湿帘降温系统在陕西某温室的降温特性

张璐瑶，黄 翔，李 鑫

（西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安710048）

0 引 言

湿帘－风机降温系统作为一种经济有效的降温方式在我国很多地区得到了推广，在科研工作者的努力之下，湿帘－风机降温系统在温室中的应用取得了很好的成效.很多学者从温室的结构［1－3］、湿帘的结构［4］动态参数［5］、系统安装高度［6］、降温效果［7］、温室理论热环境模型［8］、填料降温性能［9－10］等方面进行了研究.近几年来，我国大力扶持在关中地区建设国家级、省级现代农业示范园，但是针对关中地区气候条件下湿帘温室降温特性的实测研究还相对较少.

为了研究湿帘－风机降温系统在实际运行中的特性、运行效果以及存在的问题，为温室湿帘－风机降温系统的科学设计和有效运行提供依据，本文通过对陕西省内夏季一栋开启湿帘－风机降温系统的温室的降温效果进行实测，结合理论分析，对湿帘－风机降温系统在现代农业温室中的应用进行评价和分析.

1 试验条件与测试方案

1.1 试验条件

在陕西省富平县某文洛型花卉温室中进行测试，该温室位于野外农田中，长期作为花卉育苗、展览用，已稳定运行两年时间，周围100m范围内无高大建筑.整个温室按照其功能划分为3个区，本次测试在温室西侧第三区的“花卉育苗区”进行.温室结构为热浸镀锌轻钢结构，温室顶部及部分侧墙采用PC板覆盖，内、外遮阳网，通风天窗以及风机和循环水泵的开启均由机柜控制.温室东西跨度70m，南北跨度52m，总面积为3 640m2.风机设有3组，共14台，均匀布置在温室南侧，每组风机能够由机柜独立控制运行.东西两组各5台，中间一组4台，每台风机额定风量42 000m／h.湿帘安装高度为0.7m，湿帘墙体高度为1.8m，总面积为103m2，湿帘侧设有2个循环水水池，埋于地下，并配备循环泵，使水在蓄水池和湿帘之间循环.

图1 测试区各测点水平方向分布图

1.2 试验测点布置

温室的第3区——“花卉育苗区”中间设置有一条东西方向的走道，宽4m，温室被走道分成2个对称的区域.测点水平分布图如图1所示，测试区域内一共布置11个德国Testo温湿度自计仪，其中室外遮阳通风处布置1个测点（3＃测点），室内布置10个测点.11＃测点布置在湿帘后，距离地面1.8m处，用于测量湿帘后出风的温度、相对湿度.9＃测点布置在风机前，距离地面1.5m处，用于测量排风的温度、相对湿度.剩余8个测点分别布置在2个平面上，测量室内空间各测点温度、相对湿度.该区共有3组风机，在本次测试中开启中间一组风机（4个风机）和西侧一组风机（5个风机），空间测点所在断面位于两组风机的中间位置.2个水银温度计用于测量湿帘循环水的温度，热球风速仪用于测量湿帘后出风风速以及温室空间点风速.

图2 测试区各测点垂直方向分布图

图2为各测点的垂直分布图.在垂直方向上一共设置2个平面，分别距离地面1m（平面1）和1.8m（平面2），用来测试温度在垂直方向上的分布规律.每个测试平面布置4个测点，分别测试两个平面在温室气流流动方向上温湿度变化规律.所有的温、湿度数据每隔1min自动记录一组数据，循环水温每10min读取一组数据.

2 测试结果

2.1 湿帘蒸发冷却效率

根据蒸发冷却原理［11］，理论上的蒸发冷却过程如图3中虚线所示.该过程中水温恰好等于空气的湿球温度但低于空气的干球温度.湿帘入口前的空气即外界空气流经湿帘表面水膜时，由于有显热传递给水膜而使本身温度下降，同时水膜周围边界层内的饱和空气中的水蒸气分压力大于空气中的水蒸气分压力，水膜从空气中得到显热后，使部分水变成水蒸气进入空气中，空气被加湿，含湿量增加.在这个过程中，由于水蒸发所需的汽化潜热来自空气，空气潜热量的增加约等于显热量的减少，最终的结果是空气的比焓基本不变.当循环冷却水温度低于空气湿球温度而高于露点温度时，实际空气与水的状态变化如图3中实线所示，处理过程是一个减焓加湿冷却过程.

采用第二热交换效率［12］来评价这种工况下的直接蒸发冷却过程，它能够适用于所有的空气处理过程，绝热加湿过程中ts1＝ts2，即

式中 h1，h2′为空气的初、终状态的焓，kJ／kg；h3′为交点3′空气饱和状态的焓 ，kJ／kg；t1，t2′为湿帘进、出口空气的干球温度，℃；ts1，ts2′为湿帘进、出口空气的湿球温度，℃.

如图3所示，点4和点5分别为循环冷水温度变化范围的下限值和上限值，点3′是其中任意一个水温状态点.根据式（1）分别用温室湿帘进口空气的干、湿球温度差减去出口空气的干、湿球温度差，即（t1－ts1）－（t2′－ts2′），将上述差值和进口空气的干、湿球温度差（t1－ts1）进行线性回归计算，直线的斜率即为湿帘的蒸发冷却效率，如图4所示.本花卉温室的湿帘蒸发冷却效率为90.3%.

图3 湿帘处理过程空气与水的状态变化

图4 花卉温室湿帘蒸发冷却效率

通过对湿帘循环水温度的实际测量，湿帘循环水温的温度平均为21.5℃，低于测试当天空气的平均湿球温度22.5℃，是保证蒸发冷却效率高的一个重要原因.循环水池埋于地下，循环水不断与浅地表层的土壤进行热量交换，能够使湿帘循环水温长时间低于空气的湿球温度，导致空气与水的热湿交换过程是一个减焓加湿冷却过程而不是一个理想状态的等焓加湿冷却过程.

测试当天室外空气的平均相对湿度为42.6%，平均干球温度为32.8℃.富平县高温低湿的气候特点为温室带来了显著的降温效果，显示了该降温系统在该地区的良好使用性.

2.2 温室降温效果

将湿帘－风机降温系统运行期间（10：30－15：30）的室外空气温度、湿帘出风温度以及室内温度（同一时刻各测点的算数平均值）进行统计，即可得出室外空气状况以及相应的进气降温幅度及室内空气降温幅度［7］（室内外温度差），如表1所示，表1中的平均值均为测试日白天降温系统运行时段内各时刻的算术平均值.

2.3 温室纵向温度分布

如图5所示，平面1上点4的温度相对于其他的3个点（点2，5，6）降温幅度更大，平均比室外温度低7.7℃.分析认为虽然点2距离湿帘的距离较小，通过湿帘的降温效果更好，但是点2靠近北墙，北墙湿帘上方覆盖PC中空板，此处太阳的辐射强度较大，引起点2的温度高于点4温度.而点5和点6由于靠近风机，在此处的气流出于气流的下游区，温度较高，同时在走道两侧存在植株较高的植物遮挡，平均植株高度在2m，使气流受阻.文献［6］认为，如果温室中种植植株较高的植物，要适当调整湿帘的安装高度，如果是出于装饰需要，改变栽培行的方向，留出适当的间距，保证气流在栽培方向的畅通，可以提高整个温室的降温效果，降低室内温度梯度分布.

表1 温室降温效果

图5 平面1各测点温度分布

类似的规律也可以通过与点4处于同一水平位置，但是垂直高度不同的点12得出，如图6所示，在平面2上的点12的温度相对于其他3个点（点8，10，7）降温幅度更大，平均比室外温度低7.4℃.

图6 平面2各测点温度分布

湿帘－风机系统不能提供一个在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这一点.根据统计平均，温室的排气和进气的平均温度差为5.5℃，考虑到温室的长度，则温室在气流方向上的温度梯度为0.106℃／m.

2.4 温室垂直方向温度分布

在温室距离地面1m和1.8m的平面上分别布置测点，对温室垂直方向上的温度分布情况进行分析，温度分布情况图表2所示.由表2可知在花卉生长区的测点4（12）处平面1和平面2的温度相差0.4℃，考虑到两平面垂直高度相差0.8m，因此此处垂直温度梯度为0.5℃／m.同理可得，点2（8）处的垂直温度梯度为2.75℃／m，但点5（10）以及点6（7）处垂直温度梯度几乎为零.

表2 温室垂直方向温度分布情况

现以点4（12）的温度分布为例进行分析，如图7所示，点12处的温度随着时间的变化大部分时间段比点4的温度高0.4℃左右.对这两处测点附近进行风速测量，点4处的平均风速为0.25～0.3m／s，而点12处的风速为0.43～0.45m／s左右，在一定范围内，风速越大，温度越低，而点4和点12风速的差别与此处种植的高大植物有关，植物冠层在气流通道的范围内，对气流形成阻碍，降低点4的风速，对降温效果造成一定影响.

图7 测点4和测点12温度分布

点2（8）靠近湿帘，但是测试结果表明此处不仅温度梯度很大，温度也很高.分析认为是因为点2（8）靠近窗户，处于遮阳网的边缘，受到的太阳辐射较大，因此温度较高，同时太阳辐射的作用，热气流上升，使得此处垂直温度梯度较大.这一规律可以通过比较同处于平面1的点2和点4或者平面2的点8和点12的温度差得到.在气流的下游区即点5（10）以及点6（7）所在位置靠近风机，气流扰动相对强烈，温湿度场混合均匀，所以在垂直方向上温度梯度不明显，测试得到此处的垂直方向的温度梯度接近为零.

3 结 论

（1）高温低湿的气候条件使得温室的降温效果较为显著，室温1m高处温度平均降低6.7℃，最高降低9.2℃，显示这一降温系统在陕西省富平县的良好适用性.

（2）在条件允许下，可以适当降低湿帘循环水的温度，以提高蒸发冷却效率.例如采用温度更低的自来水甚至深井水作为循环补水或者深挖循环水池，强化循环水与地面的热量交换等.

（3）减少温室内植株等因素对气流的阻碍，能够提高温室的降温效果，降低温室的温度梯度.例如，合理摆放植株的位置，留有适当间隙；在气流方向上加装轴流风机，强化气流流动等.

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