湿帘风机降温系统的研究

湿帘风机降温系统的研究

0从工业和意义上看湿式空吸声降温系统和细湿式降水系统是温室中常用的两种蒸发方式。无论最好还是坏，都必须根据当地情况进行评估。例如，在日本，细雾降声系统的普及面积约是湿式风偶上升的5倍。在中国，湿墙建成系统是最重要的。目前，湿帘风机降温系统在我国的生产温室、展览温室等现代温室领域有着广泛的应用，很多学者也从湿帘的结构和动态参数、降温效果、系统安装高度、相应温室热环境以及室内气流、温度分布等方面对其进行了研究；但鉴于研究目的不同，内容各有侧重。为了使人们对这一降温系统的特性、实际应用效果、存在的问题以及应用潜力等方面有一个比较全面的认识，以实行更为科学的设计和有效的运行管理，本文将利用文献分析、试验测试和模型预测等手段，对现代温室湿帘风机降温系统进行评价和分析。1两个蒸发冷却系统的比较1.1细雾降温系统湿帘风机降温系统的设备一般安装在温室侧墙上，不占温室空间，有利于温室的栽培管理、增设保温幕或遮阳幕等；冷却水可循环利用，利用效率高；给水管的给水孔径一般有数毫米，对水质或过滤器的要求相对而言可不必太严格；由于我国湿帘和大流量风机的国产化研制取得了成功，系统投资成本较低。细雾降温系统是在传统喷雾降温系统基础上进化而来的，其雾滴直径更小（如2～60μm）、加大了空气与水接触的面积和雾滴在空气中的停留时间。细雾降温系统喷嘴等一般均布于温室上部，对温室栽培管理以及保温幕或室内遮阳幕的设置可能产生影响；喷嘴孔径仅为0.1～0.3mm左右，对水质或水的前处理要求非常严格；喷雾后的水充分雾化与否，都不能循环利用；目前我国国产的喷嘴质量和耐久性还不尽人意，主要依赖于进口，所以其投资成本较高。1.2蒸发降温效率根据蒸发降温的原理，湿帘的蒸发降温效率通常可用以下公式计算，即式中Tod—室外干球温度（℃）；Tid—湿帘室内一侧干球温度(℃);在实际运行过程中，空气和湿帘表面的水无法实现完全热湿交换，达不到室外湿球温度的降温效果，湿帘的蒸发降温效率一般在60%～80%。细雾降温系统的蒸发降温效率，通常也有按式(1)进行估算的，但其蒸发降温过程是在室内进行的，理论上的最大降温极限应该是室内湿球温度，而非室外湿球温度；特别是在没有充分通风换气的情况下，经过喷雾加湿降温的室内湿球温度将高于室外，会影响降温效率，实际应用中也表明其降温效果也低于湿帘风机降温系统。增设强制通风系统可缓解这一问题，但势必会增加系统的投资和运行成本、增加系统运行管理的复杂性。1.3植物的温、湿度分布特点湿帘风机降温系统所形成的室内环境除了在气流方向存在一定的温、湿度梯度外，还具有以下优点：一是加湿降温仅在进气口进行，不会产生冷却水淋湿植物现象；二是室内温、湿度环境在时间上相对稳定，有利于植物光合作用；三是有稳定的气流场，有利于植物体温度对周围环境变化的快速响应。相对而言，细雾降温系统的最大优势在于可以形成空间上比较均一的温、湿度分布，但存在以下不足：一是如上所述通常所采用的间歇式运行方式，会导致室内温、湿度的剧烈波动，这是否会对植物生长产生影响还有待于进一步研究；二是没有充分雾化的水滴可能会淋湿植物表面而导致病害，或者在植物表面会出现盐类聚集而导致植物表面发生灼伤。1.4系统运行维护湿帘风机降温系统可自动控制或人工控制，运行管理简单，对管理人员的技术水平要求不高。由于夏季室外温度较高，降温系统通常是从早到晚连续运行的。而细雾降温系统因喷雾水量调节比较困难，目前通常采用间歇式运行管理，要求管理者根据温室气象条件判定并设定相应的运行程序，对管理者的专业技术水平要求较高。从维护角度来看，湿帘风机降温系统设备简单，耐久性好，维护比较简单；根据笔者对实际生产温室的调查，在没有任何维护维修的情况下，经过6年使用的系统仍能正常运行。与之相对，细雾降温系统的喷嘴孔径较小、对水质要求较高，需要经常性的检查和维护，否则会因管理不当或喷嘴耐久性不好，出现喷嘴堵塞、滴水或喷雾量、雾滴飞散距离、飞散角度达不到设计要求等现象。2测试测试2.1日本爱知县本研究共测试了3栋大型现代生产温室。其分别位于北京（北纬39°56′）、上海（北纬31°10′）以及日本爱知县（北纬34°40′）。温室概况如表1所示。2.2减少测点数量测试的内容主要有室内外空气温度、相对湿度、太阳辐射照度以及室内气流速度。北京及上海温室沿气流方向共设了9个测试断面，爱知温室较长、布点困难，且适当减少测点对考察室内温、湿度分布规律不会产生太大影响，故将测试断面数量减少为5；测点高度位于植物冠层附近。其主要测试仪器有热电偶、数据采集器（江藤电器，CADAC21）、静电容量式湿度计（CHINO,HNCHPR）、全天型日照计（英弘精机，MS-601）以及热线风速仪(KANOMAX,Model-6003)等。除气流速度外，其它数据均以10min为间隔自动采集。测试实施时间为北京7月25～27日，上海7月30日～8月2日，爱知8月22～31日。2.3测试结果和研究2.3.1蒸发降温效率根据式(1)对各试验温室湿帘两侧温度差和室外干、湿球温度差进行线性回归计算，即可得出湿帘的蒸发降温效率。结果显示北京、上海以及爱知温室的湿帘蒸发降温效率分别为78%，79%和76%，如图1所示。根据实测，北京、上海及爱知温室的湿帘表面气流速度分别为1.1m/s,1.4m/s和1.8m/s。这些数据基本上符合ASAEStandards(2003）推荐的最大过流速度1.27(10cm厚）～1.78m/s(15cm厚）标准。2.3.2降温系统测试结果将各测试日白天湿帘风机降温系统运行期间的室外空气温度、室内进气温度以及室内空气温度（同一时刻各测点的算术平均值）进行统计，即可得出各地室外温度状况以及相应进气及室内空气降温幅度（即内外温度差），如表2所示。表2中的平均值为所有测试日白天降温系统运行时段内各时刻数据的算术平均值。测试期间的室外最低相对湿度分别为北京30%～50%，上海50%左右，爱知46%～70%（其中50%以下仅2天，其余8天为60%以上）。北京高温低湿的气候特点为温室带来显著的降温效果，显示了这一降温系统在北部干燥地区的良好适用性。在上海和爱知等沿海高温高湿地区，虽然降温效果略低于北京，但也取得了比较明显的降温效果，特别是对抑制室内温度过高具有重要意义。2.3.3温室温度梯度的影响湿帘风机降温系统不能提供一个气流方向上均匀的温、湿度分布，是该系统的不足之处，在测试中也着重考察了这一问题。根据统计平均，北京、上海以及爱知温室的排气和进气的平均温度差分别为2.9℃，5.1℃，2.0℃。考虑温室长度，则3栋温室的温度梯度分别为0.060℃/m,0.114℃/m,0.038℃/m，即上海温室最高、北京次之、爱知最低。由于导致这一纵向温度上升的热源主要是透入到温室内的太阳辐射能，根据对温室特征的分析，认为温室的遮阳方式和遮阳率对这一纵向温度梯度有着较大的影响，如外遮阳（北京、爱知）优于内遮阳（上海），因为外遮阳可以将太阳辐射能直接遮挡于室外，从根本上控制了造成温度升高的热源；再比如适当增加遮阳率（遮阳率，北京85%，上海80%，爱知92%），也可以减小太阳辐射对温室的影响，从而减小温室的纵向温度梯度。另外，根据对上海温室的观察，其温度梯度较高的另外一个原因是约2m高的茄子栽培行方向垂直于气流，使气流受阻。这一点在文献中也被指出，认为此降温系统不适于栽培高大植物的温室。但是，笔者认为在这种情况下，改变栽培行的方向、留出适当的行距，保证气流在栽培行间的通畅，是可以提高整个温室的降温效果、降低室内温度梯度的。另外，在张树阁等人的研究中也指出，高大植物的场合可以通过适当调整湿帘的安装高度来保证温室的降温效果。3温室长度持续增加根据上述测试，采取适当遮阳等措施可以有效地控制温室的温度梯度，而不会对植物的生长造成影响。但是，随着温室长度的增加，势必导致温度梯度的进一步增大，进而也就有可能造成高温危害。特别是近年来新建设的现代化温室，面积在1000m2以上的为数不少，有的甚至达到1hm2，总体上呈大型化趋势。因此，对湿帘风机降温温室的最大适宜长度做进一步的理论分析，对指导湿帘风机降温温室的设计、建造以及系统运行管理都有现实意义。3.1大型温室湿墙参数分析和计算关于湿帘风机降温温室的热环境预测或模拟，至今已有很多学者进行了研究。根据本研究的目的，这里选择Kittas(2003）模型进行分析温室最大的适宜长度，把握湿帘风机降温系统在大型温室中的应用潜力。Kittas的模型可描述为3.2模型验证3.2.1敏感性指标检验为了验证模型对本研究温室的适用性，除采用通常的相关系数（或决定系数）之外，这里还采用Willmott(1981)的RMSE(RootMeanSquaredError)和IA(IndexofAgreement)两个指标进行检验。RMSE和IA由以下公式定义式中N—数据数；Xp—计算值；X′p和X′m可由实测值的算术平均值Xmave计算而得到IA是衡量计算值与实测值本质差异的敏感性指标，数值上与决定系数相同，在0～1之间，但是含义上不同：当IA=1时表示计算值与实测值完全一致；反之，当IA=0时表示二者完全不一致。3.2.2空气中模型系数e模型验证需要输入的条件，如表3所示。模型中的蒸腾系数E，取决于空气中水蒸气的饱和度、气流速度、植物的生长状态，以及植物的水分状态等，一般在0～1.0之间。由于没有详细测试，这里采用中间值0.5。3.2.3空气温度计算结果对应室内测点的位置，利用上述模型分别对气流方向上距湿帘13m,26m,39m和52m处的空气温度进行了计算，其结果如表4所示。显示计算值与实测值之间具有显著的相关性和很好的一致性，说明选择的计算模型可以用来预测本研究温室内的温度分布。3.3温室适宜长度分析3.3.1蒸发降温效率1)温室的构造参数：作为预测用温室，这里仍然采用测试的爱知温室形式，即普通双坡连栋玻璃温室，长度暂定为100m，其它构造参数见表3所示。2)湿帘蒸发降温效率：湿帘的蒸发降温效率是与降温效果密切相关的重要参数，受湿帘的材质、内部构造、厚度、表面气流速度等因素的影响。在不同研究中所记载的蒸发降温效率也不尽相同，如60%，80%，以及80%以上等。鉴于本研究测试的蒸发降温效率也在60%～80%，因此选用实测的低限值76%作为计算条件。3)换气量：湿帘风机降温系统运行的情况下，降温与换气同时进行，二者密切相关。根据文献，植物生长最适的气流速度为0.5～0.7m/s，进而根据室内气流速度和与气流方向垂直的温室断面面积可估算出温室适宜的换气量。4)遮阳：遮阳率大小选择影响到室内光照度，须考虑栽培植物的特性，比如菊花、康乃馨属耐强光型，而蝴蝶兰、红掌则属于喜荫型。参考测试温室，这里选择60%和80%两种遮阳率作为计算条件。5)气象条件：高温高湿是影响湿帘风机降温系统降温效果的最不利气象条件。为了考察不同温、湿度条件下温室内的温度状况，这里选择30℃和35℃两种夏季常见高温条件，40%，60%和80%3种可能湿度条件，以及950W/m2的室外太阳辐射照度（北京、上海、爱知最大太阳辐射照度为900～1000W/m2左右）作为预测计算的依据。3.3.2高温高湿气候条件下温室厚度的变化根据以上设定的计算条件，分别对30℃和35℃两种室外温度，在0.5m/s和0.7m/s室内气流速度条件下，3种不同的相对湿度（40%，60%和80%）和两种不同的遮阳率（60%和80%）对室内温度分布的影响进行了预测，部分结果如图2和图3所示。作为栽培环境的上限温度，ASAEStandards(2003）推荐了一般作物为30°～32℃，因此在这里就把32℃作为评价温室最大适宜长度的标准。在室外温度30℃、室内气流速度0.5m/s条件下，仅在室外相对湿度80%、遮阳率60%以及室外相对湿度60%、遮阳率60%这样高湿和较低遮阳率的不利情况下，温室会分别在距离湿帘70m左右和90m左右的长度处，出现温度高于32℃的情况；其它均能保证温室温度低于这一植物生长的上限温度。也就是说，在这种气象及运行条件下，只要温室长度不超过70m，理论上都能保证整个温室的温度低于32℃的栽培上限温度。在室外温度35℃、室内气流速度0.5m/s条件下，当湿度为40%时，80%的遮阳率能够保证整个温室低于32℃；而当遮阳率下降到60%时，能够保证室温低于这一上限温度的长度将下降到约60m。特别是当室外相对湿度达60%时，在60%和80%遮阳率的条件下，温室将分别在约30m和50m长度处达到32℃；而当湿度达到80%时，整个温室都将无法实现低于32℃的适宜温度环境。可见高温、高湿、强太阳辐射照度是最不利条件，但是在适当提高遮阳率情况下运行降温系统还是可以控制室内温度过高，减少高温危害。另外，根据计算将室内气流速度提高至0.7m/s时，会使来自湿帘的低温空气达到温室更远的位置，使温室达到栽培上限温度的位置进一步后移，加大温室可能的适宜长度，如室外温度35℃、相对湿度60%、遮阳率60%和80%条件下，将室内气流速度由0.5m/s提高到0.7m/s时，温室达到32℃的长度将从30m和50m增加到约40m和70mㄢ高温高湿对湿帘的蒸发降温效果影响较大，会使湿帘进气温度较高，从而使温室达到栽培上限温度的距离，即温室的适宜长度变短。因此，高温高湿气候条件下建造大型温室，应慎重控制温室长度或者考虑增加温室宽度方向的尺寸以保证温室规模；其它气候条件下，在适当范围内通过提高遮阳率和室内气流速度，可以减小温室内的纵向温度梯度，加大温室可能的适宜长度。进排气口温差大小对植物的影响，本研究未进行探讨，为防止温