蒸發式冷氣機在廠房通風降溫中的應用分析

童 蕾,涂文平

(1.廣東機電職業技術學院機電系,廣州510515;2.佳士峰機電實業有限公司,廣州510660)

0 引言

工業廠房的特點是空間大,一般有內熱源存在,生產過程中有的還會產生一些有毒、有害氣體,其中溫度對操作的安全和精度有很大影響,據統計,在17～23℃的穩定環境里所產生的工傷事故和作業失誤指數最低。隨著GBZ1-2002《工業企業設計衛生標準》GBZ2-2002《工作場所有害因素職業接觸限值》等相關標準的出臺,采用自然通風降溫的方法已很難達到相關標準的要求,采用傳統機械制冷空調則存在投資大、運行費用高,空氣質量差等缺點。而蒸發式冷氣機與傳統壓縮式空調機原理、結構都不同,在衛生、經濟、環保、安裝運行等方面都有顯著的優點,自20世紀90年代末在我國蘭州、呼和浩特、銀川、烏魯木齊和吐魯番等西北地區以及江蘇、浙江、福建和廣東沿海地區的企業廠房作為通風降溫設備大量的應用和推廣,目前,國內蒸發式冷氣機生產廠家160家左右,蒸發冷卻設備產品年產量40萬臺左右,應用廣泛,節能效應非常顯著。

1 蒸發冷卻技術

蒸發冷卻技術利用自然界可再生干空氣中干球溫度與濕球溫度的溫差作為驅動勢,采用水作為制冷劑,通過水分蒸發吸熱來制冷。其核心就是空氣和水的熱質交換,蒸發冷卻過程中的熱量、質量傳遞推動勢相對較小,因此屬于低品位能源利用技術,基本上不消耗或消耗極少一次能源,且對環境無破壞作用。

相關高校實驗研究表明,室外平均溫度為29℃,干濕球溫度差為5℃時,干球溫度可以下降4℃左右,蒸發冷卻效率可達79.5%,相對濕度可以提高22%。室外平均溫度為31.2℃,干濕球溫度差為7℃時,干球溫度可以下降6℃左右,蒸發冷卻效率可達 84.1%,相對濕度可以提高32%。干濕球溫差越大,冷卻的效果越顯著[1]。

表1是某品牌蒸發式冷氣機在廣州測得的幾種實際試驗情況。由表可知,在中國南部地區,以廣州為例,夏季實際使用環境通常是室內溫度30℃,濕度85%,對這樣較高溫度和濕度條件下的環境舒適性,國內學者早已有了相關的研究,認為適當提高室內空氣的流速 (風速達到0.8m/s以上),再加上每1～2分鐘室內空氣被更換一遍,可達到舒適、健康、節能的目的[2]。

表1 某品牌蒸發式冷氣機送風溫度試驗

2 蒸發式冷氣機

采用水直接蒸發冷卻方式接近于等焓加濕過程,室外室氣經加濕降溫后送入室內。這種方式結構非常簡單,成本及耗電極低,目前99%的水蒸發冷氣機是采用此原理。其中外掛式冷氣機用于工廠有很大優勢,冷氣機外掛后對室內噪音影響小,且墻洞窗洞尺寸也小。圖1為一種常用在工廠的四面濕簾、頂部或底部出風的方形正壓式冷風機。主要由風機、水循環系統、濾網及外殼等部件組成,其過濾網 (換熱器)一般是由高纖維波紋片經交錯疊合設計制成。水泵電機、風機是整個系統的運行動力,對于蒸發制冷空調的電機,最重要的就是要防潮效果好。

對蒸發式冷氣機一般有工作的基本條件、風量測試、蒸發效率試、制冷量的計算、蒸發量、能效比、噪聲以及安全8個方面的要求。如使用條件,即周圍環境空氣相對濕度低于95%。規定一定的出口余壓,既保證了蒸發式冷氣機冷卻空氣水分與空氣熱濕交換必需空氣流速要求,又保證了被處理的空氣的輸送過程中克服阻力的需要[3]。

蒸發式冷氣機風量的測量應在一定的機外余壓下進行。標準配置為1.1kW上下、18000m3/h左右風量,出風接風管或直接裝電動百葉送風,主風管出口風速13m/s。

圖1 蒸發式冷氣機結構示意

3 廠房采用蒸發式冷氣機通風降溫的設計與安裝

蒸發式冷氣機能夠直接輸送自然風及輸送經降溫后的涼風,將室內帶有氣味、粉塵和混濁悶熱的空氣排出室外,同時兼顧換氣、降溫及增加空氣含氧量等多種效果,特別適用于高溫及人群密集的場所,如塑膠包裝車間、紡織車間及食品飲料車間等。下面結合工程實例就外掛式冷氣機的設計安裝進行分析歸納。

3.1 系統設計

設計前關健的一環是需要了解車間的工作環境,如車間的屬性,主要生產什么,生產中的產熱量及降溫范圍,工位是如何布置,對風管及風咀的走向及安裝有什么特別要求等。還需了解室外的環境,如空調機可安裝位置的調查及客戶對安裝有什么特別要求等。選擇參數主要有換風次數、工位送風量、排風率。

換風次數 (次/小時)=每小時總送風量/目標空間體積,目的就是在特定空間里,保持供風與排風的體積相對平衡。工程實踐經驗當換氣次數從40次增加到60次,設備臺數及初投資將增加50%,但此時溫度可能只低1℃,因此換氣次數建議不超過40次。對于高大廠房設計時送風口一般盡量在2.5米以下,原則是冷空氣在底層流動以滿足人員及設備需要即可,盡量不去攏動車間上層熱空氣。此時高廠房按5米的高度計算換氣次數即可。

如果采用了工位送風,需要考慮的因素就是要依據環境設計直接吹到某工人或一組工人身上的定點風量,也稱工位送風量。

溫度和濕度是影響人體舒適感的兩大重要因素,表2為某品牌蒸發式冷氣機在外界干球溫度28～37℃,相對濕度50%～85%的熱帶、亞熱帶氣候條件下經驗推薦的設計標準部分數據。

表2 某品牌推薦給不同工業廠房的設計標準(部分數據)

蒸發式冷氣機在廠房中應用是整體通風降溫系統,必須全面考慮的因素還包括冷風效果、風咀位置和型號,與供風系統配套的排風方式等。

傳統中央空調使用場合必須緊閉門窗,隔絕冷氣的流失才能達到降溫效果。而蒸發式冷氣機是將室外的新鮮空氣經過降溫、過濾后送入車間,使車間產生一定的正壓將熱空氣和渾濁有害氣體排出室外。因此使用冷氣機必須敞開門窗,或加裝負壓排風扇才能達到使用效果。排風率=總排風量/總供風量,一般推薦值為90%。

設計步驟:確定換風次數→計算空間體積→計算總換風量→選擇冷氣機型號及臺數→確定工位送風量→確定排風量。

3.2 系統布置及安裝方式

為最大限度地保證正常作業時有充裕的清新空氣送入送風區域,蒸發式冷氣機應安裝在室外,用全新風運行。安裝環境要有通暢的清新空氣供應,不要讓空調機在封閉區域內送風工作,如果沒有足夠敞開的門或窗,就要加裝百葉窗,建造新風閣安裝[4]。常見的室外安裝方式有外墻、窗外安裝和穿屋頂安裝。環境是決定冷氣機的安裝方式基本因素,而工廠的特性則是重點。因冷氣機是針對性的區域降溫,在基本環境特許的情況下,優先從廠房內不同工位布置選擇其安裝方式。圖2為某紡織廠冷氣機安裝示意,須安裝冷氣的紡織車間處于三樓,為盡量不破壞樓層結構,為最大限度地使每工位送風到位,因此環保空調機應選擇如圖所示墻位安裝效果最佳。圖3為某食品車間冷氣機安裝示意,須安裝空調機的區域為食品涼放間,單層鋅瓦棚結構,工位布局不規則,須送風區域約110平方米,使送風區域風量均勻到位,選擇穿鋅瓦頂安裝,采用六面送風,送風距離可達10米特制風咀,該安裝方式不僅安裝施工方便縮短工期且降低造價。

3.3 存在問題分析

對上述2個工程進行了跟蹤調研,存在問題主要有兩點:

(1)冷氣機采取不同的安裝方式的影響

食品車間屋頂安裝,不利的是在空氣不流動的夏季里,空氣溫度有時超出57℃,這樣使進口空氣溫度急劇升高。紡織廠采取了墻位安裝,相較屋頂安裝降低了進風溫度,然而犧牲了部分自然采光,需用梯子來維護,增加了費用。

(2)出風分布目標設計對舒適、節能的影響

冷氣機安裝在室外,不需回風管,風管系統比機械制冷方式的要簡單得多。風管 (含出風口)的設計主要影響出風分布目標,這與空調效果 (舒適性)密切相關,也是空調節能的關鍵所在。

廣東屬于濕度較高的地區,在工人崗位周圍形成較高的空氣流速是受歡迎的,夏季紡織廠室內送風采用了定點供冷模式,以較高的速度吹過人體。將空氣吹向人體在2個條件下可以得到降溫,一是低于人體皮膚的溫度34.4℃,二是足夠干燥可除去皮膚表面的濕氣[4]。當然第一條更重要,第二條也不容忽視。我們在紡織廠送風管末端進行了改進實驗,當時室內平均溫度30℃左右,從冷風機出來的空氣28℃左右,改進的末端涼風首先吹向車間墻壁吸收熱量,此時涼風溫度比室內平均溫度低約1℃,然后再以較高速度吹向工人,反映舒適性提高。分析認為沖刷得熱面吸收顯熱降低了相對濕度,然后再吹向人體,提高了空氣除去人體皮膚潛熱的能力。

經冷氣機處理后的空氣流過室內,吸收室內熱量,設計推薦溫升3.9～5℃之間 (比室外空氣溫度約低2℃)排向室外,同時帶走沒有被利用的冷量。用于空間的凈供冷量小于冷氣機的輸出冷量,造成了能源的浪費。為了節能,空調與通風互相協調特別重要,整體通風與局部通風并用,對操作者則提供定點供冷的模式較有成效。

該紡織廠的紡織車間原在四周的外墻離地面1米高處安裝了一定數量自然通風窗和機械排風機,初始安裝冷氣機時沒有按冷氣機工程公司提出的排風配置方案,空調運行測定排氣溫度較出口溫度上升3.5℃左右。考慮到:①排氣溫度還有上升空間;②紡織車間工藝特殊性——高濕度使棉線強度更高,不易拽斷;③車間除日照得熱、圍護結構滲熱外,車間內還有電動機散發的熱量,內部空氣相對濕度較低,提出了改進方案:建議原自然通風窗用于采光,增加1倍數量的機械排風量,排風機穿墻盡高安裝。方案采納并實施后,排風溫升上升到5℃左右,工人也無不舒適感。

4 結束語

蒸發冷卻技術集通風、換氣、防塵、除味、降溫于一身,用水作為制冷劑,不產生任何有害人體和污染環境的氣體,初投資運行費均比傳統空調系統低,統計表明初投成本僅為傳統空調的1/3,使用成本僅為傳統空調的1/8,非常符合國家乃至世界節能減排政策[5-9]。隨著技術的進步,與通風降溫工程設計、安裝等環節結合,必成為應用廣泛的空調系統。

[1] 黃翔.國內外蒸發冷卻空調技術研究進展 (1)[J].暖通空調,2007,37(2):24-28

[2] 黃翔,梁才航,狄育慧.熱舒適與蒸發冷卻空調[J];建筑熱能通風空調;Thermal Comfort and Evaporative Cooling Air Conditioning 2004,23(02):8-10

[3] 汪超,黃翔,吳志湘.蒸發式冷氣機性能評價指標及其試驗方法[J].流體機械,2010,38(6):69-73

[4] 黃翔,武俊梅.蒸發冷空調技術手冊 [M].北京:機械工業出版社,2009:241-298(HUANG Xiang,WUJun-mei.EVAPORATIVEAIRCONDITIONING HANDBOOK[M].Peking:CHINA MACHINE PRESS,2009:241-298)

[5] 陳煥新,張登春.蒸發冷卻技術在我國中南地區應用的可行性研究[J].制冷,2001,20(4):40-43

[6] 王倩,孫曉秋.蒸發冷卻技術在我國非干燥地區的應用研究[J].節能,2004,(7):8-10

[7] 陸亞俊,馬最良,李杰等.直接蒸發冷卻局部空調的現場測試與分析[J].通風除塵,1995,(1):6-9

[8] 黃翔,武俊梅,狄育慧.兩種新型空調設備的開發[J].棉紡織技術,2000,(12):27-29

[9] 武俊梅,黃翔,殷清梅等.直接蒸發冷空調機性能研究[J].制冷與空調,2001,1(1):51-53