日光溫室調(diào)溫增濕交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊光+肖戟+鐘文才+范志華

摘 要：根據(jù)空氣調(diào)溫增濕后對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響明顯等特點(diǎn)，設(shè)置在試驗(yàn)日光溫室內(nèi)設(shè)計(jì)與安裝濕草簾調(diào)節(jié)降溫裝置系統(tǒng)，通過(guò)空氣粒子和水分子蒸氣在濕草簾表面層的傳質(zhì)傳熱特征，建立和完成濕草簾調(diào)溫控濕所需的數(shù)學(xué)模塊。經(jīng)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試，該模塊能準(zhǔn)確地顯示出空氣通過(guò)濕草簾后溫度和濕度的改變，為試驗(yàn)日光溫室關(guān)鍵環(huán)節(jié)中調(diào)節(jié)溫度濕熱交換系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：濕草簾物；調(diào)溫；增濕；調(diào)節(jié)空氣

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.07.001

0 引言

空氣通過(guò)濕草簾，與其表層的足量水分充分接觸，再由其各自運(yùn)動(dòng)傳遞媒質(zhì)和熱量，完成日光溫室內(nèi)空氣調(diào)溫增濕的過(guò)程。在以色列等中東地區(qū)國(guó)家，設(shè)施農(nóng)業(yè)已被普及尤其是調(diào)溫增濕技術(shù)的應(yīng)用，形成了日光溫室大棚農(nóng)作物種植系統(tǒng)以及家畜飼養(yǎng)等溫控系統(tǒng)。特別是我國(guó)吉林省西部地區(qū)，如白城、前郭等地，其技術(shù)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

1 利用流通空氣中的濕度降溫對(duì)農(nóng)作物適應(yīng)性的影響

農(nóng)作物被流通空氣中的水分子濕潤(rùn)后逐漸降溫后其特點(diǎn)是濕度增加，因此，應(yīng)用濕草簾物日光溫室的降溫增濕系統(tǒng)中除了適應(yīng)于農(nóng)作物生長(zhǎng)外，還要滿足對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的要求。20世紀(jì)80年代中后期，國(guó)標(biāo)組織頒布的溫室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)與測(cè)量方法新標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用PMV和PPD等二項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡定熱環(huán)境。其指標(biāo)綜合圍繞農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律，外環(huán)境的隔斷，空氣溫度，平均輻射溫度，空氣的流速和空氣濕度等6個(gè)因素。

日光溫室內(nèi)農(nóng)作物的莖葉生長(zhǎng)時(shí)，空氣的流速V=0.250～0.265 m/s時(shí)， 空氣溫度和熱溫板溫度保持一致，在相對(duì)濕度為42%～45%時(shí)，能夠改變溫室內(nèi)的空氣溫度，PPD值的變量如表1所示。

當(dāng)日光溫室內(nèi)溫度為22 ℃時(shí)，可促使相對(duì)濕度變化如表2所示?？梢缘贸?，當(dāng)溫室內(nèi)空氣溫度變化量大時(shí)對(duì)室內(nèi)的熱舒適度影響明顯。而濕度對(duì)應(yīng)的變化量對(duì)農(nóng)作物的熱適應(yīng)性影響[1]不顯著。參考文獻(xiàn)[2]表明，對(duì)于病弱莖葉農(nóng)作物而言，相對(duì)濕度10%，只相對(duì)于環(huán)境溫度升高0.3 ℃。

而相對(duì)濕度的變化對(duì)農(nóng)作物的熱適應(yīng)性幾乎沒(méi)有影響[1]。文獻(xiàn)[2]表明，對(duì)于弱苗作物而言，相對(duì)濕度10%，只相對(duì)于環(huán)境溫度升高0.25 ℃。

2 調(diào)節(jié)溫度濕熱交換系統(tǒng)的構(gòu)成

調(diào)節(jié)溫度濕熱交換系統(tǒng)：草簾物、直流風(fēng)機(jī)、上下水循環(huán)系統(tǒng)和全自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。草簾物研制成特定角度和交錯(cuò)重疊兩層形式，構(gòu)建成各組通道，在波幅分別達(dá)到最大與最小交替接觸時(shí)，接觸到柵格點(diǎn)；用淋浴噴頭從上往下淋水草簾物，在其表面上形成水分子薄膜，達(dá)到水和空氣充分接觸的目的。草簾物經(jīng)過(guò)晾曬、脫水等處理，其具有較強(qiáng)的吸水性、抗腐蝕性、耐用性以及較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性等特征。

濕草簾安裝在陽(yáng)光溫室內(nèi)指定安裝的絞手架上，其對(duì)面墻上安裝直流風(fēng)機(jī)，建成一個(gè)均勻的氣流通道，封閉其余部分如圖2所示。當(dāng)直流風(fēng)機(jī)向外排風(fēng)時(shí)，在溫室內(nèi)形成負(fù)壓，促使外部空氣強(qiáng)行經(jīng)過(guò)淋過(guò)水的草簾物進(jìn)入陽(yáng)光溫室內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)空氣與濕草簾物表面充分的接觸，呈現(xiàn)出空氣降溫增濕等特性。

3 濕熱交換系統(tǒng)的降溫原理

3.1 熱濕交換特征

陽(yáng)光溫室內(nèi)的空氣與濕草簾物的濕表面接觸時(shí)，經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)變成汽化過(guò)程以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中熱量的吸收，以此達(dá)到水分子和熱干氣體的溫差之間相互融合最終達(dá)到空氣降溫目的[3～4]。

經(jīng)課題研究與實(shí)驗(yàn)的需要， 確立出穿透濕草簾物的空氣流量為G，穿透前、后的流量以及溫度各為Gw1、tw1 和Gw2、tw2；當(dāng)空氣穿透濕草簾物時(shí)，前、后的溫度、含濕量、焓的參數(shù)各為t1、d1、i1和t2、d2、i2。

即熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中蒸發(fā)的水流量：

3.2 調(diào)溫增濕交換關(guān)系式模型

對(duì)于節(jié)流過(guò)程中調(diào)溫增濕的水分子與空氣粒子充分接觸時(shí)，直接傳遞熱量和熱質(zhì)的前提下來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。取通過(guò)濕草簾物的空氣粒子流過(guò)截面積與空氣粒子接觸的表面微元素面積dF（設(shè)定濕草簾物為平板體，展開(kāi)后乘以擴(kuò)展系數(shù)，本文中濕草簾物擴(kuò)展系數(shù)為η=1.20），空氣粒子可沿著χ軸方向穿過(guò)濕草簾物，水分子可沿著y軸方向流經(jīng)其穿過(guò)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 濕草簾物調(diào)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

設(shè)施農(nóng)業(yè)特定用陽(yáng)光溫室外圍尺寸為80 m×6 m×6 m，分別為長(zhǎng)、寬、高。溫室內(nèi)設(shè)計(jì)安裝上濕草簾物調(diào)溫交換系統(tǒng)，溫室一端墻體上安裝山東省德州奇創(chuàng)通風(fēng)設(shè)備有限公司出產(chǎn)的大流量軸流式風(fēng)機(jī)（WEXD-750D6-0.25型，6500 m3/h，0.25 kW）15臺(tái)。風(fēng)機(jī)的對(duì)面溫室上梁處吊裝濕草簾物（4.88 m×1.22 m×δ20 mm），間隔B=100 mm分布60張，一臺(tái)11.5 m3/h 清水泵提供循環(huán)水，水槽深0.3 m，10 m3。選用美德時(shí)（Anymetre）JR900型電子溫濕度計(jì)測(cè)量出溫室內(nèi)溫度降溫前與后的變化以及濕度。

4.2 技術(shù)計(jì)算參數(shù)與調(diào)節(jié)控溫增濕模型

當(dāng)室外的溫度t0為2～8 ℃時(shí)，溫室內(nèi)的水溫tw為6～12 ℃，空氣流過(guò)濕草簾物的流速υ=2.25 m/s.

4.3 測(cè)試結(jié)果與分析

當(dāng)溫室內(nèi)空氣溫度t0=35.8 ℃時(shí)，由模型式可得出空氣溫度與濕度隨水溫的變化值及測(cè)試結(jié)果提供，當(dāng)水溫tw=18～20 ℃時(shí)，由模型式得出溫室內(nèi)的溫度和濕度隨與室外流通而發(fā)生改變，測(cè)得溫度結(jié)果提供。經(jīng)對(duì)比得出，經(jīng)模型式推算出的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值規(guī)律變化近似一致。

從上述的計(jì)算數(shù)據(jù)得出，噴濕在濕草簾物的水溫不小于18 ℃至25 ℃時(shí)，氣體通過(guò)濕草簾物后，溫度由22.5 ℃至28.6 ℃，降至7.8～11.5 ℃；濕度由85.5%至92.8%；因此，噴濕的水溫越低空氣經(jīng)濕草簾物后，降溫幅度越明顯，增濕越小，調(diào)溫增濕幅度約明顯。

當(dāng)農(nóng)作物正常生長(zhǎng)時(shí)，水循環(huán)使用水溫隨著室外部氣溫變化而變動(dòng)，室外變化越明顯，噴濕水的溫度也隨著變化，且農(nóng)作物正常時(shí)的濕草簾物溫度變化比模型式推導(dǎo)出降至1.2～2.2 ℃，降幅是6～9 ℃。

5 結(jié)論

（1）濕草簾物調(diào)溫增濕對(duì)農(nóng)作物正常生長(zhǎng)影響小，試驗(yàn)表明，在陽(yáng)光溫室內(nèi)應(yīng)用濕草簾物調(diào)溫增濕系統(tǒng)可行。

（2）水與空氣冷熱濕交換充足，穿過(guò)濕草簾物的空氣溫度變化至6～9 ℃時(shí)，變化明顯。

（3）依據(jù)熱質(zhì)交換原理確立的理論模型式能夠明顯的反應(yīng)出濕草簾物的實(shí)際工作情況，為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化日光溫室調(diào)節(jié)溫度濕熱交換系統(tǒng)的參數(shù)，提供性能提供了可靠的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉苑平. 舒適性空調(diào)室計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化與節(jié)能[J].制冷，1999，66（1）：62-64.

[2] 紀(jì)秀玲.室內(nèi)熱循環(huán)舒適性的影響因素機(jī)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[J].衛(wèi)生研究，2003， 32（1）：296-298.

[3] Downdy I A，Karabash N S.Experimental determination of heat and mass transfer coefficient in rigid impregnanated cellulose evaporative media[J].ASHRAE Transaction，1988（93）：383-394.

[4] 張慶民. 空氣經(jīng)過(guò)淋水質(zhì)填料時(shí)的熱交換過(guò)程[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23（6）：685-682.

[5] 蘇為，張?zhí)熘?濕簾體內(nèi)強(qiáng)制換熱機(jī)理分析[J].制冷與空調(diào)，2005，20（3）：83-86.

[6] 張繼元.濕墊內(nèi)“水—?dú)狻遍g熱質(zhì)交換過(guò)程的理論分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999（4）：48-52.

[7] 趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[8] 章熙民，任澤需，梅飛鳴，等.傳熱學(xué)[M].3版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.（04）