亚湿球温度的冷水对农业温室湿帘降温性能的影响分析

张璐瑶，黄翔，宋祥龙，李鑫

（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048）

亚湿球温度的冷水对农业温室湿帘降温性能的影响分析

张璐瑶*，黄翔，宋祥龙，李鑫

（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048）

本文通过数学建模，对亚湿球温度的冷水对湿帘降温效果的影响进行理论分析。对陕西省富平县一栋采用湿帘-风机降温系统的温室湿帘的降温效果进行了测试。结果表明，当循环水平均温度比室外空气湿球平均温度低3.4 ℃时，湿帘蒸发冷却效率为92.37%，湿帘出风温度比室外湿球温度低0.6 ℃。利用亚湿球温度的冷水作为直接蒸发冷却系统的循环水，能够进一步降低出风干球温度，提高湿帘直接蒸发冷却效率。

亚湿球温度；直接蒸发冷却；数学建模；现代农业温室

0 引言

近几年来，随着国内外许多专家、学者对蒸发冷却这一节能环保的空调技术研究的加深，这项技术在实际应用中变得越来越成熟和完善，广泛应用于国内外包括发电厂、地铁、通信机房（基站）、大型数据中心、纺织服装厂和印刷厂等工业车间以及体育馆、商场、医院、住宅、网吧和农业温室等众多领域。

蒸发冷却空调技术有2种核心处理方式：直接蒸发冷却（DEC）和间接蒸发冷却（IEC）[1]。传统的蒸发冷却空调（直接蒸发冷却）利用空气与水的直接蒸发冷却原理，能够将空气处理到的极限温度是室外空气的湿球温度，对于某些对温降范围有更高要求的场所，则会限制其广泛应用。而通过间接蒸发冷却[2]或者将间接、直接蒸发冷却组合成两级甚至多级间接-直接蒸发冷却复合空调技术，可以将空气或水的温度降到低于空气湿球温度[3]，或者利用夜间蓄冷预冷间接-直接蒸发冷却空调机组的进风[4]，都为扩大蒸发冷却技术的温降范围提供了许多有益的思路。本文通过分析亚湿球温度的冷水对直接蒸发冷却的降温效果，为进一步扩大蒸发冷却的温降提供一定参考。

1 直接蒸发冷却原理

1.1 亚湿球温度的概念

“亚湿球温度”的概念是在“湿球温度”和“露点温度”的基础上提出的，是指低于湿球温度、高于露点温度的温度[5]。在如图1所示的干球温度位于湿球温度ts和露点温度tl温度范围内2与4之间的a、b、c、d的温度，称为亚湿球温度。

图1 空气与水热湿交换过程

1.2 空气与水的热湿交换过程

在假想条件下，即水与空气接触面积无限大，接触时间无限长，全部空气能够达到饱和状态，也就是说，空气的终状态将位于h-d图的饱和曲线上并且空气的终温将等于水的温度。不饱和空气与水的热湿交换过程与空气的3个温度有关：空气的干球温度t、湿球温度ts和露点温度tl。因此，在此假想条件下，根据水温tw的不同，可以得到7种典型的空气状态变化过程[6]。本文主要讨论当循环冷却水水温在湿球温度附近时，不饱和空气与水的热湿交换规律。

从图1中可以分析得出，当空气与水接触时，从水侧来讲：

1）若水温满足ts

2）若水温tw=ts时，空气与水发生等焓加湿过程，水得到显热，失去潜热，得到的显热量与失去的潜热量相等，水温保持不变；

3）若水温满足tl

因此，水的降温极限温度是入口空气的湿球温度，在实际工况中，如果忽略补水、外界冷源等因素对循环冷却水水温的影响，一定时间后循环冷却水的水温终状态与入口空气的湿球温度会趋于一个动态平衡过程，水温一般高于入口空气的湿球温度且很难达到湿球温度。

2 “亚湿球温度”的冷水对直接蒸发冷却影响的理论分析

按照空气与水的热湿交换理论，根据直接蒸发冷却的特点，建立如下计算模型。如图2，外界空气沿着x方向经过填料的特殊流道，循环冷却水在重力的作用下沿着y方向从上往下落下，均匀地覆盖在填料表面，形成水膜。数学模型[7]主要参数如下：

图2 直接蒸发冷却模型

1）假设填料的高度为H，沿着气流流动方向上填料厚度为B，宽度为L；

2）假设空气在流动过程中质量流量不变为G，进口空气的干球温度为t1，湿球温度为ts1，含湿量为d1。在气流流动方向上取一微元距离dx，室外空气与循环冷却水发生热湿交换，在dx处空气的干球温度为tx，湿球温度为tsx，含湿量为dx。

对空气而言，在微元距离dx填料层内，空气与水的显热换热量为：

式中：

cp——湿空气的定压比热容，J/(kg·K)；

dt——通过厚度为dx的填料后空气干球温度变化值，℃；

h——传热系数，W/(m2·K)；

tw——循环冷却水的温度，℃；

dF——微元距离dx所对应的填料表面积，dF=kHLdx，m2；

k——填料的比表面积，m2/m3。

空气与水的潜热交换量为：

式中：

r——水的汽化潜热，kJ/kg；

d(d)——通过厚度为dx的填料后空气含湿量变化值，g/kg；

α——传质系数，kg/(s·m2)。

空气与循环冷却水总换热量为：

当tx>tw时，

式(9)表示在任意填料厚度x处空气干球温度表达式，当填料厚度为B时，循环水为亚湿球温度的冷水时，根据其定义，将水温tw=ts1- Δt（Δt ＞ 0）代入式(9)中得，出口空气干球温度为：

在直接蒸发冷却过程中，如果循环冷却水温度与入口空气的湿球温度相等，空气温度会沿着空气入口状态点所在的等焓线趋于饱和状态点，如图3虚线所示的1→2→3过程，这个过程称为直接蒸发冷却的理想过程；直接蒸发冷却等焓过程效率为[9]：

公式(11)表明，当填料的比表面积k、厚度B等填料的物性参数，进口空气的密度ρ、风速u、定压比热容Cp和空气与水的表面换热系数h等参数确定时，在空气与水发生直接蒸发冷却的理想过程时，填料的降温效率ηDEC是一个定值。公式(12)中，t2为理想直接蒸发冷却出风温度，当填料和空气入口条件确定时，t2为定值。因此，理论上当循环冷却水为亚湿球温度的冷水时的直接蒸发冷却过程，空气的出风温度t2'与Δt呈一次线性关系，当Δt为零时，t2'=t2。

如图3所示，虚线所示的是直接蒸发冷却的理想过程，实线所示的是当循环冷却水为亚湿球温度的冷水时的直接蒸发冷却过程[10]。点1为进风空气状态点，点2为直接蒸发冷却的理想过程的出风状态点，点2'和点6分别为当循环冷却水为亚湿球温度的冷水时的直接蒸发冷却过程的出风状态点和湿球状态点，点4和点5分别为亚湿球温度的冷水温度变化范围的下限值和上限值，点3'是其中的一个水温状态点。

图3 湿帘处理过程空气与水的状态变化

由于循环冷却水的温度低于入口空气的湿球温度，使得空气与水的混合过程是一个减焓降温加湿的过程，点2'的干球温度比点2更加逼近点3的干球温度，通过以上数学建模的结果以及焓湿图分析可以得出，当循环冷却水为亚湿球温度的冷水且水温能够稳定维持在一个较低值的时候，能够降低出风空气的干球温度，甚至有可能会使出风空气的干球温度低于进口空气的湿球温度。

3 实际测试

3.1 农业温室用湿帘风机降温系统

图4是现代农业温室等场所的湿帘风机降温系统。在温室的一侧装有湿帘墙结构，在湿帘旁设置地下蓄水池，配备循环泵，使水在蓄水池和湿帘之间循环，在湿帘相对的另一侧装有多台风机，通过风机的抽送排风，温室内形成负压，迫使室外新风经过湿帘，对温室内降温加湿。蓄水池中的补水一般直接引自自来水管，水温较低，同时由于蓄水池设置在浅地表层以下，浅地表层的土壤与蓄水池中的水不断发生热量交换，使得蓄水池中水的温度稳定维持在一个较低的水平。

图4 现代农业温室的湿帘风机降温系统

3.2 结果分析

通过对陕西省富平县某现代农业温室的湿帘进、出风的干湿球温度以及蓄水池中的水温进行测试，如图5所示，选取上午11:00至下午14:30记录的温湿度数据进行统计分析，通过对湿帘循环水温度的测量，测得平均水温为24.4 ℃，且测试期间温度变化起伏较小（±0.5 ℃），低于当天室外空气的平均湿球温度27.8 ℃，而室内出风平均干球温度为27.2 ℃，室内出风平均温度低于室外平均湿球温度，而且室内出风平均湿球温度为25.2 ℃，室、内外平均湿球温度相差2.7 ℃。

图5 测试工况下湿帘进、出口干、湿球温度变化曲线

采用第二热交换效率评价这种工况下的直接蒸发冷却过程，其能够适用于所有的空气处理过程，绝热加湿过程中ts1=ts2，即[11]：

式中：

h1、h2′——空气的初、终状态的焓，kJ/kg；

h3′——交点3′空气饱和状态的焓，kJ/kg；

t1、t2′——室外、室内空气干球温度，℃；

ts1、ts2′——室外、室内空气湿球温度，℃。

根据式(13)对温室湿帘两侧的进出风干球温度差做差值(t1- ts1) - (t2′- ts2′)和室外空气的干、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。结果显示，温室的湿帘蒸发冷却效率为92.37%，如图6所示，亚湿球温度的水作为循环冷却水不仅能够使出风温度降低，同时使填料的蒸发冷却效率保持在一个较高水平。

图6 农业温室湿帘蒸发冷却效率

4 结论

1）通过对直接蒸发冷却空气与水的热湿交换过程建立数学模型得出，当循环冷却水为亚湿球温度的冷水时，填料物性参数和空气入口条件保持不变时，空气的出口干球温度与水温与入口空气湿球温度的差值呈一次线性关系，且差值越大，实际出风温度越低。

2）现代农业温室在湿帘旁设置地下蓄水池，浅地表层的土壤与蓄水池中的水不断发生热量交换，使得蓄水池中水的温度稳定维持在一个较低的水平，如果蓄水池里的水为亚湿球温度的水，不仅能够使湿帘的出风温度降低，而且能够提高湿帘的直接蒸发冷却效率。

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Influence of Water of Sub-wet Bulb Temperature on Cooling Effect of Wet Curtain in Agricultural Greenhouse

ZHANG Lu-yao*, HUANG Xiang, SONG Xiang-long, LI Xin
(School of Environment and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China)

Through the establishment of mathematical modeling, the influence of the cooled water with sub-wet bulb temperature on the cooling effect of wetted pad was analyzed theoretically. The cooling effect of wetted pad for a greenhouse equipped with the wetted pad and fan cooling system in Fuping city of Xi'an Province was tested. The result shows that, when the average temperature of the circulating water is 3.4 ℃ lower than the average outdoor air wet bulb temperature, the evaporative cooling efficiency of the wetted pad is 92.37%, and the outlet air temperature of the wetted pad is 0.6 ℃ lower than the outdoor wet bulb temperature. The application of water with sub-wet bulb temperature as the circulating water for direct evaporative cooling system can further reduce the dry bulb temperature of outlet air, and improve the direct evaporative cooling efficiency of the wetted pad.

Sub-wet bulb temperature; Direct evaporative cooling; Mathematical modeling; Modern agriculture greenhouse

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.107

*张璐瑶（1989-），男，在读硕士研究生。研究方向：蒸发冷却空调技术。联系地址：陕西省西安市碑林区金花南路19号，邮编：710048。联系电话：18700936995。E-mail：azhangluyao1989@yeah.net。

本论文选自2014 年第八届全国制冷空调新技术研讨会。