2.5 为代表的大气颗粒物已成为我国大气污染的 主要对象，而频频出现的 pm 2. 5 监测数据的“爆 表”事件也已引起全民关注身边的空气污染问题。图 1 美国国家航空航天局（n a s a ）全球空气质量地图（2 0 1 0 年 9 月）1.2 室内空气污染现状据统计，人约有 90% 的时间是在室内工作和 生活的，这其中有约 60% 的时间是在家里度过的，* 李元铭，男，1 9 8 9 年 2 月生，在读硕士研生71 00 48 西安市金花南路 19 号1 3 5 7 14 9 3 1 8 9e-m ail:27088 8784 收稿日期：2 0 1 4 - 0 3 - 0 6. 32 .洁净与空调技术cc&ac2014因而室内空气品质的好坏对人的健康有着至关重要的影响。据有关统计，我国每年因室内空气污染引 起的超额死亡人数高达 11.1 万人，超额门诊数 22 万人次，超额急诊数 430 万人次3，此外严重的室 内空气污染也给我国造成了巨大的经济损失。调查发现，可吸入颗粒物已经成为室内主要 的污染物 4 ，而这其中又以 p m 2 . 5 为代表。 pm 2 . 5 比表面积大，生物活性大，易吸附病菌和 病毒，易被吸入肺中，甚至深入血液系统。空气将显热传递给水，温度降低，水蒸发进入空气，空气的含湿量和潜热增加。由此可以看出，蒸发冷 却空调可以有效的洗涤并净化空气。室内外空气污染对人的危害美国的大量研究表明，对人体健康危害最大 的颗粒物是 pm2.5，因为这些颗粒物可以穿过肺部 并留存在肺部深处，诱发肺硬化、心血管疾病和 支气管炎等疾病，甚至进入血液系统随血液循环遍 及全身，对人体造成永久伤害。颗粒物的粒径也是危害人体健康的重要因素， 因粒径越小越易进入肺泡，甚至血液系统，诱发多种疾病。此外，粒径越小，比表面积越大，物理、化学及生物活性越高 3 ，对人体健康的危害也越大。 鉴于这种情况，对大气颗粒物尤其是对 pm2.5 的监 测、防控及治理越来越引起广大人民的关注。2图 2 蒸发冷却过程图 3 蒸发冷却设备3.2 蒸发冷却的特点蒸发冷却是一种环保高效且经济的冷却方 式 5 ，蒸发冷却空调系统使用的制冷剂是水，运 行中不会对环境造成任何危害。一般而言机械制冷系统的装机功率为50 w/m2 左 右，而蒸发冷却系统仅为 10 w/m2 左右，运行能耗 约仅为机械制冷的 1/5，节电 80%8。蒸发冷却系 统的初投资也远小于机械制冷系统，仅约为机械制 冷系统的 1 / 2 。蒸发冷却空调一般采用全新风系统，对空气 具有加湿和过滤功能。蒸发冷却空调对大于 10 m的颗粒物具有非常好的净化作用，可以有效提高新风的清洁度，对较小的颗粒物也有较好的净化作用。3蒸发冷却的原理及特点3.1 蒸发冷却的原理蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热制冷的技术 5，水在空气由于焓差的推动作用而蒸发吸热。空 气通过与水的热湿交换将显热传递给水，从而使空 气温度下降，而空气的含湿量和潜热由于水的蒸发 而增加。只要空气不是饱和的，利用循环水直接（或通过填料层）喷淋空气就可获得降温的效果， 这种处理空气的方法称为蒸发冷却。蒸发冷却过程如图 2 所示，通过显热和潜热的转化，理想状态下，空气由状态点沿等焓线变化4蒸发冷却对雾霾空气的净化作用4.1 蒸发冷却的净化机理我们都曾有过这样的经历，雨后的空气格外 清新，这是因为雨水净化了空气，有效去除了空 气中的污染物。同理，蒸发冷却空调运行过程 中，空气穿过布满水的填料层，空气中污染物也 被有效去除。蒸发冷却器中颗粒物的去除机理有惯 性碰撞、扩散、接触阻留和沉降。图 4 和图 5 是 各种净化机理的概念图。至状态点，温度由 t 降至 t ，但绝热加湿冷却过13程进行的程度是有一定限度的，液态水汽化吸收的潜热不可能超过空气所传递的显热量。蒸发冷却空 调的使用效果主要受气候条件的限制，干湿球温差越大使用效果越好 6 - 7 。蒸发冷却设备布置如图 3 所示，设备下方设有 集水箱，循环水经过水泵送至填料层上部，均匀的 喷洒在填料层上，水依靠重力下流并润湿填料。空 气由于风机作用穿过填料层并与水进行热湿交换，第2期 蒸发冷却对雾霾空气的净化作用 . 33 .2003年helmut paschold等人进行了蒸发冷却器对室内颗粒物浓度影响的实验研究，实验中建造了 环境室以便在可控的条件下安装和运行蒸发冷却器，用 t eo m （锥形元件震荡微天平）测量室内外的颗粒物浓度。 实验中所使用的蒸发冷却器是 mastercool model m63c (刚性纤维填料)和champion m o d e l 4 8 0 0 d d （白杨填料）。为确保实验质量， 许多平行试验在相同环境下的临近区域进行。蒸发 冷却器在不同的控制条件下运行，如风速（低或 高），水泵（开或关），水质（蒸馏水或普通水）和 排水（开或关）。实验结果如表 1 和表 2 所示。如表 1 所示，无水时，采用白杨填料时室内 外 pm2.5 比值为 1.0，采用刚性填料时室内外 pm2.5 比值在 1. 0 上下轻微变化。这表明无水时，室外颗粒物较易进入室内。如表 1 所示，使用刚性填 料且风速（雷诺数约为 3000）较小时颗粒物沉积在填料层，风速较大时沉积颗粒物重新悬浮进入室内 使室内外 pm2.5 浓度的比值大于 1.0。如表 2 所示，无水时，室内 pm10 浓度出现明显的降低，室内外pm10 浓度比值约 0. 7。这表明无水时，不同的填 料对较大颗粒物进入室内环境的渗透率没有明显影响。忽略颗粒物的再次悬浮，室外空气通过干燥填料层进入室内时 pm10 浓度可下降近 30%。 实验表明蒸发冷却可以有效减小室内pm2.5和pm10 的浓度，pm2.5 占颗粒物重量的 50% 左右。 基于这种常见的蒸发冷却器模型进行的实验表明， 蒸发冷却器正常运行时，对室内 pm10 的去除效率 约为 50%，对 pm2.5 的去除效率在 10%40% 之间。 无水运行时，pm10 的去除效率高于 pm2.5 的去除效率。蒸发冷却的去除效率如图 6 所示。图 4 a- 惯性碰撞 d- 湍流扩散 e- 沉降图 5 b- 接触阻留 c- 布朗扩散蒸发冷却器无水运行时，实质上是通风装置，颗粒物也可因上述作用而被去除。蒸发冷却器 正常运行时，可以有效的降低空气温度，且颗粒物去除效率也有效提高。润湿的填料对颗粒物的粘着力增大的同时，也消弱了颗粒物再次悬浮的能力。 填料吸水后会出现轻微的膨胀。填料的轻微膨胀会 增大其接触面积，惯性碰撞和接触阻留作用的去除 效果增强。填料的轻微膨胀减小了填料内间隙，扩 散和沉积作用的去除效果增强。4.2 蒸发冷却的净化效果蒸发冷却对室内颗粒物浓度的影响有着相互矛 盾的研究结果。如，1989 年 quackenboss 等人研究 表明蒸发冷却可以降低室内颗粒物浓度。1973 年 thompson 等人在加利福尼亚的研究表明蒸发冷却可 以增加室内颗粒物浓度。1988 年highsmith 和rodes 的研究表明，加湿器（类似于蒸发冷却器）可以 增加室内颗粒物浓度。表 1 pm2.5 的实验结果9注：表中 i / o 比值为室内外颗粒物浓度比值，r 2 位相关系数，n 为样本数量。. 34 .洁净与空调技术cc&ac2014表 2pm10 的实验结果9注：a 表示未测量。人们对新风的需求。蒸发冷却空调系统则可满足人们的需求，它可以大量引入经过有效过滤的新风， 满足人们对新风的需求。同时，相对于具有过滤器的机械式空调系统，蒸发冷却空调节电 80% 左右。蒸发冷却是一种环保、节能的制冷技术，拥有广泛 的应用前景。图 6 蒸发冷却去除污染的效率如图 6 所示，由于水的存在，采用刚性纤维 填料时，pm2.5的去处效率从0% 提高到10%，pm10 的去处效率从 3 0 % 提高到 5 0 % 。用白杨填料时， pm2.5 的去处效率从 0% 提高到 30%，pm10 的去 处效率从 30% 提高到 50%。去除效率的提高可归 因于接触面积的增加和再悬浮的有效阻止。蒸发冷却器正常运行时，对颗粒物具有较好 的净化作用。若填料选用合适，其当做通风设备使用时，对颗粒物也有不错的净化作用。蒸发冷却空调的净化作用，可以有效代替传统空调系统中的粗 效过滤器，对改善室内空气的品质具有重要作用。 通过蒸发冷却空调系统的新风，品质得以提高，满 足了人们的健康要求，避免人们出现头晕、哮喘等 不适，有效的提高人们的生活品质和工作效率。参考文献1 邹越,侯云芬,蔡光汀.室内空气污染与建筑通风j.北京建 筑工程学院学报，2002,18（1）2 李丽珍,曹露,王磊,刘辉,史学峰,巩鑫磊. 谈中国 pm2.5 的 污染来源及危害j.能源与节能,2013（4）3 徐洪波,魏卓立,郭立新.室内空气污染对人体健康的危害及 预防j.环境保护科学,2005,31（131）4 封岳鹏,张太生.室内空气污染概述j.环境监测管理与技 术,2002,14（3）5 黄翔.国内外蒸发冷却空调技术研究进展（1）j.暖通空调hv&ac,2007,37（2）6 武俊梅,黄翔,殷清海.直接蒸发冷却空调机性能研究j.建 筑热能通风空调,2000,19（4）7 狄育慧,刘加平,黄翔.蒸发冷却空调应用的气候适应性区域 的划分j.暖通空调 hv&ac, 2010, 40（2）8 黄翔.面向环保、节能、经济及室内空气品质联合