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本文作者：馬承偉黃之棟李保明崔引安單位：北京農業工程大學
利用水蒸發吸熱實現冷卻的蒸發降溫技術已在農業建筑夏季生產環境控制中廣泛運用。蒸發降溫具有效果顯著、省能經濟、運行可靠及維護方便等優點。理論分析與實踐結果均表明,蒸發降溫不僅適用于我國氣候干燥的北方地區,也適合于夏季炎熱的南方大多數地區。是一項廣泛適用的很有利用前景的實用技術。從水與空氣的熱質交換方式看,蒸發降溫有直接蒸發降溫(DirectEvaporativecooling)與間接蒸發降溫(IndirectEvaporativeCoonng)二種方式。前者是空氣與水直接接觸,空氣冷卻的同時也被加濕。后者要降溫的空氣不與水直接接觸,而是通過熱交換器與直接蒸發降溫后的水或空氣熱交換而得冷卻,空氣經冷卻后含濕量不增加。但間接蒸發降溫設備投資大。目前農業建筑領域主要采用直接蒸發降溫。蒸發降溫的效果取決于水與空氣間熱質交換強度,關鍵是要盡力擴大與空氣的接觸界面,這是所有蒸發降溫方式必須首先解決的核心問題。對此問題解決方法的不同形成蒸發降溫技術的二大類方式:濕墊(濕簾)方式與霧化方式。具體的實現方法則較多樣化。現從不同形式的蒸發降溫技術研究與應用現狀及存在的問題探討其發展方向。
l濕墊風機降溫系統(EvaporativepadandFanSystem)
自50年代美國的研究者開始研究開發以來,濕墊裝置逐步實用和成熟并得到推廣。尤其是波紋紙材料的濕墊出現后,推廣到日本、歐美及中東許多國家。在對濕墊材料,結構形式及運行和應用等方面大量研究的基礎上,美、日等國已制訂了相應的標準或規范。濕墊降溫裝置效果顯著、運行可靠。合理設計與運行的濕墊,其蒸發降溫效率可達75%~90%,通過阻力損失約為10~40孫仁5一83。我國在80年代初引進美國的濕墊降溫裝置,對該技術消化吸收,進一步從結構優化、設計方法以及應用等方面進行了深入的研究。1988年北京農業工程大學研制成功了適合我國條件的濕墊與風機,通過了農業部新產品鑒定并投入批量生產。濕墊降溫系統與近年推廣應用的縱向通風技術相結合,已成為目前農業建筑夏季通風降溫的最佳組合模式在國內外得到廣泛應用。濕墊還存在一些有待研究改進的問題。空氣中塵垢的附著與水中鹽類的沉積會使效率降低,阻力損失增大以至產生堵塞。鹽類與塵污在水中不斷積聚使循環水水質變差,水需經常更換,使耗水量增加,紙墊不用時保存中易受損壞。紙質濕墊使用后產生收縮與變形,產品壽命短、價格較貴。此外濕墊還難以用于開放的或自然通風的場所。針對塵垢與鹽類沉積等問題,開始注意研究濕墊的運行與維護方法;有人提出采用濕墊外建回廊防止砂塵以及循環水凈化等完善濕墊的裝置與措施卿口。開發耐用不易變形、價廉的濕墊材料是濕墊研究的一個重要方面。國內有采用麻紗、塑料窗,棉或化纖紡織物制成濕簾代替濕墊的實驗,據稱化纖濕簾的降溫效果與耐久性較好。北京農業工程大學農業生物環境工程重點開放實驗室即將開發成功一種耐久的親水性塑料波紋濕墊。國外曾開發成功用塑料與水泥材料的濕墊,有耐久、堅固不易變形的優點,但價格較高卿〕。法國一家公司采用多孔空心磚砌成的“濕墻”代替濕墊,有較好的效果卿〕。總之,開發一種主要性能指標超過紙墊的新材料濕墊還有待進一步研究。為使濕墊能適用于開放與半開放場所,有濕墊冷風機問世。已有多種商品,但應進一步研究改進。
2細霧蒸發降溫系統(EvaporativeMist一Fogsystem)
多采用水力或氣力霧化的方法向要降溫的空間直接噴入細霧使之蒸發冷卻空氣。為使霧滴有盡可能大的總表面和以加速蒸發,同時防止粗霧滴不能完全蒸發時落下淋濕動植物體表或在地面積水,造成病害及管理不便,要求霧滴高度細化,一般應使霧滴直徑在50一80林m以下。這往往需要采用較高的噴霧壓力。細霧降溫的蒸發降溫效率比濕墊低。Tim南ons和Baughman在水壓275~1580kPa時測得降溫效率為10%~37%〔26〕。提高水壓至2760kpa時測得降溫率為50%;Butteher等采用氣力霧化獲得24.7%~69%的降溫效率田〕。但提高水壓與氣力噴霧都會增加設備與運行費用。降溫效率低主要是因為霧滴分布不均勻,部分空間因分布霧滴少而未得充分降溫。
農業建筑內蒸發降溫所需霧量是受很多因素(如熱負荷、空氣濕度及通風量等)的影響,在不同情況下變化范圍很大。但霧化設備難以隨之相應變化調節。所以即使霧化較好,也難以保證任何情況下都不淋濕動植物體表與地面,容易造成室內濕度過高〕。
細霧降溫系統投資較低(在美國僅相當于濕墊降溫系統的一半左右閣),且適應性廣,密閉與開放舍、機械自然通風均可采用,使用靈活,在現有房舍中加裝容易;噴霧設施耐用而且可兼用于消毒。因此,它在美國等發達國家的溫室與雞舍等農業建筑中廣泛應用。且研究也十分活躍,研究內容涉及細霧降溫效果、特性與評價、優化設計與運行控制等方面。國內有關細霧蒸發降溫的研究與應用較少。科研與生產部門開發過一些噴霧降溫設施,但由于噴頭質量、降溫效果等問題,沒有廣泛推廣使用。對引進溫室采用的細霧降溫系統的研究表明,這種系統可以在我國成功地運用。
值得注意的是近年在空調界出現的一些加濕設備,如用作細霧降溫的霧化設備具有很好的效果。如超聲波加濕器與離心加濕器,霧化質量極佳(霧粒直徑小于10林m),消耗功率很小,使用靈活方便,但價格很貴。如能大幅度降低其生產成本,可成為很理想的細霧降溫設備。
3噴淋降溫系統(Evaporativesprinkzersystem)
與細霧系統不同的是,噴淋系統主要靠淋濕動物體表,水在動物體表上蒸發直接帶走體熱。這種方式降溫直接,效果顯著,簡便易行,但使用范圍有限,主要應用于豬舍與牛舍。噴淋系統能適用于機械或自然通風舍,房舍中采用水泥地面或漏縫地板以利排水,很容易在現有房舍中加裝。水滴不要求很細,故對噴淋設備要求很低,噴水壓力70~250kPa即可,自來水壓力足夠時甚至可省去水泵。因此噴淋系統投資與運行費用都較低。對單個動物降溫時可采用滴水降溫法(DriPcooling),這常在分娩豬舍中采用,水滴只滴在母豬體表面而不沾濕仔豬,以滿足二者不同的溫度要求。
4霧簾降溫系統(spray一eurtainsystem)
霧簾降溫是在溫室中試驗的一種新蒸發降溫方式。圖1即林真紀夫的試驗所采用的方案哪〕。它主要由噴霧裝置與水膜構成。噴出的霧滴限制于屋面與水簾之間的夾層空間中。空氣由天窗吸入,在夾層中經水蒸發降溫后進入溫室。未蒸發的水滴由水膜承接并匯人水槽回收,這完全防止了水滴淋濕作用與地面,被水濕潤的水膜表面還是一個很大的蒸發表面。夾層具有阻擋輻射熱進入的作用。苗香雯等在自然通風溫室中進行了霧簾降溫的試驗川,使夾層中吸熱后水汽靠對流通風散出室外,可防止室內濕度過高。Giacomelli采用另一種構造[#s口,在噴霧裝置下平鋪聚醋毯狀材料,可兼有夏季遮蔭的作用。霧簾降溫具有降溫效果好,能避免高濕度的產生,對各部分裝置無特殊要求因而有設備簡單投資較低等優點,但該水膜材料冬季也會對植物擋光,應進一步研究使之實用化。
5集中式霧化降溫系統(Centralizedsprayeoolingsystem)
集中式霧化降溫系統是在農業建筑通風的進風口處集中布置噴霧裝置,如圖2所示。未蒸發完的霧滴可落入水池循環使用,避免了在室內直接噴霧時霧滴淋濕動植物與地面的問題,對泵與噴霧裝置的要求大為降低。進入室內的空氣經過均一而完全的蒸發降溫處理,能取得高效而穩定的降溫效果。在入口的氣流組織上,該系統使氣流與霧滴的噴出呈相反方向,以增大霧滴與氣流相對速度,提高熱質交換效率。進風口氣流呈垂直向上的方向,對霧滴產生向上托升的作用,未蒸發的霧滴在下落過程中可由上升的氣流挾帶向上運動,至其運動速度降低時又重新回落。如此反復,類似沸騰爐中粉粒的運動。這種霧滴“沸騰”般的運動可有效延長霧滴與空氣接觸時間,增強熱質交換,達到良好的蒸發降溫效果。
本文作者對此已進行了實驗室階段的試驗,對新風速與水滴大小的配合及噴霧室的結構等進行了優化,獲得了肯定的效果,并研究了實用化系統的設計與運行參數的確定等問題(試驗結果另文介紹)。國外K.Luuchow進行了類似的試驗帥〕,在水與氣順流、逆流及順逆結合三種情況下試驗,結果以逆流式效果最佳,降溫效率可接近100%。
6結語
在夏季各種降溫的手段中,蒸發降溫是最經濟的,不足之處是在降溫的同時也會使濕度增加,這是由其降溫原理決定的、難以克服的缺陷。同時直接降溫的降溫幅度還受到不能使氣溫降到濕球溫度以下的限制,因此濕度較大的天氣不能達到好的降溫效果。要在這些限制以內盡量發揮蒸發降溫的潛力,也是蒸發降溫技術之難點所在。蒸發降溫盡管有其局限性,但由于能解決農業建筑夏季生產中高溫這個主要矛盾,而且經濟性好,因此仍然不失為農業建筑夏季生產的有效降溫手段。
各種蒸發降溫方式中,目前濕墊風機系統發展最成熟,應用最多,在今后相當長的時期內將作為主要蒸發降溫技術而廣泛采用。針對其存在的問題,應繼續研究改進。同時也應積極開展對細霧降溫等其它蒸發降溫方式的研究,大力開發新的蒸發降溫技術。