濕簾降溫系統在陜西某溫室的降溫特性

張璐瑤，黃 翔，李 鑫

（西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安710048）

0 引 言

濕簾－風機降溫系統作為一種經濟有效的降溫方式在我國很多地區得到了推廣，在科研工作者的努力之下，濕簾－風機降溫系統在溫室中的應用取得了很好的成效.很多學者從溫室的結構［1－3］、濕簾的結構［4］動態參數［5］、系統安裝高度［6］、降溫效果［7］、溫室理論熱環境模型［8］、填料降溫性能［9－10］等方面進行了研究.近幾年來，我國大力扶持在關中地區建設國家級、省級現代農業示范園，但是針對關中地區氣候條件下濕簾溫室降溫特性的實測研究還相對較少.

為了研究濕簾－風機降溫系統在實際運行中的特性、運行效果以及存在的問題，為溫室濕簾－風機降溫系統的科學設計和有效運行提供依據，本文通過對陜西省內夏季一棟開啟濕簾－風機降溫系統的溫室的降溫效果進行實測，結合理論分析，對濕簾－風機降溫系統在現代農業溫室中的應用進行評價和分析.

1 試驗條件與測試方案

1.1 試驗條件

在陜西省富平縣某文洛型花卉溫室中進行測試，該溫室位于野外農田中，長期作為花卉育苗、展覽用，已穩定運行兩年時間，周圍100m范圍內無高大建筑.整個溫室按照其功能劃分為3個區，本次測試在溫室西側第三區的“花卉育苗區”進行.溫室結構為熱浸鍍鋅輕鋼結構，溫室頂部及部分側墻采用PC板覆蓋，內、外遮陽網，通風天窗以及風機和循環水泵的開啟均由機柜控制.溫室東西跨度70m，南北跨度52m，總面積為3 640m2.風機設有3組，共14臺，均勻布置在溫室南側，每組風機能夠由機柜獨立控制運行.東西兩組各5臺，中間一組4臺，每臺風機額定風量42 000m／h.濕簾安裝高度為0.7m，濕簾墻體高度為1.8m，總面積為103m2，濕簾側設有2個循環水水池，埋于地下，并配備循環泵，使水在蓄水池和濕簾之間循環.

圖1 測試區各測點水平方向分布圖

1.2 試驗測點布置

溫室的第3區——“花卉育苗區”中間設置有一條東西方向的走道，寬4m，溫室被走道分成2個對稱的區域.測點水平分布圖如圖1所示，測試區域內一共布置11個德國Testo溫濕度自計儀，其中室外遮陽通風處布置1個測點（3＃測點），室內布置10個測點.11＃測點布置在濕簾后，距離地面1.8m處，用于測量濕簾后出風的溫度、相對濕度.9＃測點布置在風機前，距離地面1.5m處，用于測量排風的溫度、相對濕度.剩余8個測點分別布置在2個平面上，測量室內空間各測點溫度、相對濕度.該區共有3組風機，在本次測試中開啟中間一組風機（4個風機）和西側一組風機（5個風機），空間測點所在斷面位于兩組風機的中間位置.2個水銀溫度計用于測量濕簾循環水的溫度，熱球風速儀用于測量濕簾后出風風速以及溫室空間點風速.

圖2 測試區各測點垂直方向分布圖

圖2為各測點的垂直分布圖.在垂直方向上一共設置2個平面，分別距離地面1m（平面1）和1.8m（平面2），用來測試溫度在垂直方向上的分布規律.每個測試平面布置4個測點，分別測試兩個平面在溫室氣流流動方向上溫濕度變化規律.所有的溫、濕度數據每隔1min自動記錄一組數據，循環水溫每10min讀取一組數據.

2 測試結果

2.1 濕簾蒸發冷卻效率

根據蒸發冷卻原理［11］，理論上的蒸發冷卻過程如圖3中虛線所示.該過程中水溫恰好等于空氣的濕球溫度但低于空氣的干球溫度.濕簾入口前的空氣即外界空氣流經濕簾表面水膜時，由于有顯熱傳遞給水膜而使本身溫度下降，同時水膜周圍邊界層內的飽和空氣中的水蒸氣分壓力大于空氣中的水蒸氣分壓力，水膜從空氣中得到顯熱后，使部分水變成水蒸氣進入空氣中，空氣被加濕，含濕量增加.在這個過程中，由于水蒸發所需的汽化潛熱來自空氣，空氣潛熱量的增加約等于顯熱量的減少，最終的結果是空氣的比焓基本不變.當循環冷卻水溫度低于空氣濕球溫度而高于露點溫度時，實際空氣與水的狀態變化如圖3中實線所示，處理過程是一個減焓加濕冷卻過程.

采用第二熱交換效率［12］來評價這種工況下的直接蒸發冷卻過程，它能夠適用于所有的空氣處理過程，絕熱加濕過程中ts1＝ts2，即

式中 h1，h2′為空氣的初、終狀態的焓，kJ／kg；h3′為交點3′空氣飽和狀態的焓 ，kJ／kg；t1，t2′為濕簾進、出口空氣的干球溫度，℃；ts1，ts2′為濕簾進、出口空氣的濕球溫度，℃.

如圖3所示，點4和點5分別為循環冷水溫度變化范圍的下限值和上限值，點3′是其中任意一個水溫狀態點.根據式（1）分別用溫室濕簾進口空氣的干、濕球溫度差減去出口空氣的干、濕球溫度差，即（t1－ts1）－（t2′－ts2′），將上述差值和進口空氣的干、濕球溫度差（t1－ts1）進行線性回歸計算，直線的斜率即為濕簾的蒸發冷卻效率，如圖4所示.本花卉溫室的濕簾蒸發冷卻效率為90.3%.

圖3 濕簾處理過程空氣與水的狀態變化

圖4 花卉溫室濕簾蒸發冷卻效率

通過對濕簾循環水溫度的實際測量，濕簾循環水溫的溫度平均為21.5℃，低于測試當天空氣的平均濕球溫度22.5℃，是保證蒸發冷卻效率高的一個重要原因.循環水池埋于地下，循環水不斷與淺地表層的土壤進行熱量交換，能夠使濕簾循環水溫長時間低于空氣的濕球溫度，導致空氣與水的熱濕交換過程是一個減焓加濕冷卻過程而不是一個理想狀態的等焓加濕冷卻過程.

測試當天室外空氣的平均相對濕度為42.6%，平均干球溫度為32.8℃.富平縣高溫低濕的氣候特點為溫室帶來了顯著的降溫效果，顯示了該降溫系統在該地區的良好使用性.

2.2 溫室降溫效果

將濕簾－風機降溫系統運行期間（10：30－15：30）的室外空氣溫度、濕簾出風溫度以及室內溫度（同一時刻各測點的算數平均值）進行統計，即可得出室外空氣狀況以及相應的進氣降溫幅度及室內空氣降溫幅度［7］（室內外溫度差），如表1所示，表1中的平均值均為測試日白天降溫系統運行時段內各時刻的算術平均值.

2.3 溫室縱向溫度分布

如圖5所示，平面1上點4的溫度相對于其他的3個點（點2，5，6）降溫幅度更大，平均比室外溫度低7.7℃.分析認為雖然點2距離濕簾的距離較小，通過濕簾的降溫效果更好，但是點2靠近北墻，北墻濕簾上方覆蓋PC中空板，此處太陽的輻射強度較大，引起點2的溫度高于點4溫度.而點5和點6由于靠近風機，在此處的氣流出于氣流的下游區，溫度較高，同時在走道兩側存在植株較高的植物遮擋，平均植株高度在2m，使氣流受阻.文獻［6］認為，如果溫室中種植植株較高的植物，要適當調整濕簾的安裝高度，如果是出于裝飾需要，改變栽培行的方向，留出適當的間距，保證氣流在栽培方向的暢通，可以提高整個溫室的降溫效果，降低室內溫度梯度分布.

表1 溫室降溫效果

圖5 平面1各測點溫度分布

類似的規律也可以通過與點4處于同一水平位置，但是垂直高度不同的點12得出，如圖6所示，在平面2上的點12的溫度相對于其他3個點（點8，10，7）降溫幅度更大，平均比室外溫度低7.4℃.

圖6 平面2各測點溫度分布

濕簾－風機系統不能提供一個在氣流方向上均勻的溫濕度分布，是該系統的不足之處.在測試中也著重考察這一點.根據統計平均，溫室的排氣和進氣的平均溫度差為5.5℃，考慮到溫室的長度，則溫室在氣流方向上的溫度梯度為0.106℃／m.

2.4 溫室垂直方向溫度分布

在溫室距離地面1m和1.8m的平面上分別布置測點，對溫室垂直方向上的溫度分布情況進行分析，溫度分布情況圖表2所示.由表2可知在花卉生長區的測點4（12）處平面1和平面2的溫度相差0.4℃，考慮到兩平面垂直高度相差0.8m，因此此處垂直溫度梯度為0.5℃／m.同理可得，點2（8）處的垂直溫度梯度為2.75℃／m，但點5（10）以及點6（7）處垂直溫度梯度幾乎為零.

表2 溫室垂直方向溫度分布情況

現以點4（12）的溫度分布為例進行分析，如圖7所示，點12處的溫度隨著時間的變化大部分時間段比點4的溫度高0.4℃左右.對這兩處測點附近進行風速測量，點4處的平均風速為0.25～0.3m／s，而點12處的風速為0.43～0.45m／s左右，在一定范圍內，風速越大，溫度越低，而點4和點12風速的差別與此處種植的高大植物有關，植物冠層在氣流通道的范圍內，對氣流形成阻礙，降低點4的風速，對降溫效果造成一定影響.

圖7 測點4和測點12溫度分布

點2（8）靠近濕簾，但是測試結果表明此處不僅溫度梯度很大，溫度也很高.分析認為是因為點2（8）靠近窗戶，處于遮陽網的邊緣，受到的太陽輻射較大，因此溫度較高，同時太陽輻射的作用，熱氣流上升，使得此處垂直溫度梯度較大.這一規律可以通過比較同處于平面1的點2和點4或者平面2的點8和點12的溫度差得到.在氣流的下游區即點5（10）以及點6（7）所在位置靠近風機，氣流擾動相對強烈，溫濕度場混合均勻，所以在垂直方向上溫度梯度不明顯，測試得到此處的垂直方向的溫度梯度接近為零.

3 結 論

（1）高溫低濕的氣候條件使得溫室的降溫效果較為顯著，室溫1m高處溫度平均降低6.7℃，最高降低9.2℃，顯示這一降溫系統在陜西省富平縣的良好適用性.

（2）在條件允許下，可以適當降低濕簾循環水的溫度，以提高蒸發冷卻效率.例如采用溫度更低的自來水甚至深井水作為循環補水或者深挖循環水池，強化循環水與地面的熱量交換等.

（3）減少溫室內植株等因素對氣流的阻礙，能夠提高溫室的降溫效果，降低溫室的溫度梯度.例如，合理擺放植株的位置，留有適當間隙；在氣流方向上加裝軸流風機，強化氣流流動等.

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