一種公交站用太陽能降溫濕簾的設計方案

孫鐵柱 黃 翔 賀紅霞 常 江 舒 揚

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一種公交站用太陽能降溫濕簾的設計方案

孫鐵柱1,2黃 翔1賀紅霞1常 江1舒 揚3

（1.西安工程大學 西安 710048；2.西安交通大學 西安 710049；3.西安地鐵運營分公司 西安 710016）

為了改善公交站臺開放式空間的舒適度，并且有效利用炎炎夏日的太陽能，研究提出一種在公交站臺用降溫裝置方案，并以西安為例對降溫裝置進行了設計計算，分別計算了填料厚度、林水量、水箱大小以及太陽能板大小。

公交站；濕簾；設計計算；填料

0 引言

隨著時代的進步,人類歷史的發(fā)展不斷地把自身物質(zhì)文明與精神文明推向一個又一個新的階段,在現(xiàn)代社會中的人們對城市生活方式、城市形態(tài)和城市空間有了越來越高的要求。炎炎夏日人們也逐漸開始對公共場所的溫濕度有了較高要求。比如有些公園、景點等在人員流動密集地方裝了高壓噴霧系統(tǒng)改善局部溫濕度，提高人員舒適度。

最近幾年許多城市夏季高溫持續(xù)不斷，許多市民不得不冒著酷暑去乘公交車，而有些市民因酷熱天氣不愿乘公交車轉(zhuǎn)而開私家車出門，不僅造成交通擁堵而且能源浪費嚴重。所以本文研究提出一種在公交站臺用降溫裝置方案，以人性化的服務來改善市民出行舒適度。本研究將風機濕簾裝置設置于公交站臺，運用太陽能集熱板供電，雨水收集器加綠化帶澆水系統(tǒng)供蒸發(fā)冷卻用水，可以有效的提高人員舒適度，還具有過濾凈化空氣的作用，以改善公交站臺開放式空間的舒適度。

1 基本方案設計

1.1 風機濕簾工作原理

有部分南方城市在公交站臺采用過高壓噴霧方式降溫，這個方式主要是水不能循環(huán)，耗水量較大，而且噴頭對水質(zhì)要求較高。本方案采用直接蒸發(fā)冷卻技術中的滴淋式-填料降溫方式，將水滴淋在填料上與空氣冷卻降溫后再送到人員活動區(qū)。其原理如圖1所示。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻原理示意圖

1—填料；2—供水管；3—循環(huán)水泵；4—步水系統(tǒng)；5—補水管；6—排水管；7—浮球；8—溢流管

1.2 整體系統(tǒng)方案設計

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

（a）側視圖

（b）正視圖

圖2 西安某公交站臺

Fig.2 A bus stop in Xi 'an

以西安某公交站為例，如圖2所示。公交站臺用風機濕簾裝置系統(tǒng)布置如圖3所示，由風機濕簾供水裝置供給直接蒸發(fā)用循環(huán)水，經(jīng)布水系統(tǒng)噴淋到填料與空氣熱濕交換降溫，然后經(jīng)過風機送到人員候車區(qū)。淋入填料下部水槽的水經(jīng)回水管流入雨水收集裝置進行過濾后供給供水箱使用，這樣可以對循環(huán)水不斷過濾，以保證循環(huán)水的質(zhì)量。

圖3 公交站臺用風機濕簾裝置布置示意圖

1—公交站臺；2—風機濕簾裝置；3—布水系統(tǒng)；4—風機濕簾用填料；5—軸流式風機；6—匯流管；7—排水管；8—供水管；9—城市給水管網(wǎng)接口；10—雨水收集裝置；11—風機濕簾供水裝置；12—水泵

1.2.2 公交站臺風機濕簾的放置位置

（a）正視圖

（b）左視圖

（c）俯視圖

公交站臺的尺寸如圖4所示。根據(jù)公交站臺廣告牌上部支柱的位置，設計風機濕簾的位置如圖4（c）俯視圖，支柱間距離為1.2m，進風口與送風口長度分別為1m和1.5m，等腰梯形的中線是1.25m，所以風機濕簾中線的位置要靠前于廣告牌中間支柱0.05m。根據(jù)公交站臺廣告牌上部到頂棚的距離0.4m，我們設計風機濕簾高300mm。這樣的設計在不影響公交站臺本身結構的同時可以達到很好的送風效果。

圖5 風機濕簾立體圖

風機濕簾送風口采用單層百葉送風，如圖5所示，通過改變豎相的俯角來調(diào)節(jié)吹風感，達到舒適的效果。

2 設備設計計算

2.1 風機濕簾風量計算

2.1.1 確定夏季室外計算參數(shù)

以西安為例，選取夏季通風室外計算干球溫度30.7℃，夏季通風室外計算相對濕度54%。

2.1.2 風機濕簾熱工性能

根據(jù)《蒸發(fā)冷卻通風空調(diào)系統(tǒng)設計與安裝》[7]規(guī)定，局部送風降溫時，人員工作崗位空氣計算參數(shù)如表1所示。

表1 人員工作崗位空氣計算參數(shù)

這種降溫濕簾在西安地區(qū)交警崗亭做過測試，在測試條件下，直接蒸發(fā)冷卻的出風溫度一般在23～25℃，相對濕度在90%～95%[1-4,9-12]。

送風射流情況，選擇固定矩形百葉符合本設計的送風形式，擴散角21°選取紊流系數(shù)=0.1129[2]。

2.1.3 送風量的計算

根據(jù)崗位送風量公式（1）[7]計算出不同設計溫度要求下的送風量。

式中：為崗位送風量，m3/h；為工作崗位風速，m/s；為進風口紊流系數(shù)；為進風口與崗位距離，m；Δ0為出風口溫度與周圍空氣溫度之差，℃；Δ為工作崗位設計溫度與周圍空氣溫度之差，℃。

根據(jù)相關學者的研究分析，崗位設計溫度與崗位設計風速關系如表2所示。

表2 崗位設計溫度與崗位設計關系

風口具體參數(shù)見表3。

表3 風量計算具體設計參數(shù)

表4 崗位送風風量值

根據(jù)公式求得崗位送風量如表4所示。公交站臺是全開放空間，采用局部送風，空氣擾流較為明顯，崗位額定風量取最大值為3325.8m3/h。

送風口、進風口面積計算：

=（2）

式中：為額定風量，m3/s；為風口面積，m2；為風口速度，m/s。

對填料冷卻效率和公交站臺實際尺寸綜合考慮，填料的迎面設計風速取3m/s，可以得到所需填料面積為0.3m2，所以設計的進風口尺寸為1000mm×300mm。計算結果如表5所示。

表5 送風口面積

填料厚度計算：

進風干球溫度為30.7℃，出風干球溫度為25℃，迎面風速為3m/s。直接蒸發(fā)冷卻填料效率取80%，填料比表面積取440m2/m3，根據(jù)公式（3）計算可知填料厚度為45mm。

2.2 風機濕簾用水量計算

目前直接蒸發(fā)冷卻器的耗水量的計算是按照冷卻塔的水耗損失進行類比計算，由理論可知直接蒸發(fā)冷卻耗水量由蒸發(fā)水損失、吹風損失和排污損失三部分組成，其中蒸發(fā)水損失占據(jù)整個耗水量的一大部分。

計算直接蒸發(fā)冷卻的耗水量的方法主要有兩種：

根據(jù)公式（4）中空氣的參數(shù)為依據(jù)計算耗水量，公式中所涉及的參數(shù)整理如表6所示，將表中數(shù)據(jù)代入公式（4）進行計算。

=（1－2） （4）

式中：為耗水量，kg/h；為降溫濕簾的進風量，kg/h；1為進口空氣含濕量，g/kg；2為出口空氣含濕量，g/kg；

常溫常壓下，空氣的密度為1.29kg/m3。忽略空氣實際壓力與標準大氣壓的差，則：立方米每小時=1.29千克每小時，3325.8m3/h=4290.3kg/h。

風機濕簾的耗水量如表6所示。

表6 風機濕簾的耗水量

經(jīng)計算，風機濕簾耗水量為6.0kg/h，設計運行時間從上午11:00—17:00共6個小時，總耗水量36kg，水箱容積0.036m3，先假定水箱尺寸500mm×270mm×270mm。

水箱除去用水體積還要算水泵的占用空間，為符合公交站臺設計，地面到廣告牌的距離是600mm，所以水箱高度定為600mm，最終體積為500mm×270mm×600mm。

2.3 雨水收集器設計計算

2.3.1 尺寸計算

雨水收集器收集頂棚上方的雨水，在頂棚邊緣接水槽通過匯流管道接到地面的蓄水箱。匯流管和循環(huán)回水用三通相連，在沒有雨水收集的情況下只有回水進入蓄水箱。蓄水箱體積與供水箱體積相等，為500mm×270mm×600mm，蓄水箱中包括有棄流過濾裝置和浮球閥，可以將收集的雨水和噴淋過的循環(huán)回水進行過濾后送入供水箱，再次噴淋，供水箱上部放置水泵，下部是水箱箱體，由水箱箱體連接的供水管通到填料上部的布水系統(tǒng)進行噴淋。

水箱盛水量計算：

=0.5×0.27×0.6=0.081m3（5）

經(jīng)計算：蓄水箱中的水加上供水箱中的水可以提供風機濕簾三天的用水量，減輕人為加水的負擔。

以西安為例，夏季6—9月份降雨量如表7所示。

表7 夏季6—9月份降雨量降雨天數(shù)

由表7可以看出，西安市夏季每月降水天數(shù)在10天左右，假設不會連續(xù)降雨的話水箱的水量則不需要人為補水。

2.3.2 補水措施

如果雨水收集器不能滿足用水時，需要補水也可以有很多措施：（1）隨著城市化建設的發(fā)展，目前公交站臺附近都有綠化帶，且綠化帶建設趨于完善，花草的澆灌都是用自動噴水灌溉，所用水便是由城市給水管網(wǎng)提供，則公交站臺的用水也可以利用城市給水管網(wǎng)；（2）西安夏天炎熱，灑水車幾乎每天都會灑水降溫，可以通過灑水車進行補水。

2.4 太陽能電池板設計計算

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組成。如果輸入電壓為交流電則需要配置逆變器，本設計采用直流電，不配置逆變器。

西安市地處34.3°N、海拔397.5m、常年大氣壓約97029Pa，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，太陽能資源屬于第三區(qū)，一年中在5～8月份太陽輻射量較強，峰值日照時數(shù)為3.59h[5-9]；在6—8月份干濕球溫差較大，干空氣能富足。得出太陽能與干空氣能富集重合在6—8月份，也正值用電高峰季節(jié)。功率總計為0.2kW，蒸發(fā)冷卻空調(diào)功率為150W。

根據(jù)負載功率200W，輸入電壓24V，連續(xù)工作2個工作日，每天工作6小時，平均光照時數(shù)按5小時算，依據(jù)公式（6）可以得出太陽能電池板和蓄電池的配置瓦數(shù)。

太陽能板功率=負載功率*工作時間/損耗0.6/平均有效光照

200×6÷0.6÷5=400W （6）

蓄電池容量=負載功率*工作時間*連續(xù)陰雨天/電池電壓/充放電系數(shù)

蓄電池需要每天保持在20%以內(nèi)的放電量。

200×6×2÷24÷0.2=500Ah （7）

通過對太陽能電池板的查閱，選擇2個200W/12V的太陽能電池板并聯(lián)。蓄電池選擇12V，500Ah。

3 結論

（1）本裝置公交站臺用風機濕簾通過獨特的設計，在不改變原有公交站臺本身結構的同時滿足對周圍空氣的降溫凈化，從而達到滿足市民舒適性要求。本裝置利用蒸發(fā)冷卻技術不對大氣造成污染，充分利用太陽能資源，節(jié)能環(huán)保。公交站臺的人性化是城市化建設的必然要求，而蒸發(fā)冷卻技術又是低碳環(huán)保的首選，所以本裝置的可行性極高。

（2）以西安為例對本設計方案進行了設計計算，為方案設計提供一定的設計理論基礎。

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The Design Scheme for a Evaporative Cooling Pad for a Bus Station

Sun Tiezhu1,2Huang Xiang1He Hongxia1Chang Jiang1Shu Yang3

( 1.Xi’an University of Polytechnic, Xi’an, 710048; 2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049;3.Xi 'an Metro operations branch, Xi’an, 710016 )

In order to improve the comfort of bus station open space and effective use of solar sorching summer, the Evaporative Cooling Pad for a Bus Station is proposed in the paper, the design and calculation of a case in Xi'an is done. The thickness of packing, lin water, the size of the tank, and solar panel size is respectively calculated.

bus station; wetted pad; design calculation; filler

TH137.8；TU831.4

A

孫鐵柱（1986-），男，在職博士，講師，Email：suntiezhu66@163.com

2017-11-06

1671-6612（2018）05-515-05