濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的研究

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的研究

0從工業(yè)和意義上看濕式空吸聲降溫系統(tǒng)和細(xì)濕式降水系統(tǒng)是溫室中常用的兩種蒸發(fā)方式。無論最好還是壞，都必須根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行評(píng)估。例如，在日本，細(xì)霧降聲系統(tǒng)的普及面積約是濕式風(fēng)偶上升的5倍。在中國(guó)，濕墻建成系統(tǒng)是最重要的。目前，濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在我國(guó)的生產(chǎn)溫室、展覽溫室等現(xiàn)代溫室領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，很多學(xué)者也從濕簾的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)參數(shù)、降溫效果、系統(tǒng)安裝高度、相應(yīng)溫室熱環(huán)境以及室內(nèi)氣流、溫度分布等方面對(duì)其進(jìn)行了研究；但鑒于研究目的不同，內(nèi)容各有側(cè)重。為了使人們對(duì)這一降溫系統(tǒng)的特性、實(shí)際應(yīng)用效果、存在的問題以及應(yīng)用潛力等方面有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)，以實(shí)行更為科學(xué)的設(shè)計(jì)和有效的運(yùn)行管理，本文將利用文獻(xiàn)分析、試驗(yàn)測(cè)試和模型預(yù)測(cè)等手段，對(duì)現(xiàn)代溫室濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。1兩個(gè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的比較1.1細(xì)霧降溫系統(tǒng)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的設(shè)備一般安裝在溫室側(cè)墻上，不占溫室空間，有利于溫室的栽培管理、增設(shè)保溫幕或遮陽幕等；冷卻水可循環(huán)利用，利用效率高；給水管的給水孔徑一般有數(shù)毫米，對(duì)水質(zhì)或過濾器的要求相對(duì)而言可不必太嚴(yán)格；由于我國(guó)濕簾和大流量風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制取得了成功，系統(tǒng)投資成本較低。細(xì)霧降溫系統(tǒng)是在傳統(tǒng)噴霧降溫系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)化而來的，其霧滴直徑更?。ㄈ?～60μm）、加大了空氣與水接觸的面積和霧滴在空氣中的停留時(shí)間。細(xì)霧降溫系統(tǒng)噴嘴等一般均布于溫室上部，對(duì)溫室栽培管理以及保溫幕或室內(nèi)遮陽幕的設(shè)置可能產(chǎn)生影響；噴嘴孔徑僅為0.1～0.3mm左右，對(duì)水質(zhì)或水的前處理要求非常嚴(yán)格；噴霧后的水充分霧化與否，都不能循環(huán)利用；目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)的噴嘴質(zhì)量和耐久性還不盡人意，主要依賴于進(jìn)口，所以其投資成本較高。1.2蒸發(fā)降溫效率根據(jù)蒸發(fā)降溫的原理，濕簾的蒸發(fā)降溫效率通?？捎靡韵鹿接?jì)算，即式中Tod—室外干球溫度（℃）；Tid—濕簾室內(nèi)一側(cè)干球溫度(℃);在實(shí)際運(yùn)行過程中，空氣和濕簾表面的水無法實(shí)現(xiàn)完全熱濕交換，達(dá)不到室外濕球溫度的降溫效果，濕簾的蒸發(fā)降溫效率一般在60%～80%。細(xì)霧降溫系統(tǒng)的蒸發(fā)降溫效率，通常也有按式(1)進(jìn)行估算的，但其蒸發(fā)降溫過程是在室內(nèi)進(jìn)行的，理論上的最大降溫極限應(yīng)該是室內(nèi)濕球溫度，而非室外濕球溫度；特別是在沒有充分通風(fēng)換氣的情況下，經(jīng)過噴霧加濕降溫的室內(nèi)濕球溫度將高于室外，會(huì)影響降溫效率，實(shí)際應(yīng)用中也表明其降溫效果也低于濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)。增設(shè)強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)可緩解這一問題，但勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本、增加系統(tǒng)運(yùn)行管理的復(fù)雜性。1.3植物的溫、濕度分布特點(diǎn)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)所形成的室內(nèi)環(huán)境除了在氣流方向存在一定的溫、濕度梯度外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是加濕降溫僅在進(jìn)氣口進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生冷卻水淋濕植物現(xiàn)象；二是室內(nèi)溫、濕度環(huán)境在時(shí)間上相對(duì)穩(wěn)定，有利于植物光合作用；三是有穩(wěn)定的氣流場(chǎng)，有利于植物體溫度對(duì)周圍環(huán)境變化的快速響應(yīng)。相對(duì)而言，細(xì)霧降溫系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以形成空間上比較均一的溫、濕度分布，但存在以下不足：一是如上所述通常所采用的間歇式運(yùn)行方式，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫、濕度的劇烈波動(dòng)，這是否會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響還有待于進(jìn)一步研究；二是沒有充分霧化的水滴可能會(huì)淋濕植物表面而導(dǎo)致病害，或者在植物表面會(huì)出現(xiàn)鹽類聚集而導(dǎo)致植物表面發(fā)生灼傷。1.4系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)可自動(dòng)控制或人工控制，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，對(duì)管理人員的技術(shù)水平要求不高。由于夏季室外溫度較高，降溫系統(tǒng)通常是從早到晚連續(xù)運(yùn)行的。而細(xì)霧降溫系統(tǒng)因噴霧水量調(diào)節(jié)比較困難，目前通常采用間歇式運(yùn)行管理，要求管理者根據(jù)溫室氣象條件判定并設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)行程序，對(duì)管理者的專業(yè)技術(shù)水平要求較高。從維護(hù)角度來看，濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，耐久性好，維護(hù)比較簡(jiǎn)單；根據(jù)筆者對(duì)實(shí)際生產(chǎn)溫室的調(diào)查，在沒有任何維護(hù)維修的情況下，經(jīng)過6年使用的系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。與之相對(duì)，細(xì)霧降溫系統(tǒng)的噴嘴孔徑較小、對(duì)水質(zhì)要求較高，需要經(jīng)常性的檢查和維護(hù)，否則會(huì)因管理不當(dāng)或噴嘴耐久性不好，出現(xiàn)噴嘴堵塞、滴水或噴霧量、霧滴飛散距離、飛散角度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等現(xiàn)象。2測(cè)試測(cè)試2.1日本愛知縣本研究共測(cè)試了3棟大型現(xiàn)代生產(chǎn)溫室。其分別位于北京（北緯39°56′）、上海（北緯31°10′）以及日本愛知縣（北緯34°40′）。溫室概況如表1所示。2.2減少測(cè)點(diǎn)數(shù)量測(cè)試的內(nèi)容主要有室內(nèi)外空氣溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射照度以及室內(nèi)氣流速度。北京及上海溫室沿氣流方向共設(shè)了9個(gè)測(cè)試斷面，愛知溫室較長(zhǎng)、布點(diǎn)困難，且適當(dāng)減少測(cè)點(diǎn)對(duì)考察室內(nèi)溫、濕度分布規(guī)律不會(huì)產(chǎn)生太大影響，故將測(cè)試斷面數(shù)量減少為5；測(cè)點(diǎn)高度位于植物冠層附近。其主要測(cè)試儀器有熱電偶、數(shù)據(jù)采集器（江藤電器，CADAC21）、靜電容量式濕度計(jì)（CHINO,HNCHPR）、全天型日照計(jì)（英弘精機(jī)，MS-601）以及熱線風(fēng)速儀(KANOMAX,Model-6003)等。除氣流速度外，其它數(shù)據(jù)均以10min為間隔自動(dòng)采集。測(cè)試實(shí)施時(shí)間為北京7月25～27日，上海7月30日～8月2日，愛知8月22～31日。2.3測(cè)試結(jié)果和研究2.3.1蒸發(fā)降溫效率根據(jù)式(1)對(duì)各試驗(yàn)溫室濕簾兩側(cè)溫度差和室外干、濕球溫度差進(jìn)行線性回歸計(jì)算，即可得出濕簾的蒸發(fā)降溫效率。結(jié)果顯示北京、上海以及愛知溫室的濕簾蒸發(fā)降溫效率分別為78%，79%和76%，如圖1所示。根據(jù)實(shí)測(cè)，北京、上海及愛知溫室的濕簾表面氣流速度分別為1.1m/s,1.4m/s和1.8m/s。這些數(shù)據(jù)基本上符合ASAEStandards(2003）推薦的最大過流速度1.27(10cm厚）～1.78m/s(15cm厚）標(biāo)準(zhǔn)。2.3.2降溫系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果將各測(cè)試日白天濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行期間的室外空氣溫度、室內(nèi)進(jìn)氣溫度以及室內(nèi)空氣溫度（同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的算術(shù)平均值）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得出各地室外溫度狀況以及相應(yīng)進(jìn)氣及室內(nèi)空氣降溫幅度（即內(nèi)外溫度差），如表2所示。表2中的平均值為所有測(cè)試日白天降溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)各時(shí)刻數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。測(cè)試期間的室外最低相對(duì)濕度分別為北京30%～50%，上海50%左右，愛知46%～70%（其中50%以下僅2天，其余8天為60%以上）。北京高溫低濕的氣候特點(diǎn)為溫室?guī)盹@著的降溫效果，顯示了這一降溫系統(tǒng)在北部干燥地區(qū)的良好適用性。在上海和愛知等沿海高溫高濕地區(qū)，雖然降溫效果略低于北京，但也取得了比較明顯的降溫效果，特別是對(duì)抑制室內(nèi)溫度過高具有重要意義。2.3.3溫室溫度梯度的影響濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)不能提供一個(gè)氣流方向上均勻的溫、濕度分布，是該系統(tǒng)的不足之處，在測(cè)試中也著重考察了這一問題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)平均，北京、上海以及愛知溫室的排氣和進(jìn)氣的平均溫度差分別為2.9℃，5.1℃，2.0℃。考慮溫室長(zhǎng)度，則3棟溫室的溫度梯度分別為0.060℃/m,0.114℃/m,0.038℃/m，即上海溫室最高、北京次之、愛知最低。由于導(dǎo)致這一縱向溫度上升的熱源主要是透入到溫室內(nèi)的太陽輻射能，根據(jù)對(duì)溫室特征的分析，認(rèn)為溫室的遮陽方式和遮陽率對(duì)這一縱向溫度梯度有著較大的影響，如外遮陽（北京、愛知）優(yōu)于內(nèi)遮陽（上海），因?yàn)橥庹陉柨梢詫⑻栞椛淠苤苯诱趽跤谑彝?，從根本上控制了造成溫度升高的熱源；再比如適當(dāng)增加遮陽率（遮陽率，北京85%，上海80%，愛知92%），也可以減小太陽輻射對(duì)溫室的影響，從而減小溫室的縱向溫度梯度。另外，根據(jù)對(duì)上海溫室的觀察，其溫度梯度較高的另外一個(gè)原因是約2m高的茄子栽培行方向垂直于氣流，使氣流受阻。這一點(diǎn)在文獻(xiàn)中也被指出，認(rèn)為此降溫系統(tǒng)不適于栽培高大植物的溫室。但是，筆者認(rèn)為在這種情況下，改變?cè)耘嘈械姆较颉⒘舫鲞m當(dāng)?shù)男芯?，保證氣流在栽培行間的通暢，是可以提高整個(gè)溫室的降溫效果、降低室內(nèi)溫度梯度的。另外，在張樹閣等人的研究中也指出，高大植物的場(chǎng)合可以通過適當(dāng)調(diào)整濕簾的安裝高度來保證溫室的降溫效果。3溫室長(zhǎng)度持續(xù)增加根據(jù)上述測(cè)試，采取適當(dāng)遮陽等措施可以有效地控制溫室的溫度梯度，而不會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)造成影響。但是，隨著溫室長(zhǎng)度的增加，勢(shì)必導(dǎo)致溫度梯度的進(jìn)一步增大，進(jìn)而也就有可能造成高溫危害。特別是近年來新建設(shè)的現(xiàn)代化溫室，面積在1000m2以上的為數(shù)不少，有的甚至達(dá)到1hm2，總體上呈大型化趨勢(shì)。因此，對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)降溫溫室的最大適宜長(zhǎng)度做進(jìn)一步的理論分析，對(duì)指導(dǎo)濕簾風(fēng)機(jī)降溫溫室的設(shè)計(jì)、建造以及系統(tǒng)運(yùn)行管理都有現(xiàn)實(shí)意義。3.1大型溫室濕墻參數(shù)分析和計(jì)算關(guān)于濕簾風(fēng)機(jī)降溫溫室的熱環(huán)境預(yù)測(cè)或模擬，至今已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。根據(jù)本研究的目的，這里選擇Kittas(2003）模型進(jìn)行分析溫室最大的適宜長(zhǎng)度，把握濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在大型溫室中的應(yīng)用潛力。Kittas的模型可描述為3.2模型驗(yàn)證3.2.1敏感性指標(biāo)檢驗(yàn)為了驗(yàn)證模型對(duì)本研究溫室的適用性，除采用通常的相關(guān)系數(shù)（或決定系數(shù)）之外，這里還采用Willmott(1981)的RMSE(RootMeanSquaredError)和IA(IndexofAgreement)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。RMSE和IA由以下公式定義式中N—數(shù)據(jù)數(shù)；Xp—計(jì)算值；X′p和X′m可由實(shí)測(cè)值的算術(shù)平均值Xmave計(jì)算而得到IA是衡量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值本質(zhì)差異的敏感性指標(biāo)，數(shù)值上與決定系數(shù)相同，在0～1之間，但是含義上不同：當(dāng)IA=1時(shí)表示計(jì)算值與實(shí)測(cè)值完全一致；反之，當(dāng)IA=0時(shí)表示二者完全不一致。3.2.2空氣中模型系數(shù)e模型驗(yàn)證需要輸入的條件，如表3所示。模型中的蒸騰系數(shù)E，取決于空氣中水蒸氣的飽和度、氣流速度、植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，以及植物的水分狀態(tài)等，一般在0～1.0之間。由于沒有詳細(xì)測(cè)試，這里采用中間值0.5。3.2.3空氣溫度計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位置，利用上述模型分別對(duì)氣流方向上距濕簾13m,26m,39m和52m處的空氣溫度進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果如表4所示。顯示計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間具有顯著的相關(guān)性和很好的一致性，說明選擇的計(jì)算模型可以用來預(yù)測(cè)本研究溫室內(nèi)的溫度分布。3.3溫室適宜長(zhǎng)度分析3.3.1蒸發(fā)降溫效率1)溫室的構(gòu)造參數(shù)：作為預(yù)測(cè)用溫室，這里仍然采用測(cè)試的愛知溫室形式，即普通雙坡連棟玻璃溫室，長(zhǎng)度暫定為100m，其它構(gòu)造參數(shù)見表3所示。2)濕簾蒸發(fā)降溫效率：濕簾的蒸發(fā)降溫效率是與降溫效果密切相關(guān)的重要參數(shù)，受濕簾的材質(zhì)、內(nèi)部構(gòu)造、厚度、表面氣流速度等因素的影響。在不同研究中所記載的蒸發(fā)降溫效率也不盡相同，如60%，80%，以及80%以上等。鑒于本研究測(cè)試的蒸發(fā)降溫效率也在60%～80%，因此選用實(shí)測(cè)的低限值76%作為計(jì)算條件。3)換氣量：濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，降溫與換氣同時(shí)進(jìn)行，二者密切相關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)，植物生長(zhǎng)最適的氣流速度為0.5～0.7m/s，進(jìn)而根據(jù)室內(nèi)氣流速度和與氣流方向垂直的溫室斷面面積可估算出溫室適宜的換氣量。4)遮陽：遮陽率大小選擇影響到室內(nèi)光照度，須考慮栽培植物的特性，比如菊花、康乃馨屬耐強(qiáng)光型，而蝴蝶蘭、紅掌則屬于喜蔭型。參考測(cè)試溫室，這里選擇60%和80%兩種遮陽率作為計(jì)算條件。5)氣象條件：高溫高濕是影響濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)降溫效果的最不利氣象條件。為了考察不同溫、濕度條件下溫室內(nèi)的溫度狀況，這里選擇30℃和35℃兩種夏季常見高溫條件，40%，60%和80%3種可能濕度條件，以及950W/m2的室外太陽輻射照度（北京、上海、愛知最大太陽輻射照度為900～1000W/m2左右）作為預(yù)測(cè)計(jì)算的依據(jù)。3.3.2高溫高濕氣候條件下溫室厚度的變化根據(jù)以上設(shè)定的計(jì)算條件，分別對(duì)30℃和35℃兩種室外溫度，在0.5m/s和0.7m/s室內(nèi)氣流速度條件下，3種不同的相對(duì)濕度（40%，60%和80%）和兩種不同的遮陽率（60%和80%）對(duì)室內(nèi)溫度分布的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)，部分結(jié)果如圖2和圖3所示。作為栽培環(huán)境的上限溫度，ASAEStandards(2003）推薦了一般作物為30°～32℃，因此在這里就把32℃作為評(píng)價(jià)溫室最大適宜長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)。在室外溫度30℃、室內(nèi)氣流速度0.5m/s條件下，僅在室外相對(duì)濕度80%、遮陽率60%以及室外相對(duì)濕度60%、遮陽率60%這樣高濕和較低遮陽率的不利情況下，溫室會(huì)分別在距離濕簾70m左右和90m左右的長(zhǎng)度處，出現(xiàn)溫度高于32℃的情況；其它均能保證溫室溫度低于這一植物生長(zhǎng)的上限溫度。也就是說，在這種氣象及運(yùn)行條件下，只要溫室長(zhǎng)度不超過70m，理論上都能保證整個(gè)溫室的溫度低于32℃的栽培上限溫度。在室外溫度35℃、室內(nèi)氣流速度0.5m/s條件下，當(dāng)濕度為40%時(shí)，80%的遮陽率能夠保證整個(gè)溫室低于32℃；而當(dāng)遮陽率下降到60%時(shí)，能夠保證室溫低于這一上限溫度的長(zhǎng)度將下降到約60m。特別是當(dāng)室外相對(duì)濕度達(dá)60%時(shí)，在60%和80%遮陽率的條件下，溫室將分別在約30m和50m長(zhǎng)度處達(dá)到32℃；而當(dāng)濕度達(dá)到80%時(shí)，整個(gè)溫室都將無法實(shí)現(xiàn)低于32℃的適宜溫度環(huán)境?？梢姼邷?、高濕、強(qiáng)太陽輻射照度是最不利條件，但是在適當(dāng)提高遮陽率情況下運(yùn)行降溫系統(tǒng)還是可以控制室內(nèi)溫度過高，減少高溫危害。另外，根據(jù)計(jì)算將室內(nèi)氣流速度提高至0.7m/s時(shí)，會(huì)使來自濕簾的低溫空氣達(dá)到溫室更遠(yuǎn)的位置，使溫室達(dá)到栽培上限溫度的位置進(jìn)一步后移，加大溫室可能的適宜長(zhǎng)度，如室外溫度35℃、相對(duì)濕度60%、遮陽率60%和80%條件下，將室內(nèi)氣流速度由0.5m/s提高到0.7m/s時(shí)，溫室達(dá)到32℃的長(zhǎng)度將從30m和50m增加到約40m和70mㄢ高溫高濕對(duì)濕簾的蒸發(fā)降溫效果影響較大，會(huì)使?jié)窈熯M(jìn)氣溫度較高，從而使溫室達(dá)到栽培上限溫度的距離，即溫室的適宜長(zhǎng)度變短。因此，高溫高濕氣候條件下建造大型溫室，應(yīng)慎重控制溫室長(zhǎng)度或者考慮增加溫室寬度方向的尺寸以保證溫室規(guī)模；其它氣候條件下，在適當(dāng)范圍內(nèi)通過提高遮陽率和室內(nèi)氣流速度，可以減小溫室內(nèi)的縱向溫度梯度，加大溫室可能的適宜長(zhǎng)度。進(jìn)排氣口溫差大小對(duì)植物的影響，本研究未進(jìn)行探討，為防止溫