一種運動自發電節能空調系統的研究

杜芳莉 鐘 平 解臣臣 楊 杰 吳淑怡

一種運動自發電節能空調系統的研究

杜芳莉 鐘 平 解臣臣 楊 杰 吳淑怡

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

隨著人們生活水平的提高，運動成為生活中不可缺少的一部分，健身逐漸成為時尚，健身環境的舒適性、健康性更是受到人民的普遍關注。利用人們運動所產生動能進行自發電，用于空調系統的動力驅動，并將引射原理用于蒸發冷卻全新風空調系統中，大幅度減少空調系統運行能耗，同時充分利用新風有效降低CO2濃度，有效改善健身房中的空氣品質。

運動發電；蒸發冷卻；空調裝置；節能；全新風

0 引言

隨著人們生活水平的提高，以及飲食攝入高糖高脂類的食物和生活方式的不規律，人們的健康問題日益顯現，因此，關注健康的人也越來越多，運動成為生活中不可或缺的一部分，健身逐漸成為時尚，打造一個舒適、健康的運動環境成為了重點[1]。但是健身房的環境質量不容忽視，傳統空調一般將表面式空冷器作為空氣降溫除濕設備，容易造成處理后的空氣接近飽和狀態，空氣相對濕度較大，不利于健身者的身心健康；此外，傳統的健身房中的空調系統因考慮運行費用及節能等因素，在空氣處理中采用大量回風，從而導致健身房中空氣污濁、室內環境條件較差。因此，現有健身房中空調系統存在新風量不足、除濕能力有限、空調運行能耗高、室內CO2濃度大等缺點，不能給健身者提供清新、健康、舒適的健身環境[2]。為此，針對健身房中空氣現狀提出一種運動自發電的健身房節能空調系統，該系統將運動人員劇烈運動的動能轉化為電能驅動空調系統，并將引射原理用于蒸發冷卻全新風空調系統中，大幅度地減少空調系統能耗，改善健身房的空氣質量。這一健康空調系統既節能又環保，吻合了當前能源、環境協調發展的總趨勢。

1 設計思路

健身房中，由于運動人員的劇烈運動，會產生大量的動能，如能將動能轉化為電能驅動空調系統，并將引射原理用于蒸發冷卻全新風空調系統中，將大幅度地減少空調系統能耗[3]，且有效降低CO2濃度，從而改善健身房的空氣品質，提高人們的健身質量。

圖1 運動自發電健身房節能空調系統原理圖

運動自發電健身房節能空調系統采用蒸發冷卻技術[4]，利用“無用”的健身動能發電驅動蒸發冷卻空調系統，使用全新風運行；采用文丘里管的引射原理代替水泵，對健身房空調系統進行全新風降溫、除濕運行，使房間的能源消耗少，空氣品質佳。相比于傳統的空調降溫和自然通風來說，該系統更節能，更溫和，更舒適，且有全新風供給，更為健康。該運動自發電健身房節能空調系統是由動感單車自發電系統，蒸發冷卻無泵降溫凈化系統，轉輪除濕再生系統和蒸發冷卻自動補水系統四部分組成，其工作原理如圖1所示。具體工作過程為：動感單車自發電系統是將健身者運動所產生的動能通過發電裝置轉變為電能并存儲在蓄電池中；蒸發冷卻無泵降溫凈化系統在送風機的負壓作用下，利用文丘里管的引射原理將儲水池中的水吸入風管，對新風進行蒸發冷卻，并經轉輪除濕機和半導體制冷片將新風處理成低溫低濕的空氣送入健身房中；轉輪除濕再生系統用于提供轉輪除濕機再生所需的再生空氣；蒸發冷卻自動補水系統用于給蒸發冷卻無泵降溫凈化系統提供水源。

2 運動自發電系統

在健身房中，人們無時無刻不在進行劇烈運動[5]，運動自發電系統作為節能空調系統的動力裝置，是整個空調系統運行的能源核心，該裝置是由動感單車11、發電裝置12、整流器13、蓄電池14、逆變器15組成。其中自發電系統中的蓄電池14設有兩個接口，蓄電池接口16與半導體制冷片相連；蓄電池接口17則連接逆變器15，并將一部分直流電轉換為交流電，分別與運動自發電節能空調系統原理圖1中的電機27、再生風機36、送風機210及輔助電加熱器33相連。

運動自發電系統的工作過程為：通過人騎動感單車所產生的動能帶動發電裝置進行自動發電，后經整流器整流后，存貯于蓄電池，蓄電池將一部分直流電通過接口16提供給半導體制冷片；通過接口17連接逆變器將蓄電池另一部分直流電轉換為交流電，為轉輪除濕機、送風機、輔助電加熱器、再生風機提供電能。其工作原理如圖2所示。

圖2 運動自發電系統原理圖

3 蒸發冷卻無泵降溫凈化系統

圖3 蒸發冷卻無泵降溫凈化系統結構圖

蒸發冷卻無泵降溫凈化系統是運動自發電節能空調系統進行熱濕處理的核心，通過它可以將送入房間的新鮮空氣進行降溫、除濕及凈化處理[6-8]，以滿足健身人員對空氣品質的要求。本裝置是由新風引入口21、空氣過濾器22、文丘里管23、喉部吸管24、填料25、轉輪除濕區26、電機27、半導體制冷片冷端28、擋水板29、送風機210、出風口211組成，如圖3所示。

蒸發冷卻無泵降溫凈化系統處理過程為：動感單車房需要處理的室外空氣（干球溫度為30.7℃，相對濕度為70.8%）在送風機210的作用下，經新風引入口21進入過濾器22，新風被凈化。凈化后的新風進入文丘里管23形成高速氣流（風速為8.64m/s），在送風機負壓作用下，高速氣流在文丘里管23的喉部吸管利用引射原理將儲水池中的水吸入風道中，從而在風管內實現新風與水充分混合和熱濕交換，混合后的新風流過設置在管道中的Glasdek填料25處進一步實現蒸發冷卻與凈化，處理后的低溫高濕的空氣（溫度為25.8℃，相對濕度為94.6%）通過轉輪除濕區26進行升溫除濕（溫度為34.6℃，相對濕度為52.3%），再進入半導體制冷片28的冷空間進行等濕降溫（溫度為21.4℃，相對濕度為52.3%），后經擋水板29分離出空氣中攜帶的小水滴，最后低溫干燥（溫度為21.4℃，相對濕度為50.1%）的新風經送風機210通過風管進入健身房中。

4 轉輪除濕再生系統

本空調系統的轉輪除濕再生系統是由室內回風口31、回風預熱區32、輔助電加熱器33、分隔34、再生風機36和排風口37組成，如圖3所示。其中回風預熱區設置在半導體制冷片的熱端上部，而分隔板的底部設置有位于轉輪除濕機頂部的轉輪再生區；轉輪除濕機分為轉輪除濕區26和轉輪再生區35兩部分。蒸發冷卻后的新風經轉輪除濕區26除濕后在電機27作用下移動到轉輪再生區35，同時再生空氣先通過回風預熱區32加熱，再通過輔助電加熱器33進一步加熱，從而產生溫度較高的再生空氣。其中分隔板34的作用是確保經加熱后的再生空氣全部進入轉輪再生區35，并使轉輪再生區35的大部分水分被驅除獲得再生，再在電機27作用下移動到除濕區26，從而使得再生與除濕持續進行，實現連續除濕過程。

轉輪除濕再生系統的具體工作過程為：室內回風從室內回風口31進入回風預熱區32，經半導體制冷片28的熱端對回風進行加熱，再經過輔助電加熱器33進行輔助加熱，在分隔板34的作用下使回風進入轉輪再生區35，使轉輪除濕機26獲得持續除濕能力，釋放熱量后的回風再在再生風機36的作用下經排風口37排出室外。

5 蒸發冷卻自動補水系統

該運動自發電節能空調系統的自動補水系統是由儲水池41、回水管42、補水管43、浮球閥補水裝置48、泄水管46、溢水管47、文丘管里管的喉部吸管24組成，如圖4所示：其中儲水池41是蒸發冷卻自動補水系統的主體。蒸發冷卻自動補水系統的具體工作過程為：當浮球閥補水裝置48檢測到儲水池41內的水位低于預設水位值時，通過補水管43提供水進入儲水池41，并通過喉部吸管24供給蒸發冷卻無泵降溫凈化系統，蒸發冷卻無泵降溫凈化系統的填料25處產生的水進入第一接水盤212內，并通過第一回水管214進入回水輸送管42，再進入儲水池41；蒸發冷卻無泵降溫凈化系統的擋水板29處產生的水進入第二接水盤213內，并通過第二回水管215進入回水輸送管42，再進入儲水池41；當儲水池41內的水位高于預設水位值時，通過溢水管47溢出，當儲水池41內的水不需要時，通過泄水管45排除。

圖4 蒸發冷卻自動補水系統結構圖

6 結論

綜上所述，運動自發電健身房節能空調系統可以很好滿足健身房降溫除濕及對新風量的要求，該系統不但降溫除濕能力強，而且充分利用人騎動感單車時的動能資源，并且采用全新風蒸發冷卻凈化降溫技術及文丘管里管的引射原理進行無泵供水，達到了節能、舒適和環保的目的。在實際應用中，健身人流量越大，自動發電量就越多，節能效果越明顯；健身房中新風需求量越大，降溫除濕效果越明顯，空氣品質就越好。本系統創新點如下：

（1）系統巧妙利用人騎動感單車的動能進行發電，解決了空調系統耗電量大的問題；

（2）本系統所用的蒸發冷卻供水系統利用文丘里管的引射原理吸水，無泵消耗，節省成本，系統運行能耗降低；

（3）本系統設有除濕量大的轉輪除濕機，解決了蒸發冷卻技術除濕難題，因此具有舒適性高的優點；

（4）本系統內設有半導體制冷片，其冷端用于轉輪除濕后的降溫，其熱端可對回風進行預熱，進而對轉輪除濕機進行再生；

（5）本空調系統采用直送直排的全新風系統，可有效降低健身房中的CO2濃度，保證室內空氣健康、溫和、舒適；

（6）本系統無需制冷劑、操作方便、維修簡單，具有綠色環保的優點。

[1] 陸大江,沈逸蕾.健身房運動環境的研究與分析[J].體育與科學,2012,33(3):9-17.

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[6] 申長軍,黃翔,宋祥龍,等.蒸發冷卻空調與風光互補發電結合使用的可行性分析[J].制冷與空調,2014,14(9): 50-53.

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Research on an Energy-saving Air conditioning system for Motion self-Power Generation

Du Fangli Zhong Ping Xie Chenchen Yang Jie Wu Shuyi

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the improvement of people's living standards, The movement is an indispensable part of life, Fitness has gradually become a fashion, The comfort and health of the body-building environment are more and more popular with the people. In this paper, the kinetic energy generated by human motion is used to generate self-power, which is used for the dynamic drive of air conditioning system. and the injection principle of Venturi tube is used for evaporating and cooling the whole fresh air air-conditioning system, This scheme greatly reduces the operation energy consumption of air conditioning system, at the same time, the fresh air is fully utilized to effectively reduce the CO2concentration, and the air quality in the gym is effectively improved.

Sports power generation; evaporative cooling; air conditioning equipment; energy conservation; New wind system

G710

A

1671-6612（2020）03-340-04

西安航空學院校級科研基金（2019KY1223）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（20191736002）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2019-08-01